熊 欣

(河南工程學(xué)院軟件學(xué)院，河南 鄭州 450053)

保證電視信號(hào)的正常連續(xù)和穩(wěn)定播出是對(duì)廣電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行商提出的最基本的服務(wù)要求，而播出機(jī)房又是整個(gè)運(yùn)營商的核心，為了不讓閑雜人隨便進(jìn)入機(jī)房，發(fā)生誤操作而造成重大事故，必須提高機(jī)房安保管理［1］。根據(jù)指紋學(xué)理論原理，兩枚指紋匹配點(diǎn)達(dá)12個(gè)的機(jī)率為1%。所以至今仍找不出兩個(gè)指紋完全相同的人，與傳統(tǒng)的鑰匙、射頻卡以及密碼相比，不容易被偽造和假冒［2］。為此，采用分布式C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)了基于指紋識(shí)別的智能門禁系統(tǒng)，只有注冊(cè)的訪客才可以通過門禁，系統(tǒng)對(duì)每次訪問保存記錄，方便管理、安全可靠性高。

1 工作原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

指紋識(shí)別的工作原理是通過精準(zhǔn)的光電成像系統(tǒng)對(duì)開啟者的指紋圖像進(jìn)行采集，并運(yùn)用復(fù)雜的模式匹配算法，與原注冊(cè)指紋進(jìn)行比對(duì)，判斷開啟者身份，合法身份確認(rèn)后即可輸出開鎖信號(hào)［3］。電視信號(hào)播出機(jī)房的門禁系統(tǒng)采用分布式C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由門禁管理中心、門禁終端、自動(dòng)門和傳輸網(wǎng)絡(luò)等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

門禁管理中心部署在監(jiān)控室，實(shí)際上是由一臺(tái)接入局域網(wǎng)的PC機(jī)完成的，PC機(jī)上安裝門禁管理軟件用以存儲(chǔ)和管理訪客資料、指紋信息以及訪問日志等信息，同時(shí)作為系統(tǒng)的服務(wù)端等待分布在各處的門禁客戶端發(fā)來的連接請(qǐng)求建立TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)與各門禁終端的數(shù)據(jù)交互;門禁終端作為系統(tǒng)的客戶端是執(zhí)行單元，主要完成對(duì)訪客指紋的采集、預(yù)處理、特征提取、指紋匹配、控制自動(dòng)門開關(guān)、顯示工作狀態(tài)和呼叫門鈴等功能。當(dāng)訪客的指紋與系統(tǒng)中注冊(cè)的指紋匹配時(shí)，通過控制繼電器打開或者關(guān)閉自動(dòng)門，并在LCD液晶屏上顯示訪客身份信息;不匹配時(shí)，會(huì)顯示報(bào)錯(cuò)和處理方法等，并將所有執(zhí)行的操作和狀態(tài)信息發(fā)送至管理中心。當(dāng)有外來訪客時(shí)，可以按呼叫門鈴讓保安室的工作人員手動(dòng)控制自動(dòng)門開啟，進(jìn)行登記后再進(jìn)入［4］。

2 門禁終端硬件構(gòu)成

智能門禁系統(tǒng)主要由嵌入式處理器LPC2148、指紋識(shí)別模塊TF－EM－M12、液晶顯示屏、呼叫門鈴、繼電器和電源管理單元等組成。門禁終端硬件構(gòu)成如圖2所示。

圖2 門禁終端硬件構(gòu)成

2.1 嵌入式處理器LPC2148

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗和小體積設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用了飛利浦公司推出的基于ARM7 TDMI內(nèi)核的精簡指令系統(tǒng)的16/32位高速處理器。其豐富的片上資源能滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要［5］。

系統(tǒng)采用的都是集成度很高的模塊，LPC2148處理器的UART串口與指紋模塊TF－EM－M12的串口對(duì)接，用以實(shí)現(xiàn)指紋的采集、匹配、回傳、存儲(chǔ)的功能;處理器的SPI接口直接與網(wǎng)絡(luò)模塊ENC28J60的SPI接口對(duì)接，用以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制及數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 指紋識(shí)別模塊TF－EM－M12

