摘 要： 通過研究指紋圖像預處理算法，提出了基于指紋灰度分類的圖像預處理算法，設計了指紋圖像匹配算法，其減少了計算復雜度，提高了匹配速度，并設計了一套聯(lián)網(wǎng)型指紋識別系統(tǒng)。通過對指紋識別系統(tǒng)軟、硬件的設計和開發(fā)解決了現(xiàn)有系統(tǒng)網(wǎng)絡方面的不足。

關鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)； 指紋識別； 方向場； 圖像預處理

中圖分類號： TN919?34； TM417 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）13?0156?04

Abstract： The fingerprint image preprocessing algorithm is studied to propose the image preprocessing algorithm based on fingerprint grayscale classification and fingerprint image matching algorithm based on block orientation field， which can reduce the computation complexity and improve the matching speed. A set networking fingerprint identification system was designed. The insufficient of the available system network was solved by means of the design and development of the fingerprint identification system hardware and software.

Keywords： embedded system； fingerprint identification； direction field； image preprocessing

0 引 言

傳統(tǒng)的身份識別技術主要包括基于實物的身份識別技術和基于知識的身份識別技術，基于實物的識別技術主要是借助于某一種或某幾種實物來實現(xiàn)身份的認證；基于知識的身份識別技術主要是借助于某些特征信息來實現(xiàn)身份的認證。但是這兩種身份識別技術都存在一定的缺陷：對于基于實物的身份認證方式來說，這些實物容易丟失、損壞或偽造；對于基于知識的身份認證方式存在信息選擇的問題，復雜信息不易記憶，簡單信息可靠性差。

生物識別技術中，指紋識別技術具有采集容易、安全性高、易存儲、穩(wěn)定性好、性價比高等優(yōu)點，因此近年來得到了快速發(fā)展?，F(xiàn)階段指紋識別技術分為基于PC的指紋識別技術和基于嵌入式的指紋識別技術。基于PC的指紋識別技術在理論上與應用上都比較成熟，但其存在價格較貴、功耗高、移動性能差等缺點，而嵌入式指紋識別技術則提供了良好的解決方案。

1 聯(lián)網(wǎng)型指紋識別系統(tǒng)的總體設計

1.1 總體方案

聯(lián)網(wǎng)型指紋識別系統(tǒng)由上位機和客戶端兩部分組成，其中上位機部分包括PC和服務器，PC進行信息的管理，服務器進行信息的存儲；客戶端部分為一個小型的嵌入式指紋識別系統(tǒng)，主要進行指紋的增刪、處理、對比等操作，同時實現(xiàn)與上位機的交互功能。結合實驗室現(xiàn)有條件，本文進行了聯(lián)網(wǎng)型指紋門禁系統(tǒng)的設計。該門禁系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

PC為控制中心，與客戶端通信實現(xiàn)對客戶端的管理；同時對PC采集和客戶端上傳的用戶信息進行管理，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的讀/寫操作，讀取、保存需要的信息。服務器為存儲中心，主要進行海量信息的存儲，其中內容包括用戶信息、指紋信息、房間信息以及開門記錄等。門鎖端即客戶端，為聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的終端，是一個小型的嵌入式系統(tǒng)，主要實現(xiàn)指紋信息的采集、處理等功能，同時實現(xiàn)與上位機的通信功能。為了拓展系統(tǒng)的使用范圍，選擇TCP/IP方式進行信息的傳輸，則相應的中繼器即為路由器。

1.2 上位機設計

（1） 應用軟件開發(fā)。對PC功能進行分析后，將該部分的開發(fā)分為以下幾個模塊：人員信息管理模塊、門鎖通信模塊和開門記錄查詢模塊。人員管理模板主要用于實現(xiàn)人員信息的管理、顯示功能，同時實現(xiàn)用戶信息與指紋信息、密碼信息的關聯(lián)功能。門鎖通信模塊實現(xiàn)了PC與客戶端的通信功能，同時實現(xiàn)對門鎖的實時監(jiān)控功能。開門記錄查詢模塊實現(xiàn)了開關門記錄的查詢功能，實現(xiàn)記錄信息的存儲和打印功能。

