王 海，梁 群

（1.南寧學院 土木與建筑工程學院，廣西 南寧 530200；2.南寧師范大學，廣西 南寧 530000）

0 引言

隨著各高校招生規(guī)模的不斷擴大，對于學生的日常管理難度也有所增加，當代的大學生思想獨立，擁有自己的想法，傳統(tǒng)的考勤管理制度存在的問題較多，例如考勤結果不能及時反饋、考勤數(shù)據(jù)的真實性無法檢測等，已經(jīng)無法滿足當前的管理需求[1?3]。為了能夠對高校學生的實驗室考勤實施全面管理，需要采取新的方案與措施，彌補傳統(tǒng)考勤管理過程中的缺陷。伴隨著信息領域關鍵技術的創(chuàng)新發(fā)展，生物識別技術應運而生，其主要是將計算機技術與光學技術等高新科技手段相結合，利用生物傳感器提取人體的生理特征，并利用其特征完成身份鑒定[4?6]。將生物識別技術應用到高校實驗室的考勤管理系統(tǒng)設計當中，完善原有的考勤管理系統(tǒng)，根據(jù)所獲取的數(shù)據(jù)庫信息，統(tǒng)計學生的出勤情況，實現(xiàn)高校實驗室考勤管理自動化。

1 高校實驗室考勤管理系統(tǒng)硬件設計

1.1 總體結構優(yōu)化

高校實驗室考勤管理系統(tǒng)的硬件部分需要以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為設計前提，并保證該系統(tǒng)設計完成后，能夠便于后續(xù)的維修與升級，其具體設計結構圖如圖1所示。

圖1 硬件設計結構圖

圖1 中，在原有硬件的基礎上，增加人機交互模塊，并選取合適的單片機作為系統(tǒng)的主控芯片，集片內(nèi)振蕩器與時鐘電路于一體，提供可重復使用的大容量閃存，并利用內(nèi)部RAM 存儲所采集到的考勤數(shù)據(jù)信息。

1.2 異步串口擴展芯片

由于圖1 當中的單片機只有一個串行口，但無線傳輸與指紋識別模塊都需要通過串行接口相連接，為此需要擴展串行接口模塊。選用GM8125 型號串口擴展芯片，該芯片與單片機的接口電路如圖2 所示。

圖2 串口擴展芯片與單片機接口電路

該芯片將全雙工的標準串口擴展成3 個標準串口，并將各自串口的波特率統(tǒng)一調整，采用單通道模式，簡化初始步驟，利用地址線控制工作串口，選擇多通道模式，既能夠在保證其與標準串口通信格式兼容的前提下，使子串口的波特率[7?9]達到38400 b/s，也能夠滿足實驗室考勤系統(tǒng)的工作需求。在完成系統(tǒng)硬件部分的優(yōu)化設計后，利用生物識別技術設計高校實驗室考勤管理系統(tǒng)軟件。

2 基于生物識別技術的高校實驗室考勤管理系統(tǒng)軟件設計

2.1 指紋圖像特征提取

若想要利用生物識別技術判斷學生身份，并完成實驗室考勤管理的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，首先需要提取學生的指紋圖像特征，身份識別結果是否準確主要是由特征點的定位決定的[10?12]。圖像采集是生物識別的第一步，也是最為關鍵的一步，為了實現(xiàn)圖像特征的提取以及模式的匹配，必須使信息采集的過程嚴謹，以保證采集結果的有效性，將所采集到的圖像任意一點的像素值設置為1，則有：

式中：h(o,k)表示圖像處理后在(o,k)點的灰度值；f(o,k)表示原圖像在該點的灰度值。

將原始圖像通過Gabor 濾波器實現(xiàn)指紋增強，得到濾波后的指紋圖像，并獲取各自的紋線結構，提取指紋圖像方向信息，將該信息運用到濾波后的圖像集中：

式中：αa表示沿a軸的高斯包絡常數(shù)；αb表示沿b軸的高斯包絡常數(shù)；i0表示正弦曲線波形沿a軸的頻率。

根據(jù)上述計算，獲取到Gabor 濾波器的調制轉換函數(shù)為：

在完成上述計算后，結合實際應用情況，在指紋信息采集過程中，極有可能受到隨機因素的影響。為避免這一情況發(fā)生，將指紋圖像均衡化處理，增強圖像對比度，完成降噪處理。