指紋識(shí)別模塊TF－EM－M12利用光學(xué)CMOS傳感器采集指紋圖像信息，它的核心是一個(gè)集成了先進(jìn)指紋識(shí)別算法的DSP芯片，內(nèi)部集有指紋特征提取、存儲(chǔ)、比對(duì)等功能，并提供了RS－232接口供外部控制器控制。識(shí)別率高達(dá)0.00001 %，采集頭分辨力為500DPI，可存儲(chǔ)80枚指紋，還可擴(kuò)展到880枚和1980 枚，比對(duì)時(shí)間小于1 s，具有1∶N和1∶1這2種比對(duì)模式，用戶還可分為多級(jí)權(quán)限管理，多級(jí)的安全級(jí)別自主設(shè)置，便于應(yīng)用于不同場所。該模塊處理速度快、穩(wěn)定性好，易于集成，適于嵌入指紋鎖、指紋門禁機(jī)和手持指紋識(shí)別設(shè)備。

指紋識(shí)別模塊在門禁終端中作為從設(shè)備，由處理器LPC2148通過UART串口發(fā)送相應(yīng)指令對(duì)其進(jìn)行添加指紋、刪除指定用戶、采集圖像、提取特征值上傳和匹配等控制。串口的通信速率與處理器LPC2148初始化的一致，設(shè)置為19200 bit/s、1個(gè)起始位、1個(gè)停止位和無校驗(yàn)位模式。

2.3 網(wǎng)絡(luò)模塊ENC28J60

ENC28J60是美國微芯科技公司推出的帶有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPI串行外設(shè)接口的以太網(wǎng)控制器，完全符合IEEE 802.3規(guī)范，提供了一個(gè)內(nèi)部DMA模塊，并采用一系列機(jī)制對(duì)傳入數(shù)據(jù)包進(jìn)行限制，為了實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐還提供了硬件支持的IP校驗(yàn)和計(jì)算，具有兩個(gè)專用的引腳用于連接 LED，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)狀態(tài)指示［6］。網(wǎng)絡(luò)模塊ENC28J60與處理器LPC2148的通信通過2個(gè)中斷引腳和SPI接口實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10 Mbit/s。

3 門禁終端軟件設(shè)計(jì)

門禁終端核心采用的是ARM處理器LPC2148，故軟件調(diào)試環(huán)境采用了ARM處理器集成開發(fā)工具ADS1.2，此開發(fā)軟件功能強(qiáng)大，集成了匯編、C/C++編譯器等，其編譯效率非常高，還支持JTAG仿真調(diào)試和硬件調(diào)試，同時(shí)，提供了功能強(qiáng)大的系統(tǒng)庫。

3.1 門禁終端程序結(jié)構(gòu)

主程序主要通過調(diào)用各功能子函數(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)和控制等。程序流程圖3所示。

圖3 程序流程

門禁終端上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括處理器LPC2148異常向量表、堆棧初始化、存儲(chǔ)系統(tǒng)初始化和目標(biāo)板初始化等，還包括對(duì)外圍網(wǎng)絡(luò)模塊ENC28J60、指紋識(shí)別模塊TF－EM－M12和LCD顯示屏設(shè)備的配置，并主動(dòng)與管理中心建立TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，之后進(jìn)入中斷觸發(fā)等待狀態(tài)。當(dāng)有訪客觸發(fā)CMOS傳感器時(shí)，進(jìn)入中斷程序，獲取和處理指紋，再與管理中心系統(tǒng)中注冊(cè)的指紋進(jìn)行匹配。如果匹配，會(huì)在門禁終端上顯示個(gè)人信息并打開自動(dòng)門;如果不匹配，會(huì)聲音報(bào)警提示報(bào)錯(cuò)，并在LCD屏上顯示原因和處理方法。最后將操作過程通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到管理中心服務(wù)器端備份，結(jié)束中斷，繼續(xù)進(jìn)入等待中斷觸發(fā)狀態(tài)。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸

