錢瑩晶

（懷化學(xué)院 物理與信息工程系，湖南 懷化 418008）

目前身份識(shí)別系統(tǒng)主要有兩個(gè)方向的技術(shù)支撐，一是基于智能卡和射頻識(shí)別技術(shù)的身份驗(yàn)證系統(tǒng)[1-3]，二是基于生物識(shí)別技術(shù)的身份驗(yàn)證系統(tǒng)[4]。 前者將用戶信息固化在一塊集成電路IC 或射頻識(shí)別卡中，系統(tǒng)雖簡(jiǎn)單但通用性差、可靠性差、容易出現(xiàn)身份冒認(rèn)現(xiàn)象[5-6]；指紋識(shí)別技術(shù)是生物識(shí)別技術(shù)中的一種，是迄今為止人們最關(guān)注、最成熟的生物識(shí)別技術(shù)[7-8]。

目前， 市面上的基于指紋識(shí)別技術(shù)的身份認(rèn)證系統(tǒng)通常采用的是通用計(jì)算機(jī)或沒(méi)有考慮功耗的控制器控制。 這樣的系統(tǒng)雖然功能全、容量大，但存在成本高、體積和功耗較大等缺陷，因而不適合隨身攜帶，應(yīng)用場(chǎng)合也受到一定的限制[9]，尤其是在非固定考勤地點(diǎn)和容量不大的場(chǎng)合。 例如，高校學(xué)分制下課堂考勤就不能套用目前市面上固定安裝的這種指紋考勤機(jī)[10]，這是由于對(duì)學(xué)生的考勤只有與教師上課完全同步才有意義，這就需要考勤終端在教師上課時(shí)能在學(xué)生中自由有序地移動(dòng)來(lái)采集學(xué)生指紋[11-12]。這顯然是目前市面上由于功耗問(wèn)題需要市電供電而固定安裝在考勤地點(diǎn)的指紋考勤機(jī)所無(wú)法解決的技術(shù)問(wèn)題。 所以，以教務(wù)考勤系統(tǒng)為例研制一套高效、 智能和可靠的便攜式考勤管理系統(tǒng)有著重要的應(yīng)用價(jià)值和一定的工程參考價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖1 所示，系統(tǒng)由光學(xué)指紋傳感器、DSP、單片機(jī)、外擴(kuò)存儲(chǔ)器和人機(jī)接口等模塊組成。 其中光學(xué)指紋傳感器用于采集指紋信息；DSP 處理器采用TI 公司的TMS320VC5501，通過(guò)TFS-9 商用指紋算法在光學(xué)指紋傳感器錄入指紋信息經(jīng)過(guò)圖像處理提取特征值， 并能完成指紋比對(duì)和搜索等功能； 單片機(jī)TM4C123GH6PMI 通過(guò)異步串口UART 接口通訊協(xié)議控制DSP 完成指紋錄入、比對(duì)、上傳或接收特征值；用戶的信息可以通過(guò)鍵盤錄入同時(shí)通過(guò)液晶顯示器OLED12864 顯示。 需要說(shuō)明的是為了適應(yīng)便攜式使用， 系統(tǒng)進(jìn)行模塊選型時(shí)最為重要的就是選擇低功耗器件。 這里單片機(jī)采用德州儀器的32 位超低功耗微處理器TM4C123GH6PMI、液晶采用低功耗液晶OLED12864。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件

由圖1 的系統(tǒng)框圖可以看出， 該系統(tǒng)的硬件組成很簡(jiǎn)單，其連接也不復(fù)雜。 主要涉及到3 部分之間的接口連接。 單片機(jī)與DSP 內(nèi)核的TFS-M51 指紋模塊的連接，采用UART 的3 線標(biāo)準(zhǔn)， 用于給指紋模塊發(fā)送命令和接收指紋模塊采集到的用戶信息及模塊狀態(tài)； 單片機(jī)與液晶采用并行連接，OLED12864 是128×64 行點(diǎn)陣的OLED 單色、 字符、 圖形顯示模塊， 模塊內(nèi)藏64×64 的顯示數(shù)據(jù)RAM，其中每位數(shù)據(jù)都對(duì)應(yīng)于OLED 屏上一個(gè)點(diǎn)的亮、暗狀態(tài)，其接口電路和操作指令簡(jiǎn)單，可以采用串行數(shù)據(jù)接口； 單片機(jī)和外擴(kuò)存儲(chǔ)器采用I2C 串行接口， 存儲(chǔ)器24C02 用于存儲(chǔ)用戶考勤結(jié)果（注意只是考勤記錄而非用戶的指紋信息），保證掉電后考勤結(jié)果不至于丟失。