2.2 考勤管理用戶權限設定

在通過上述操作，提取到指紋圖像特征后，設置考勤管理用戶的相關權限。將高校教師權限設定為日常管理權，高校學生權限設定為考勤記錄權。利用計算機程序，將用戶權限按照校級、院級劃分，其部分關鍵代碼如下：

具體的考勤管理權限設定界面如圖3 所示。

圖3 考勤管理權限界面

圖3 中，考勤管理權限的設定是為了方便考勤數(shù)據(jù)的導出與管理，將所采集到的數(shù)據(jù)信息存儲至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，管理員通過用戶身份認證，獲取到考勤指紋，并與初始設置當中的指紋相對比，確認學生身份。將該學生的考勤信息記錄到檔案當中，為日后的期末成績評判提供參考依據(jù)[13?15]。至此，完成基于生物識別技術的高校實驗室考勤管理系統(tǒng)設計，為驗證所設計系統(tǒng)在實際應用中的效果，設計仿真對照實驗，測試系統(tǒng)性能。

3 系統(tǒng)性能測試

將生物識別技術應用于高校實驗室考勤管理系統(tǒng)當中后，需要測試該系統(tǒng)的性能，設計如下實驗，經(jīng)過所設計系統(tǒng)與原有系統(tǒng)的應用效果對比分析后，得出最終測試結果。

3.1 測試準備過程

為保證實驗的真實性以及實驗結果的可靠性，將實驗地點設置在某知名高校的實驗室，并隨機選取某專業(yè)的20 名學生作為實驗對象，除所需驗證的對比變量外，其他實驗變量皆取相同數(shù)值。利用所設計的考勤管理系統(tǒng)采集學生指紋數(shù)據(jù)，得到如圖4 所示的相關信息。

將所獲取到的數(shù)據(jù)信息輸入至計算機程序當中，計算其類間類內(nèi)匹配度值，并與原有系統(tǒng)對照分析，判斷兩者對于指紋識別的效果差異。

3.2 結果對照分析

完成上述實驗準備后運行計算機程序，開始實驗模擬過程，并得到如圖5 所示的實驗結果曲線。

圖5 為所設計的實驗室考勤管理系統(tǒng)，以及原有系統(tǒng)對參與實驗的20 名學生指紋特征識別程度的模擬結果曲線。將采集到的指紋數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫當中初始數(shù)據(jù)相比配，得到如圖5 所示的結果曲線。由兩者之間的對比能夠看出，原有系統(tǒng)的指紋匹配度遠低于所設計系統(tǒng)的指紋匹配度，且曲線波動較大，表明其信息匹配不穩(wěn)定；而所設計系統(tǒng)優(yōu)化了這一缺陷，提高了指紋信息的識別率，提高了系統(tǒng)的匹配程度。

圖4 指紋數(shù)據(jù)采集過程

圖5 測試對比結果

4 結語

學生的課堂考勤制度是各個高校對學生管理與成績統(tǒng)計的重要組成部分，傳統(tǒng)的考勤制度及管理方法有較多的不足，已經(jīng)無法滿足高校的管理需求，針對這一問題提出了相應的改進方法。人類手指紋路具有高度的細節(jié)和豐富且唯一的紋理，能夠用于身份的認證與識別，將指紋識別技術應用到高校實驗室考勤管理當中，使高校對于學生的日常管理更加方便快捷。實驗結果表明，將生物識別技術應用到考勤管理系統(tǒng)當中，能夠為管理者提供一定的便利，但此次研究時間緊張，在許多方面仍有不足，且生物識別技術的發(fā)展仍有很大空間，今后可以嘗試將其指紋識別與其他生物識別技術相結合，從而進一步完善系統(tǒng)設計模式。