（2） 數(shù)據(jù)庫設計。數(shù)據(jù)庫作為一個信息存儲倉庫，主要用于實現(xiàn)對信息的有序管理功能，在系統(tǒng)中結合系統(tǒng)需求，主要使用數(shù)據(jù)庫存儲以下信息：用戶的基本信息、指紋信息、密碼信息，房間的基本信息以及對應的IP地址信息，開門記錄等信息。

1.3 客戶端設計

結合系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)型應用的需求，選擇以ARM芯片作為核心芯片進行相應系統(tǒng)的開發(fā)。針對ARM系統(tǒng)計算能力相對較差的問題，可以通過選擇高主頻的芯片對算法進行優(yōu)化改進加以克服。結合系統(tǒng)應用的需求，選擇嵌入式Linux系統(tǒng)作為本文的軟件平臺。

2 指紋識別系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)總體設計

結合系統(tǒng)的應用需求，在嵌入式系統(tǒng)基本設計環(huán)節(jié)之外，加入了指紋采集模塊、鍵盤電路模塊和網(wǎng)絡模塊。整個系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。

在圖2中，ARM芯片為整個系統(tǒng)的運算單元和控制核心；指紋采集模塊用于實現(xiàn)指紋圖像的采集；存儲模塊用來存儲系統(tǒng)程序、應用程序以及用戶信息；鍵盤模塊用于實現(xiàn)功能的選擇和密碼的輸入功能；LCD模塊用于提示信息的輸出；電插鎖模塊用于模擬門鎖的開關功能；網(wǎng)絡模塊用于實現(xiàn)與上位機的交互功能等。

2.2 系統(tǒng)硬件設計

選擇S3C2440A作為核心處理芯片，DM9000A作為網(wǎng)絡控制芯片進行硬件的設計。

電源電路設計：外部輸入電壓為5 V，S3C2440A芯片的內核工作電壓為1.3 V，存儲器電壓為3.3 V，接口電壓為3.3 V，因此需要設計相應的電壓轉換電路。在系統(tǒng)中選用LM1117作為核心轉換芯片。選用LM1117?ADJ作為核心電壓的轉換芯片，選用LM1117?CT3.3作為接口電壓和存儲電壓的轉換芯片。

網(wǎng)絡部分設計：以DM9000A作為核心芯片設計網(wǎng)絡部分的接口電路，使用HR911105A作為網(wǎng)絡的接口。DM9000A是一個帶有通用處理器接口的完全集成的單芯片快速以太網(wǎng)控制器，集成有一個10/100M的自適應收發(fā)器和一個4 KB的雙字SRAM。

LCD與觸摸屏電路設計：選用WXCAT35?TG3作為顯示設備。WXCAT35?TG3是一個投射型TFT?LCD模塊，它包含一個TFT?LCD面板、一個驅動電路，、一個背光單元和一個4線模擬電阻式觸摸屏。它的面板尺寸為3.5英寸，分辨力為320×240，廣泛應用于便攜式設備。

指紋識別模塊：采用實驗室已有的指紋識別模塊ZAZ?010作為指紋采集模塊。ZAZ?010系列指紋識別模塊以高速DSP處理器為核心，配有光學指紋傳感器，具有指紋錄入，圖像處理，指紋匹配、搜索和模板存儲等功能。

電插鎖模塊：系統(tǒng)選用電插鎖模塊LS?204，其電源供給為DC 12 V，啟動狀態(tài)電流為960 mA，平常狀態(tài)為130 mA，該鎖可根據(jù)用戶需要設定上鎖延遲時間為0 s，3 s，6 s和9 s。

3 指紋識別系統(tǒng)軟件設計

3.1 嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)

（1） 建立交叉編譯環(huán)境

為建立交叉編譯環(huán)境首先需要安裝交叉編譯工具，在系統(tǒng)開發(fā)過程中，選擇現(xiàn)有的cross?3.4.1.tar.bz2作為編譯工具。建立交叉編譯環(huán)境的過程如下：首先在PC機Linux系統(tǒng)的/usr/local目錄下建立arm目錄，將cross?3.4.1.tar.bz2拷貝至該目錄下；然后進入該目錄，執(zhí)行命令“tarjxvfcross?3.4.1.tar.bz2”進行解壓，最后編輯/etc/bashrc文件，增加該交叉編譯器的路徑。