3 功能介紹

該考勤系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)任務(wù)是軟件設(shè)計(jì)， 特別是不同功能狀態(tài)時(shí)單片機(jī)與DSP 內(nèi)核指紋模塊之間的通信。為了明確軟件設(shè)計(jì)任務(wù)， 先對(duì)該系統(tǒng)的功能和使用流程進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 功能說(shuō)明

該便攜式指紋考勤系統(tǒng)主要用于學(xué)生上課考勤，其具體功能應(yīng)該包括以下幾項(xiàng)：

3.1.1 指紋錄入：輸入學(xué)號(hào)后，對(duì)同一個(gè)用戶連續(xù)三次錄入指紋一致后方成功， 以此為基礎(chǔ)建立任課班級(jí)指紋庫(kù)。

3.1.2 指紋匹配： 正常授課課堂上采集指紋并與指紋模塊中的指紋庫(kù)對(duì)照，即學(xué)生指紋簽到。

3.1.3 考勤統(tǒng)計(jì)： 可以統(tǒng)計(jì)未進(jìn)行指紋簽到的學(xué)生名單，下課后教師可以按鍵翻閱。

除此3 部分基本功能外，還有清除簽到記錄、刪除指紋庫(kù)和對(duì)錯(cuò)誤操作進(jìn)行程序復(fù)位等功能。

3.2 使用說(shuō)明

該便攜式指紋考勤系統(tǒng)設(shè)置了16 個(gè)按鍵：10 個(gè)數(shù)字鍵用來(lái)輸入學(xué)號(hào)；1 個(gè)添加用戶‘A’鍵；1 個(gè)簽到匹配‘B’鍵；‘C’鍵重新補(bǔ)簽到，補(bǔ)簽到需要教師密碼；‘D’鍵刪除所有的記錄包括指紋庫(kù)（加有警告提示，此處也可在程序中設(shè)置密碼）；‘*’鍵查看未到的用戶。

4 軟件設(shè)計(jì)

正如上文所述， 此系統(tǒng)的主要軟件工作是單片機(jī)和DSP 內(nèi)核的指紋模塊間的數(shù)據(jù)交換。 這部分軟件設(shè)計(jì)與通信方式和通信協(xié)議密切相關(guān)。

4.1 通信方式

DSP 模塊作為從設(shè)備， 由主設(shè)備單片機(jī)發(fā)送相關(guān)命令對(duì)其進(jìn)行控制。 其命令接口波特率為19200bps，1 起始位，1 停止位，無(wú)校驗(yàn)位。

主設(shè)備發(fā)送的命令及DSP 模塊的應(yīng)答按數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可分為2 類， 最為簡(jiǎn)單和常用的是固定8 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)格式。 具體數(shù)據(jù)格式如下：

表1 通信格式

其 中，CMD 為 命 令/應(yīng) 答 類 型；P1、P2、P3 為 命 令 參數(shù)；Q1、Q2、Q3 為應(yīng)答參數(shù)；CHK 為校驗(yàn)和，0xF5 為第2字節(jié)到第6 字節(jié)的異或值。

4.2 通訊協(xié)議

4.2.1 使模塊進(jìn)入休眠狀態(tài)（命令/應(yīng)答均為8 字節(jié)）

命令數(shù)據(jù)格式如下：

表2 休眠模式格式字

4.2.2 設(shè)置/讀取指紋添加模式（命令/應(yīng)答均為8 字節(jié)）

指紋添加分兩種模式： 允許重復(fù)模式和禁止重復(fù)模式。 在”禁止重復(fù)模式”下，同一枚手指只能添加一個(gè)用戶，若強(qiáng)行進(jìn)行第二輪添加將返回錯(cuò)誤信息。 上電后系統(tǒng)處于禁止重復(fù)模式。

表3 設(shè)置指紋添加模式格式字

4.2.3 添加指紋（命令/應(yīng)答均為8 字節(jié)）

為確保有效性， 用戶必須錄入3 次指紋， 主機(jī)須向DSP 模塊發(fā)送3 次命令。 此處以第一次錄入為例，其余2次只需將下表的第三列上數(shù)字改為相應(yīng)的錄入次數(shù)值。