系統(tǒng)中的指紋數(shù)據(jù)和控制指令都是通過以太網(wǎng)傳輸?shù)模话闱闆r下每一數(shù)據(jù)幀的長度介于64～1518 byte之間，分別依次由目標(biāo)MAC地址、源MAC地址、類型/長度字段、數(shù)據(jù)有效負(fù)載、可選的填充字段和循環(huán)冗余校驗(yàn)字段等字段組成。整個(gè)過程比較簡單，當(dāng)需要通過以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，ENC28J60內(nèi)的MAC在發(fā)送時(shí)會(huì)自動(dòng)生成前導(dǎo)符和幀起始定界符到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的開頭，MAC可根據(jù)配置生成填充和CRC字段。處理器LPC2148根據(jù)需要生成他幀字段，并寫入緩沖存儲(chǔ)器，調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送子函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送。

4 管理中心軟件

管理軟件以VC++6.0為開發(fā)平臺(tái)，采用Microsoft Access2003為后端數(shù)據(jù)庫，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與各門禁終端通信，具備錄入數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)查詢、歷史查詢和手動(dòng)控制門禁開關(guān)等功能，其中需要錄入的數(shù)據(jù)有個(gè)人資料、指紋信息和訪客訪問日志信息等［7］。管理中心功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 管理中心功能結(jié)構(gòu)

管理軟件安裝在監(jiān)控室的計(jì)算機(jī)上，該計(jì)算機(jī)與各門禁終端接入組建的局域網(wǎng)，并自動(dòng)分配IP地址，此時(shí)的系統(tǒng)是一個(gè)空白的系統(tǒng)，首先需要注冊(cè)訪客的指紋和個(gè)人信息，指紋并與個(gè)人信息對(duì)應(yīng)存入Access2003數(shù)據(jù)庫中，此時(shí)這個(gè)指紋就被授權(quán)可以開啟自動(dòng)門。當(dāng)發(fā)生異常情況后，想獲取在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)人員的進(jìn)出時(shí)，可以通過歷史查詢功能，調(diào)用訪客日志，使電視信號(hào)播出機(jī)房門禁的管理井井有條。

5 結(jié)論

電視信號(hào)播出機(jī)房門禁系統(tǒng)采用分布式C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了門禁的統(tǒng)一管理，利用嵌入式處理器LPC2148設(shè)計(jì)的門禁終端工作穩(wěn)定可靠，同時(shí)為了簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用了集成指紋識(shí)別算法的模塊TF－EM－M12，大大減小了系統(tǒng)的復(fù)雜度。指紋識(shí)別與傳統(tǒng)的鑰匙、射頻卡以及密碼相比，大大提高了安全性與方便性，能夠提供高效、智能、便捷的授權(quán)控制，還可以應(yīng)用于科研實(shí)驗(yàn)室、重要機(jī)關(guān)和高檔公寓等場所。

［1］鄧志杰，錢宇.機(jī)房安保及環(huán)境集中監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電視技術(shù)，2004，28(5):80－81.

［2］孫萍，孫偉，張亮.基于指紋識(shí)別技術(shù)的智能小區(qū)門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電氣應(yīng)用，2009(23):24－26.

［3］劉利，王棟，董惠.用于智能門禁系統(tǒng)的人臉識(shí)別技術(shù)［J］.電視技術(shù)，2010，34(9):113－115.

［4］陳偉元，蘇濤.單芯片微小型指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2010，46(25):61－63.

［5］吳棟念，唐慧強(qiáng).基于LPC2148的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速和測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2010(10):54－56.

［6］緱延軍.基于ENC28J60的嵌入式異構(gòu)網(wǎng)關(guān)與Web應(yīng)用［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，36(2):263－267.

［7］蒲東兵，馬志強(qiáng)，龐長明.基于DSP的掌紋識(shí)別門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.東北師大學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，39(4):42－45.