糜元根　程欣欣　季鵬南京工業(yè)大學電子與信息工程學院

?

嵌入式施工升降機安全監(jiān)控系統(tǒng)的設計

糜元根程欣欣季鵬
南京工業(yè)大學電子與信息工程學院

摘要：針對施工升降機在安全監(jiān)控方面存在的問題，設計了具有污損指紋識別功能的嵌入式安全監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32F103處理器作為主處理芯片，配以LCD顯示、輸出控制和FPS200指紋傳感器組成基本的硬件結構，在此基礎上簡要的介紹了該系統(tǒng)的處理流程，分析了利用模糊區(qū)域分割法對污損指紋進行處理的方法，成功實現了施工升降機的安全監(jiān)控的功能。

關鍵字：嵌入式系統(tǒng) 安全監(jiān)控 污損指紋識別 STM32F103 指紋傳感器

在建筑的施工場所，由于現有的施工升降機中缺乏一種可以用于對其進行安全監(jiān)控的設備，常常出現由于非授權人員操作施工升降機而造成人員傷亡的情況，近幾年武漢、常州等地區(qū)就發(fā)生過在施工過程中由于施工升降機突然發(fā)生故障而造成施工人員傷亡的事故，因此尋找一種合適的、可靠的能夠用于對施工升降機進行安全監(jiān)控的方法已成為必要；而指紋由于具有終身不變性、唯一性、不可丟失性等特點，已成為目前最安全、最經濟、最可靠的用于安全監(jiān)控的方法之一。綜合上述情況，本文設計了一套基于指紋識別的嵌入式施工升降機安全 監(jiān)控系統(tǒng)，同時考慮到施工場所是一個極易造成指紋污損的地方，容易出現指紋無法被識別的情況，因此本文分析了利用模糊區(qū)域分割法對污損指紋進行處理的方法，以提高該系統(tǒng)的性能，通過把該方法應用到指紋識別的過程中，本文完成了應用于施工升降機中的具有污損指紋識別功能的嵌入式安全監(jiān)控系統(tǒng)的設計，實現了對施工升降機的安全監(jiān)控。

1　系統(tǒng)硬件設計

1.1系統(tǒng)硬件構成

系統(tǒng)硬件主要包括：指紋采集模塊、指紋數據存儲模塊（SRAM）、指紋程序存儲模塊（FLASH）、 串口模塊、指紋圖像算法處理模塊（STM32F103）、結果顯示模塊、按鍵模塊、電源模塊、輸出控制模 塊（施工升降機工作控制模塊）等。系統(tǒng)的工作原理為：系統(tǒng)上電以后進行各部分 的初始化，接著通過功能按鍵選擇指紋識別這一功 能，然后通過指紋傳感器FPS200采集施工人員的指紋，指紋采集完成后FPS200通過并口和STM32F103進行通信，將采集到的指紋數據送給STM32F103進行處理，最后把處理的結果在工業(yè)串口屏上顯示出來。如果指紋匹配成功，則施工升降機開始工作，施工人員可以正常操作施工升降機；如果匹配失敗，施工升降機無法工作，不允許此人對施工升降機進行操作，因此達到了防止非授權人員操作施工升降機的目的，避免了由于非授權人員操作施工升降機而造成的人員傷亡。

1.2系統(tǒng)硬件綜述及主要模塊介紹

本文采用基于ARM CorexM3內核的STM32F10 3增強型系列芯片作為主控制器，該芯片具有256kB的 FLASH，48kB的RAM，并且片上集成12位A/D、D/A 、USB等資源，在嵌入式系統(tǒng)方面有著廣泛的應用。 指紋數據存儲模塊（SRAM）是用于存儲采集到的指紋數據，由于主控芯片STM32F103內部RAM 容量不能滿足存儲和處理圖像數據的要求，所以采用外擴 SRAM來存儲指紋數據；指紋程序存儲模塊（FLASH）用于存放設計的程序和指紋特征數據模板；串口模塊實現和主機的通信；按鍵模塊用于實現系統(tǒng)功能的選擇；結果顯示模塊用于對指紋識別結果的顯示；指紋采集模塊用于對指紋的采集，輸出控制模塊用于控制施工升降機的工作。

1.2.1指紋采集模塊

FPS200指紋傳感器是一種固態(tài)指紋傳感器，其內含19個功能寄存器，分辨率為500DPI，內置8位模數轉換器，并具有兩組采樣保持電路，在運行時可以處于低于200mW的低功耗狀態(tài)，本文中的FPS200指紋傳感器采用VSPA80封裝，與STM32主處理器進行并口方式通信，而且FPS200有自動指紋檢測功能，當手指按在傳感器上并達到一定的時間，FPS200開始采集指紋并將采集到的指紋數據傳送給主控制器 STM32進行處理。

1.2.2結果顯示及施工升降機電源控制模塊

結果顯示模塊采用的是工業(yè)串口顯示屏，其采用標準的232串口模式與STM32進行與通信，分辨率為480*272DPI，支持24位的BMP格式圖片和任何大小和字體的中英文字庫，顏色顯示

16位（64K） 色，圖庫存儲容量不限，內置RTC實時時鐘，帶有觸摸屏操作界面，而且包含按鈕、進度條和文本編輯框等多種控件。施工升降機的工作控制模塊，也即安全監(jiān)控系 統(tǒng)的輸出控制模塊，采用繼電器來控制施工升降機電源的導通與截止，當指紋匹配成功時，施工升降機電源導通并開始工作，反之當指紋匹配失敗時就無法導通電源，施工升降機無法工作。

