嵌入式指紋識別系統開(kāi)發(fā)

摘要：介紹了指紋識別技術(shù)的基本原理，嵌入式操作系統的選擇及定制。計算機控制單元的軟件及硬件設計包括：指紋并口采集板設計及初始化程序，前臺指紋建檔（比對程序，局域網(wǎng)通訊程序，數據處理程序等。關(guān)鍵詞：指紋識別 嵌入式 通訊 操作系統 生理測定技術(shù)是當前研究的熱點(diǎn)之一。目前，有很多技術(shù)等生物測定技術(shù)可用于身份認證，包括：虹膜識別、視網(wǎng)膜識別、面部識別、簽名識別、聲音識別技術(shù)、指紋識別技術(shù)等。其中指紋因具有終生不變性及穩定性，是目前應用前景較好的生物識別系統。但指紋識別目前在國內乃至世界仍未普及的主要原因是：（1）速度慢：目前一般系統辨別需要數秒鐘甚至更長(cháng)；（2）性能差：錯誤拒識率（FRR）和錯誤接受率（FAR）過(guò)高，目前市場(chǎng)上出現的系統一般FRR<3%,FAR<1/106；（3）價(jià)格高：由于目前國內主要引用國外成熟的指紋識別技術(shù)，并且比對系統采用PC機處理，體積龐大，不便移動(dòng)。本系統在對指紋識別技術(shù)優(yōu)化的基礎上，與嵌入式技術(shù)相結合，可較好地解決上述問(wèn)題。 1 指紋識別原理 指紋識別的基本原理為：采用細節點(diǎn)坐標模型來(lái)做細節匹配，即對指紋的脊線(xiàn)末梢和指紋的脊線(xiàn)分支點(diǎn)提取特征點(diǎn)鑒定指紋。具體的自動(dòng)指紋識別系統框圖見(jiàn)圖1。指紋圖像的預處理：目的是去除指紋圖像中的噪音，將其轉化為一幅清晰的點(diǎn)線(xiàn)圖，便于提取正確的指紋特征。預處理影響指紋識別的效果，具有重要的意義。它分四步進(jìn)行，即灰度濾波、二值化、二值去噪、細化。 對圖像細化后，采用細節點(diǎn)模反提取出指紋圖像的脊線(xiàn)末梢和脊線(xiàn)分支點(diǎn)的位置，將指紋認證問(wèn)題轉化成為點(diǎn)模式匹配問(wèn)題。建檔時(shí)將特征位置點(diǎn)坐標轉化為極坐標后存入數據庫，作為建檔模板。指紋比對時(shí)，采用同樣的方法，得到比對模板。由于要考慮指紋的平移和旋轉（對極坐標只考慮旋轉），對每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)A，在指紋圖像上尋找兩個(gè)與其最后的關(guān)鍵點(diǎn)R、S，把A、R、S點(diǎn)的類(lèi)型（末梢或分支點(diǎn)）分別紀錄為nType1、nType2、nType3；把連接點(diǎn)A與點(diǎn)R、點(diǎn)A與點(diǎn)S、點(diǎn)R與點(diǎn)S的3條虛擬線(xiàn)段所跨越的脊線(xiàn)數分別記為nCrossNum1、nCrossNum2、nCrossNum3。如果這兩點(diǎn)滿(mǎn)足一定茶杯條件，則認為點(diǎn)A與點(diǎn)B初匹配成功，如此可選擇出最好的3組對應點(diǎn)，計算出比對模板相對建檔模板的旋轉角度，將比對模板矯正后，再進(jìn)行細節點(diǎn)的精細匹配，根據隸屬函數可計算兩個(gè)指紋的相似度。如大于某個(gè)閾值，則認為是同一指紋。 2 系統的定制 2.1 選擇嵌入式操作系統 隨著(zhù)微電子技術(shù)的進(jìn)步，芯片的制造成本和銷(xiāo)售價(jià)格都大大降低了，而功能和內部支持的端口卻大大擴展了，16位和32位嵌入式處理器逐漸成為電子產(chǎn)品設計的主流。為了縮短產(chǎn)品設計周期和運行時(shí)間，使工作更穩定、更可靠和更高效并實(shí)現需要的復雜功能，需要運行于嵌入式處理器上的嵌入式操作系統，才能形成完整的系統平臺。當前嵌入式操作系統包括Microsoft Embedded NT 4.0、Microsoft Windows CE、Nucleus PLUS、pSOSystem等。由于指紋識別對系統計算能力要求較高，需要具有強大的管理功能，并不需要硬實(shí)時(shí)功能，在實(shí)際開(kāi)發(fā)中選用Microsoft Embedded NT 4.0嵌入式操作系統，它具有操作系統的完善功能和強大的TCP/IP網(wǎng)絡(luò )功能；開(kāi)發(fā)環(huán)境可選用Visual C++ 6.0并支持組件對象模型、MFC、ATL等。經(jīng)過(guò)實(shí)驗驗證，可滿(mǎn)足設計要求。 2.2 系統硬件選擇及開(kāi)發(fā) 系統硬件框圖見(jiàn)圖2。