孫雪瑩， 于 萍， 張 巖

(吉林師范大學 計算機學院， 吉林 四平 136000)

引言

門禁系統(tǒng)是基于現(xiàn)代化電子信息技術(shù)，在智能化建筑出入口安裝的數(shù)字化管理系統(tǒng)，通過持有表征身份的識別依據(jù)來對人的進出實現(xiàn)放行、拒絕和記錄等操作的數(shù)字化智能管理系統(tǒng)。目前，國內(nèi)外使用的門禁系統(tǒng)主要有：刷卡門禁系統(tǒng)、密碼門禁系統(tǒng)、生物識別門禁系統(tǒng)和非接觸式門禁系統(tǒng)。其中，密碼門禁系統(tǒng)有著安全性能較弱、便捷性能差等缺點，正逐漸退出市場競爭。刷卡門禁系統(tǒng)是由出入人員使用不同的卡片進行讀卡，可以是磁卡、IC芯片卡等具有相應(yīng)功能的卡片，但有著安全性低、易于復(fù)制等缺點而未能成為市場時尚主流。生物識別門禁系統(tǒng)依托著對人體的生物特征辨別來達成身份驗證。常見的人體的生物特征辨別有指紋、聲音、虹膜、面部等。眾多的用于門禁身份驗證的生物識別技術(shù)中，指紋識別技術(shù)因其呈現(xiàn)的方便、可靠、安全性高、難以復(fù)制等特點日漸成為門禁系統(tǒng)的研究熱點。

1 指紋門禁系統(tǒng)原理

指紋門禁系統(tǒng)是一種出入口門禁管理系統(tǒng)，是一種現(xiàn)代化安全管理系統(tǒng)，具體涉及了光學、結(jié)構(gòu)設(shè)計、生物識別技術(shù)、射頻識別技術(shù)、計算機技術(shù)等多種技術(shù)的結(jié)合。在有人通過重要通道時，提供適當級別的權(quán)限鑒定，以判斷是否能通過的一種安全管理手段，是現(xiàn)代社會辦公場所和家庭住宅門禁安全管理的基本工具和發(fā)展方向。

指紋門禁系統(tǒng)的核心技術(shù)就是指紋識別技術(shù)。指紋識別技術(shù)是將指紋采集到指紋數(shù)據(jù)庫中，在指紋數(shù)據(jù)庫中查找與給定指紋相匹配的指紋數(shù)據(jù)，從而達到辨別身份的目的。指紋識別系統(tǒng)包括指紋采集、指紋驗證、指紋刪除、獲取指紋數(shù)等組成部分。本系統(tǒng)通過紅外傳感模塊、指紋識別模塊聯(lián)合控制兩相步進電機模塊轉(zhuǎn)動，驅(qū)策操縱門的開關(guān)。同時設(shè)有數(shù)字溫度傳感器模塊及溫度壓力傳感器模塊對門禁周圍環(huán)境進行監(jiān)測。該系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)框圖Fig. 1 The functional block diagram of the system

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本系統(tǒng)基于達盛科技ARM-860平臺OMAP 3530處理器，達盛科技的外擴模塊，包括指紋識別、兩相步進電機、LCD顯示屏、紅外傳感器、鍵盤、數(shù)字溫度傳感器、壓力傳感器、以及自購蜂鳴器模塊。系統(tǒng)軟件平臺是將Linux操作系統(tǒng)作為整個門禁系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)，所有軟件模塊都以此為技術(shù)支撐，其中主要配置了LCD模塊、指紋采集模塊、指紋處理匹配模塊、鍵盤中斷模塊等。在內(nèi)系統(tǒng)功能模塊架構(gòu)即如圖2所示。這里，將針對每一功能模塊給出如下設(shè)計闡析。