（2） 編譯Bootloader

Bootloader是在操作系統(tǒng)內核或用戶應用程序運行之前的一段啟動硬件的引導程序，在絕大部分系統(tǒng)中，整個系統(tǒng)的加載啟動任務完全由Bootloader完成。常見的Bootloader包括Redboot，ARMboot，U?Boot，Bootldr等，系統(tǒng)選擇U?Boot作為系統(tǒng)的Bootloader。

（3） Linux內核的選擇、配置和編譯

在系統(tǒng)中選用Linux?2.6.12作為核心，該版本運行穩(wěn)定、內核精簡，目前使用較為廣泛。在開發(fā)過程中，首先下載Linux?2.6.12源碼，使用tar命令進行解壓；然后進入內核源碼，找到“Makefile”文件，添加對ARM的支持，將“ARCH？=（SUBARCH） ”和“CROSS_COMPILE？=”分別修改為“ARCH=arm”和“CROSS_COMPILE=arm?linux?”；接下來修改輸入時鐘，結合本系統(tǒng)所使用的12 MHz晶振，將時鐘的頻率由16.934 MHz改為12 MHz；再次，對系統(tǒng)內核進行配置，添加對系統(tǒng)硬件的支持，主要包括：CPU、串口、LCD、鍵盤、文件系統(tǒng)等。最后通過輸入命令makezImage實現(xiàn)內核的完全編譯，編譯結束后，可在arch/arm/boot目錄下得到Linux內核壓縮映像zImage，使用該映像即可實現(xiàn)系統(tǒng)的引導。

（4） 文件系統(tǒng)的構建

編譯內核之后，系統(tǒng)僅僅能實現(xiàn)正常的引導，為保證系統(tǒng)的正常運行，還需要添加相應的文件系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，結合需求，使用Yaffs2文件系統(tǒng)。搭建Yaffs2文件系統(tǒng)步驟如下：

獲取Yaffs源碼，在內核和配置單中添加對Yaffs的支持；獲取BusyBox源碼，修改并配置BusyBox進行編譯安裝；使用_install中的文件，構建文件系統(tǒng)框架；使用mkyaffs2image工具制作文件系統(tǒng)。

3.2 驅動開發(fā)

驅動程序是一種可以使操作系統(tǒng)和設備通信的特殊程序，相當于硬件的接口，在系統(tǒng)開發(fā)過程中具有重要意義，Linux中85%的源代碼都是驅動程序。在本系統(tǒng)中，為滿足聯(lián)網(wǎng)型應用的要求，需進行網(wǎng)絡驅動程序的開發(fā)，該過程可分為網(wǎng)卡驅動程序的編碼與配置兩個部分。

（1） 網(wǎng)卡驅動程序編碼

網(wǎng)卡驅動程序的編碼需結合硬件原理圖進行，在本系統(tǒng)中選用的網(wǎng)絡芯片為DM9000A，下面針對其進行具體的設計，具體步驟如下：

① Linux?2.6.12內核不支持DM9000A芯片，因此需先獲得DM9000A驅動的源碼，從Linux?2.6.20內核的driver/net/拷貝dm9000.c和dm9000.h到Linux?2.6.12相應目錄下，同時拷貝include/linux下的dm9000.h到相應位置。

② 修改Linux?2.6.12內核arch/arm/ mach?s3c2410/devs.c文件使其支持DM9000A網(wǎng)卡。首先，添加頭文件：#include；然后添加對網(wǎng)卡設備的支持，因為原理圖中的CS管腳接ARM芯片的NGCS4管腳，所以該處的起始地址為0x20000300，中斷線INT接EINT7，CMD接ADDR2。

③ 修改arch/arm/mach?s3c2410/devs.h文件，導出DM9000A設備。

④ 修改arch/arm/mach?s3c2410/mach?smdk 2410.c文件，添加DM9000A。

⑤ 修改driver/net/dm9000.c文件，設置中斷模式。

經(jīng)過以上過程即完成了對網(wǎng)絡驅動程序的編碼，接下來需要進行驅動程序的配置。

（2） 網(wǎng)卡驅動程序配置

首先，修改文件drivers/net/Kconfig，添加DM9000A驅動選項；其次，修改文件drivers/net/Makefile，添加DM9000A的編譯選項；再次，在內核中添加對網(wǎng)絡模塊的支持，該過程分兩步完成：一是配置網(wǎng)絡協(xié)議支持，加入對TCP/IP協(xié)議的支持；二是配置網(wǎng)絡設備的支持，加入對網(wǎng)絡芯片DM9000A的支持；最后，對內核進行編譯，生成新的內核映像文件，通過該過程就完成了對網(wǎng)絡模塊驅動程序的設計。