(1) 工控主板選用研祥PI6584V工控主板，并配如下部件:CPU（AMD K6-2）、內存（168線(xiàn)64MB）、PC 104以太網(wǎng)卡、32MB DOM。該部分采用5V供電，靜態(tài)耗電50μA。峰值耗電量50mA。體積為50mm%26;#215;80mm%26;#215;20mm。工控主板在系統中所起作用：搭載系統應用軟件；使用EPP1.9模式，通過(guò)并口從并口板讀取指紋圖像數據；將指紋圖像數據通過(guò)指紋建檔算法轉化為指紋特征值存入DOM中；實(shí)時(shí)采集指紋與DOM中指紋特征值進(jìn)行比對；接收鍵盤(pán)輸入鍵值并根據按鍵功能定義進(jìn)行相應操作；系統狀態(tài)信息通過(guò)串口輸出到控制板中，完成人機操作界面顯示。 (2) 指紋采集頭組件（COMS板）。COMS板的主要功能為：實(shí)時(shí)通過(guò)光學(xué)指紋采集儀將指紋圖像折射到采像芯片上，由采像芯片完成模擬量到數字量的轉換，并送往并口板存儲器中暫存。COMS板的核心器件為OV7120和指紋采集儀。OV7120為黑白單元COMS VGA采像器件。指紋采集儀為光光采像頭，型號為ZYZ202A。該型號采像頭為長(cháng)春方圓定型產(chǎn)品，主要技術(shù)參數：手指接觸面：光學(xué)玻璃；采像有效面積：22mm%26;#215;22mm；成像方式：棱鏡折射式；圖像分辨率：450dpi。 (3) 并口板主要功能為：通過(guò)I2C總線(xiàn)對COMS板中采像芯片OV7120設置有關(guān)參數；從COMS板提取指紋采像數據并暫存于存儲器中；每存取一幀圖像數據即通過(guò)并口（EPP模式）向工控主板發(fā)出請求信號；根據工控主板發(fā)出的數據提取信號將指紋圖像數據輸入系統進(jìn)行有關(guān)處理；實(shí)時(shí)檢測整機內部環(huán)境溫度并控制相關(guān)排風(fēng)扇的工作。并口板的核心器件為EPM7032、AT89C2051、IS61C1024L。EPM7032為FPGA，其主要作用是完成COMS板指紋圖像數據到工控主板的數據傳遞。AT89C2051是通用8位單片機。IS61C1024L為128K%26;#215;8bit高速COMS靜態(tài)存儲器，與并口板之間采用IDC-20P雙排針接口。 (4) 控制板主要功能為：接受外部命令并將對應鍵值輸入工控主板以完成相關(guān)操作，通過(guò)串口從控主板獲取顯示內容并轉化為液晶屏顯示所需格式?？刂瓢搴?5個(gè)銨鍵，為導電膠方式。按鍵包括：Menu、Cancel、OK、0～9、<、>共15個(gè)鍵?？刂瓢宓暮诵钠骷殒I盤(pán)掃描芯片EM83050和標準8位單片機AT89C2051。與工控主板之間采用TJC3-3P插座；與液晶屏之間采用TJC3-9P插座。 (5) 液晶屏主要用來(lái)顯示系統所處狀態(tài)。液晶屏型號為WGM12232H，點(diǎn)陣大小122%26;#215;32。 串口LED顯示采用RS232/485接口與計算機通信，通信方式：RS232接口、115200bps、異步8位、1位起始位、8位數據位、1位停止位。 發(fā)送數據格式如下： 55H AAH XX顯示數據 其中，55H AAH為數據頭標志，XX為背光控制字：48H點(diǎn)亮背光，其余不點(diǎn)亮背光。 通信說(shuō)明：通信主動(dòng)方為PC，被動(dòng)方向LCD。首先PC發(fā)送數據頭命令55H、AAH，LCD接收到數據頭后，判斷是否正確。若正確則開(kāi)始接收背光控制字并顯示數據；否則退出接收狀態(tài)。傳輸數據中，當LCD端檢測到傳輸中斷超時(shí)，即退出接收狀態(tài)。LCD值守狀態(tài)時(shí)處于背光熄滅狀態(tài)，當檢測有鍵按下或有指紋時(shí)，上位機發(fā)送背光控制字（48H）使背光點(diǎn)亮。 完成硬件設計，通過(guò)編寫(xiě)測試軟件在PC平臺上進(jìn)行測試，基本可滿(mǎn)足系統要求。3 軟件及驅動(dòng)編寫(xiě) 3.1 嵌入式NT系統定制 硬件測試完成后，根據硬件的中斷號、插槽及系統要求的性能，需要對嵌入式NT進(jìn)行定制。