圖2 系統(tǒng)功能模塊Fig. 2 System functional modules

2.1 指紋采集模塊

指紋采集模塊采用十指科技有限公司的TF-MD-M12型號的指紋識別模塊。指紋識別模塊通過精準的光電成像系統(tǒng)對開啟者指紋圖像進行采集，運用復(fù)雜的模塊匹配算法，與原注冊指紋形成比對，判斷開啟者身份，確認身份后即可輸出開鎖信號。模塊內(nèi)整合有指紋的采集、指紋存儲、指紋對比等功能。在采集指紋時，手指只要輕觸采集窗口，而無需用力按壓指紋采集窗，模塊就能快速識別出來。TF-MD-M12型號指紋識別具有手指感應(yīng)靈敏，識別速度快，開發(fā)應(yīng)用簡單，方便等特點。

2.2 ARM-860平臺OMAP 3530處理器

ARM-860型系統(tǒng)屬于一種綜合實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了目前在國內(nèi)普遍認同的CPU：AM35xx，32 bit微處理器，設(shè)計做到了多模塊的應(yīng)用。OMAP 3530處理器的硬件平臺主要由ARM內(nèi)核、DSP內(nèi)核以及流量控制器組成。OMAP 3530采用ARM Cortex-A8核，工作主頻最高可達720 MHz。而且包括存儲器管理單元、16 KB的高速指令緩沖存儲器、16 KB的數(shù)據(jù)高速緩沖存儲器和256 K字的二級緩存；片內(nèi)有64 KB的內(nèi)部存儲，為液晶顯示等應(yīng)用提供了大量的數(shù)據(jù)和代碼存儲空間。利用OMAP可以建立2個基于ARM的操作系統(tǒng)(Linux)。通過OMAP 3530處理器可以定制生成指紋識別模塊的研發(fā)應(yīng)用，從而實現(xiàn)了指紋的添加、指紋的比較、指紋的刪除和指紋數(shù)的獲取。OMAP 3530具有運行高性能、低功耗等特點。硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)Fig. 3 System hardware structure

2.3 基于FrameBuffer的LCD屏幕顯示

FrameBuffer基于Linux操作系統(tǒng)為LCD設(shè)備提供了一個統(tǒng)一的接口，這是圖形硬件設(shè)備的抽象層。FrameBuffer設(shè)備與存儲設(shè)備具有同樣的特征，可以進行讀、寫，定位到指定位置，區(qū)別在于文件中所出現(xiàn)的存儲區(qū)不是整個存儲區(qū)域，而是LCD設(shè)備的幀緩沖區(qū)域。幀緩沖區(qū)設(shè)備屬于字符設(shè)備，在Linux下，支持32個幀緩沖設(shè)備，為LCD編寫驅(qū)動程序的實質(zhì)就是為幀緩沖區(qū)編寫驅(qū)動程序。上層應(yīng)用程序在圖形模式下直接對顯示緩沖區(qū)進行讀寫操作，應(yīng)用層不需要了解任何底層硬件設(shè)備的任何信息。FrameBuffer的優(yōu)點是可靈活地支持不同硬件設(shè)備，減少了新處理器開發(fā)工作。系統(tǒng)采用了RGB888模式，即圖像中的每個像素值都分成R(紅)、G(綠)、B(藍)三個基色分量，每個基色分量各占8位。LCD驅(qū)動程序?qū)⒄{(diào)用編寫的函數(shù)，然后選擇將其編譯為動態(tài)或靜態(tài)加載模塊，編譯到內(nèi)核中。

2.4 7279串行鍵盤

鍵盤模塊由7279串行鍵盤/顯示接口控制電路、8位數(shù)碼管顯示器和2×8鍵盤電路三部分組成。其電源由接口掛箱上的接口插座提供，該模塊不需要地址、數(shù)據(jù)總線和總線提供的片選信號。HD7279A是一片具有獨立串行接口的，可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管的智能顯示驅(qū)動芯片，該芯片同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣，單片即可控制管理LED顯示、鍵盤接口的全部功能。HD7279內(nèi)部含譯碼器，可直接接受BCD碼或16進制碼，此外還設(shè)有多種控制指令，如消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件部分用C語言編寫，在Linux環(huán)境下運行、調(diào)試。系統(tǒng)的程序設(shè)計分為門外系統(tǒng)和門內(nèi)系統(tǒng)。指紋識別系統(tǒng)的指紋識別設(shè)計可以分為4個部分：指紋采集、指紋識別、指紋刪除、獲取指紋數(shù)。