3.3 應用開發(fā)

完成了嵌入式Linux的系統(tǒng)開發(fā)和驅動開發(fā)，接下來需要進行嵌入式的應用開發(fā)。嵌入式Linux應用開發(fā)是指結合系統(tǒng)應用需求進行軟件的具體設計。在該過程中涉及應用程序設計、數(shù)據(jù)庫開發(fā)、GUI設計和網(wǎng)絡程序設計等內容[1]。

（1） 應用程序的設計

應用程序設計就是對系統(tǒng)進行功能分析，畫出相應的流程圖并進行編碼實現(xiàn)的過程。在本系統(tǒng)中，主要實現(xiàn)指紋信息的增加、匹配和刪除功能。因此在開發(fā)過程中將系統(tǒng)分為三種模式：指紋增加模式開發(fā)、指紋匹配模式開發(fā)、指紋刪除模式開發(fā)等。

指紋增加模式主要是實現(xiàn)指紋數(shù)據(jù)庫中指紋數(shù)據(jù)的添加功能，它是指紋匹配和刪除的先行條件。結合指紋采集模塊的通信協(xié)議，其流程圖如圖3所示。

指紋匹配模式主要實現(xiàn)指紋的匹配，進行用戶身份的判別。在該模式下，首先進行用戶指紋信息的采集和處理，然后搜索指紋特征庫，查找相匹配的指紋，進而做出相應的判斷。指紋匹配模式流程圖，如圖4所示。

指紋刪除模式主要是指刪除過期的指紋信息，以保證該系統(tǒng)的安全可靠。在該模式中，主要是通過ID號進行身份的驗證，進而實現(xiàn)用戶指紋模板的刪除，結合指紋采集模塊具體的通信協(xié)議，其流程圖如圖5所示。

（2） 數(shù)據(jù)庫設計

需要對采集到的指紋模板進行存儲，因此引入了數(shù)據(jù)庫，考慮到嵌入式系統(tǒng)資源的限制，本系統(tǒng)中使用SQLite。在數(shù)據(jù)庫的使用過程中，考慮到系統(tǒng)的要求需要建以下幾個表格：user，finger，finger_open，passwd_open。其中user表格用來存儲用戶的信息；finger用來記錄對應的指紋信息；finger_open用來記錄指紋開門的信息；passwd_open用來記錄密碼開門的信息。

（3） 網(wǎng)絡程序設計

在網(wǎng)絡應用程序設計中，廣泛使用TCP/IP參考模型，在本系統(tǒng)中，為保證信息安全可靠的傳輸，選用TCP協(xié)議作為TCP/IP通信方式的核心協(xié)議。

經(jīng)過以上步驟即完成了前期的準備工作，接下來需要進行網(wǎng)絡程序具體的設計。該部分作為聯(lián)網(wǎng)型系統(tǒng)的客戶端，采用如下步驟進行程序的設計：首先，用Socket（）函數(shù)創(chuàng)建一個Socket套接字；其次，設置服務器端的IP地址和端口等屬性；再次，用Connect（）函數(shù)連接服務器；接下來進行數(shù)據(jù)的收發(fā)；最后，斷開連接。相應步驟如圖6所示。

4 結 論

本文旨在對基于嵌入式系統(tǒng)的指紋識別技術進行相關研究。研究內容主要包括兩個方面：一是對指紋識別算法進行研究，結合嵌入式系統(tǒng)的特點，對指紋圖像預處理算法、特征提取算法和特征匹配算法進行優(yōu)化改進，以提高指紋圖像處理的魯棒性，加快特征匹配的速度；二是對指紋識別技術的應用展開研究，設計一套聯(lián)網(wǎng)型嵌入式指紋識別系統(tǒng)，滿足現(xiàn)在日益普遍的聯(lián)網(wǎng)型應用需求。

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