2　系統(tǒng)軟件設計

2.1施工升降機安全監(jiān)控系統(tǒng)程序設計

施工升降機安全監(jiān)控系統(tǒng)程序設計的關鍵是實現STM32F103 與FPS200之間的并口通信協(xié)議，系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)時鐘模塊、串口模塊、FPS200指紋采集 模塊、結果顯示模塊和按鍵模塊依次進行初始化，初始化完成后通過功能按鍵對系統(tǒng)的工作模式進行選擇（指紋存儲模式或是指紋識別模式），這時只要FPS200指紋采集器檢測到手指，則進行指紋采集，如果選擇的是指紋存儲模式，FPS200采集到指紋后就保存到FLASH中作為指紋模板；如果選擇的是指紋識別模式，FPS200采集到指紋后就存儲到到SRAM中，然后進行指紋的特征點提取、匹配等相關處理，最后把識別結果在工業(yè)串口屏上顯示出來，并根據識別結果來控制施工升降機的工作，如果匹配成功，則施工升降機開始工作，否則施工升降機無法被操作。

2.2指紋圖像模糊區(qū)域分割算法

在指紋處理過程中用到的模糊區(qū)域標記法可以去除指紋污損的部分，因此當系統(tǒng)檢測到采集的指紋中含有污損部分的時候，就會把污損的部分去除，這樣在后續(xù)的指紋匹配過程中，就不需要再對污損的指紋部分進行匹配，這樣就較好的避免了識別錯誤和無法識別情況的發(fā)生，同時提高了指紋的識別速度。對于指紋圖像這樣特殊的處理對象，在局部鄰域上，脊谷交替出現，有明顯的方向性，并且這種方向在小范圍內變化緩慢，區(qū)域的模糊性（不清晰）主要表現在局部鄰域不具有明顯的方向性，由此就可以將圖像的模糊區(qū)域分割出來。而在該算法中最主要的部分就是求出分割圖像模糊部分的閾值。首先計算圖像的模糊度量因子，本文采用的是 用原始圖像與8個9×9的掩碼算子M1，M2，...，M8作卷積 得到S1，S2，...，S8，Si在指紋圖像清晰區(qū)域表現出各向異 性，而在指紋模糊區(qū)域表現出各向同性。則Si的方 差在一定程度上表現了局部區(qū)域的模糊程度，因此 對原始圖像中每一點（x，y）處的模糊程度度量因子。

在得到了指紋圖像的每個像素點模糊程度的度量，并且確定指紋圖像的整體質量復合要求之 后，再對該度量值進行線性變換和作直方圖均衡，最后對該模糊程度的度量取一個門限。本文采用最大類間方差法求門限，記清晰區(qū)與模糊區(qū)的分割閾值為thres，清晰部分灰度均值為m1，像素數占整個圖像比例為w1；模糊部分灰度均值為m2，像素數占整個圖像比例為w2，最大類間方差為g，則其表達式為式（3）。當thres從0取到255時，會存在一個值使g的值達到最大，本文就是選定使得g為最大值時thres的值作為模糊區(qū)域標記的閾值，即模糊區(qū)域分割的門限為thres。

3　實驗結果

模糊區(qū)域標記方法的適應范圍是有一定的限制的，只有當指紋圖像的整體質量E達到要求時，系統(tǒng)才對該指紋圖像進行處理，否則系統(tǒng)拒絕對該指紋圖像進行處理。首先在VC環(huán)境下進行模擬仿真，得到的仿真結果。

通過對比，可以看出通過本文的方法分割出了指紋圖像的模糊區(qū)域，同時保留了指紋圖像中三角點和端點，算法效果較好，同時實驗證明如果沒有對模糊區(qū)域進行分割，而是直接對該污損指紋進行處理，就會影響指紋識別系統(tǒng)的識別速度和識別率，有時甚至會造成無法識別的情況。通過采集50 個人的指紋進行實驗（其中含有污損指紋），發(fā)現沒有進行模糊處理的指紋其識別率只有76%，而經過模糊處理的指紋，其識別率高達92%，同時其拒絕率和錯判率有所下降。

最后把該算法移植到施工升降機的安全監(jiān)控系統(tǒng)中進行驗證，當待識別的指紋的整體圖像質量E符合要求，并且在指紋模板中可以找到與之相匹配的指紋，顯示屏顯示“成功”字樣，反之則顯示“失敗”，實驗結果證明該系統(tǒng)運作良好，并且實現了對污損指紋的有效識別，達到了預期的效果。

4　結束語

本文以STM32F103處理器作為主處理芯片， FPS200指紋傳感器用于指紋的采集，電源控制部分用于控制施工升降機的工作，設計了基于污損指紋識別的嵌入式施工升降機的安全監(jiān)控系統(tǒng)，另外本文對污損指紋采用了模糊區(qū)域分割的算法，為后續(xù)的處理提供了良好的指紋圖像，從而提高了系統(tǒng)識別的準確性，使該系統(tǒng)可以高效的完成指紋的識別，實驗證明該系統(tǒng)的總體性能達到要求，可以用于對施工升降機進行安全監(jiān)控。但是當施工人員的指紋模糊區(qū)域較大時，即指紋的整體圖像質量E較小時，該系統(tǒng)就無法較好的對指紋進行識別，所以該施工升降機安全監(jiān)控系統(tǒng)仍需要進一步的改進。

參考文獻

［1］王燕，戴劍鋒，王祥華.STM32的條狀指紋采集與拼接系統(tǒng)［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2012，（11）：53-55

［2］Xiao Q K， Liu X J. Design and realization of fingerprint capturing set based on ARM［J］. Electronic Design Engineering，2011，19（22）：154-156

［3］王春雷，周美嬌，易淑友.基于STM32的嵌入式指紋識別系統(tǒng)的設計與實現［J］.信息技術， 2013， （1）：155-158