表4 添加指紋格式字

4.2.4 刪除指定用戶（命令/應(yīng)答均為8 字節(jié)）

表5 刪除模式格式字

4.2.5 采集圖像并提取特征值上傳（命令為8 字節(jié)/應(yīng)答＞8 字節(jié)）

表6 采集、上傳格式字

應(yīng)答數(shù)據(jù)包如下：

表7 應(yīng)答模式格式字

說(shuō)明：特征值數(shù)據(jù)長(zhǎng)度Len-3 恒為193 字節(jié)。

4.3. 軟件設(shè)計(jì)

在上述通信方式和協(xié)議下可以進(jìn)行如下軟件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)包括主程序和部分功能子程序， 其中比較重要的功能子程序包括添加用戶功能程序、 刪除用戶功能程序和簽到匹配功能程序。

4.3.1 主程序設(shè)計(jì)

如圖2 所示系統(tǒng)主程序流程圖中， 系統(tǒng)在上電之后先進(jìn)行串口、液晶和24C02 存儲(chǔ)器的初始化。 然后進(jìn)行按鍵掃描，根據(jù)按鍵掃描情況設(shè)置狀態(tài)機(jī)安排任務(wù)調(diào)度。 若檢測(cè)到A 鍵被按下，則進(jìn)行新用戶錄入操作；若檢測(cè)到B鍵被按下，則進(jìn)行匹配簽到操作；若檢測(cè)到C 鍵被按下，則進(jìn)行補(bǔ)簽到操作；若檢測(cè)到D 鍵被按下，則進(jìn)行刪除；若檢測(cè)到*鍵被按下，則進(jìn)行查看未簽到學(xué)生操作；若檢測(cè)到數(shù)字鍵被按下，則記錄數(shù)字并顯示。

圖2 主程序流程圖

4.3.2 添加用戶功能程序設(shè)計(jì)

圖3 添加用戶子程序流程圖

為了保證登記入指紋庫(kù)的學(xué)生用戶指紋信息有效可靠，需要連續(xù)錄入3 次，并保證3 次錄入的學(xué)生指紋特征值一致。 合法的指紋特征值作為模板保持在指紋庫(kù)中，正常上課考勤時(shí)錄入的學(xué)生指紋將以此指紋庫(kù)中的指紋模板為對(duì)照對(duì)象。

4.3.3 刪除用戶子程序設(shè)計(jì)

刪除用戶指紋可以是對(duì)所有用戶， 也可以指定某個(gè)用戶。 下面以刪除所有用戶信息為例說(shuō)明如何刪除指紋信息。

圖4 刪除用戶子程序流程圖

4.3.4 簽到匹配子程序設(shè)計(jì)

該功能程序在B 健被按下時(shí)啟動(dòng)。當(dāng)B 健被按下時(shí)，單片機(jī)給DSP 指紋模塊發(fā)送0x0C 命令（進(jìn)行1：N 比對(duì)）。如比對(duì)匹配成功， 可以從指紋模塊返回的狀態(tài)字中讀出匹配的學(xué)生用戶號(hào)， 然后在主設(shè)備單片機(jī)端將用戶號(hào)和學(xué)生學(xué)號(hào)映射，并在顯示器上顯示。

圖5 簽到匹配子程序流程圖

5 結(jié)論

本文以教務(wù)考勤系統(tǒng)為例， 介紹了一套基于指紋識(shí)別技術(shù)的便攜式考勤管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 該系統(tǒng)為適應(yīng)便攜式設(shè)備低功耗的需要， 硬件上以超低功耗單片機(jī)TM4C123GH6PMI 為控制器、以兼容LTTL 電平和支持待機(jī)模式的TFS-M51 為指紋模塊、 以低功耗液晶OLED12864 為顯示器， 軟件上在系統(tǒng)無(wú)激活時(shí)采用低功耗待機(jī)模式。 該系統(tǒng)具有指紋錄入、刪除、對(duì)比檢測(cè)和翻閱未簽到學(xué)生名單等功能。 測(cè)試結(jié)果表明： 該系統(tǒng)可在2000mAh 容量電池供電情況下正常工作10 小時(shí)，實(shí)現(xiàn)容量為800 人的考勤，可以滿足便攜式考勤的需要。

圖6 實(shí)物典型界面圖

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