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)指紋庫是門禁系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)庫之一，當系統(tǒng)指紋庫中沒有指紋時，用戶無法進入，需要進行系統(tǒng)初始化，即指紋采集。在指紋采集錄入完畢后，用戶可以使用指紋進入門內(nèi)系統(tǒng)或門外系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)流程圖Fig. 4 The flow chart of the system

3.2 門內(nèi)系統(tǒng)設(shè)計

為了確保門禁系統(tǒng)的安全，需要對門內(nèi)系統(tǒng)展開相關(guān)設(shè)置，其中的重點關(guān)鍵功能就是對指紋和密碼進行修改。在修改密碼和指紋前需要對使用者權(quán)限建立有效驗證，即通過指紋識別確認使用者身份方可進入系統(tǒng)設(shè)置界面。通過系統(tǒng)設(shè)置界面，使用者可對系統(tǒng)提供密碼修改、指紋修改或恢復(fù)數(shù)據(jù)相關(guān)設(shè)置，門內(nèi)系統(tǒng)流程解析如圖5所示。

在修改密碼界面，使用者可以實現(xiàn)必要的密碼修改操作。首先需要核對舊密碼，在通過驗證后即可開啟新密碼的設(shè)置。在用戶輸入新密碼后，等待修改成功提示，方可生成新密碼并返回系統(tǒng)設(shè)置界面。如果提示修改失敗，則需要進行重新修改。

在修改指紋界面，使用者可以實現(xiàn)指紋的采集與刪除操作。指紋采集過程中需要在指紋識別模塊上進行3次錄入，采集成功則會將指紋信息納入指紋數(shù)據(jù)庫。指紋刪除即是對指紋數(shù)據(jù)庫進行格式化操作。

在恢復(fù)數(shù)據(jù)界面選擇恢復(fù)數(shù)據(jù)，將會刪除指紋數(shù)據(jù)庫指紋，同時對密碼進行重置，即初始密碼“111111”。

圖5 門內(nèi)系統(tǒng)流程圖Fig. 5 The flow chart of the inner door system

3.3 門外系統(tǒng)設(shè)計

與門內(nèi)系統(tǒng)相對應(yīng)，門禁系統(tǒng)的另外一項特征應(yīng)用研究就是門外系統(tǒng)設(shè)計。通過門外系統(tǒng)識別訪客身份，最終確認訪客是否可以進入。門外系統(tǒng)采用紅外檢測模塊進行檢測，判斷是否喚醒指紋識別模塊。在喚醒指紋識別模塊后，如果訪客連續(xù)3次輸入信息錯誤，將啟動報警模塊。當訪客指紋與密碼和系統(tǒng)內(nèi)部存儲信息相吻合，門外系統(tǒng)即可發(fā)出開門指令。門外系統(tǒng)的整體流程如圖6所示。

圖6 門外系統(tǒng)流程圖Fig. 6 The flow chart of outer door system

3.4 系統(tǒng)功能特點分析

基于Linux指紋識別的門禁系統(tǒng)具有以下特點：

(1)安全性。指紋的特異性決定了指紋是目前具備高度可操作性的身份識別方式，因此利用指紋開門安全性更高，且成本預(yù)算低。

(2)準確性。用戶只要輕按手指即可快速、準確開門。

(3)靈活性。多級的安全級別自主設(shè)置，可更多應(yīng)用于不同的場所。

4 結(jié)束語

本文針對基于指紋識別技術(shù)的智能門禁系統(tǒng)進行了探討研究，并提出了相應(yīng)的硬軟件設(shè)計。系統(tǒng)簡單實用，使用指紋和密碼雙重驗證可以保證室內(nèi)財物安全。室內(nèi)LCD屏可以利于系統(tǒng)設(shè)置，方便用戶實現(xiàn)自定義設(shè)置。加入了環(huán)境監(jiān)測功能，在確保環(huán)境安全的同時，為室內(nèi)安全增添了一重保障。因而適用于安全要求較高的場所和家庭日常使用。

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