在NT系統裁減器中，主要選擇如下： （1） 選擇Minimal With Network Copy至Minimal With Network； （2） System中Devices選擇Display-NullVga,Serial Ports-com1/com2（中斷號：5/6），Parallel Ports-LPT1； （3） Networks:Network adapters-Novel NE2000 Compatile Adapts,Network Protocol-TCP/IP,Network Services-LAN Manage Workstations、Simple TCP Service、DHCP client Winsock； （4） Share System Component中選擇Display Common、Keyboard driver common、Network Common、Virtual memory mamage； （5） Applications中選擇Shell-command Shell，Utilities-Windows NT Command Prompt。 生成操作系統后，做一張嵌入式NT啟動(dòng)盤(pán)，用啟動(dòng)盤(pán)格式化DOM，鍵入NTBoot>后將操作系統拷貝至DOM，NT操作系統即可運行。 3.2 軟件編寫(xiě) 系統流程圖見(jiàn)圖3。 系統啟動(dòng)部分主要功能：初始化指紋識別模塊InitFp()；初始化串口和刷新液晶LCDInit(int(hWnd))；初始化字庫IniFontLib（）；初始化鍵盤(pán)響應InitKeySys（）；初始始化字庫IniFontLib()；初始化鍵盤(pán)響應InitKeySys()；初始化并口采像設備InitParrel（）；初始化液晶顯示InitDispary（）；將指紋庫，密碼庫裝入內存LoadAll（）。系統啟動(dòng)完成后開(kāi)始線(xiàn)程ThreadMain（），在線(xiàn)程中進(jìn)入程序死循環(huán)，在循環(huán)中主要響應按鍵和采集圖像進(jìn)行指紋比對其中按鍵響應分三部分； （1） 當輸入的按鍵個(gè)數等于設定個(gè)數（人員代碼長(cháng)度+密碼長(cháng)度）時(shí)，進(jìn)行密碼考勤； （2） 指紋考勤分為分組考勤（即輸入接鍵的數字鍵數目為1時(shí)進(jìn)行）、1:1考勤（即輸入按鍵數目等于人員代碼長(cháng)度時(shí)進(jìn)行）； （3） 值守狀態(tài)下，按MENU鍵，輸入正確系統密碼進(jìn)入管理狀態(tài)。 系統菜單包括：值守，指紋建檔，1:1建棣，密碼建檔，指紋刪除，密碼刪除，指紋查詢(xún)，指紋分組查詢(xún)，密碼查詢(xún)，系統日期，系統時(shí)間，默認組設置，修改IP地址，語(yǔ)言設置，代碼長(cháng)度設置，系統密碼。 采集圖像進(jìn)行指紋比對：在大循環(huán)中，先讀圖像：ReadImg(Img,50)；如果讀圖像成功，進(jìn)行比對:SysMatch（Img）；比對成功后，顯示人員代碼、姓名。 3.3 數據傳輸部分 定義流水帳結構為：考勤時(shí)間:_SYSTEMTIME T;人員代碼：char Code[16]；出入標志：Byte Inout。網(wǎng)絡(luò )傳輸采用標準TFTP和UDP協(xié)議進(jìn)行通信，詳細通信協(xié)議如下： 上傳下載采用TFTP協(xié)議，主要完成的功能包括：上載人員名單、備份、下傳流水帳、備份數據至主機。UDP主要負責打開(kāi)、關(guān)閉TFTP服務(wù)。網(wǎng)絡(luò )通信模塊采用標準TFTP協(xié)議： 報頭==0x81 下載 報頭==0x82 上載 傳遞文件只能為流水賬、配置表、指紋數據、密碼裝飾。 4 實(shí)驗及測試結果 系統設計完成后，可脫機值守工作。122%26;#215;32點(diǎn)陣LCD實(shí)時(shí)顯示時(shí)鐘、操作狀態(tài)，并具有15鍵操作鍵盤(pán)，可獨立完成建檔及查詢(xún)等功能。系統核查指紋1:N、1:1兩種方式兼容，體積小巧，支持桌面及壁掛放置（外形尺寸：255mm%26;#215;176mm%26;#215;100mm），提供RS232/R485、RJ45接口，支持局域網(wǎng)連接。提供識別記錄的標準數據格式，可用于二次開(kāi)發(fā)或與人事工資等管理軟件掛接。指紋登記個(gè)數≥3000枚，數據存儲容量≥50萬(wàn)條記錄。 為驗證系統性能，選取1000枚指紋作實(shí)驗，其中每300枚指紋為一組，實(shí)驗結果如下： (1) 指紋核查通過(guò)時(shí)間：<2s； (2) 誤識率（FAR）:<0.001%； (3) 拒識率（FRR）:<1%； (4) 功耗：<60W； (5) 分辨率：450dpi。 上述指紋管理系統已初步通過(guò)實(shí)驗檢測，運行正常，并通過(guò)了有關(guān)部分初步驗證。本系統將指紋識別與嵌入式技術(shù)結合在一起，降低了系統成本，可廣泛用于生活小區物業(yè)管理，學(xué)校的考場(chǎng)管理，軍事、政府部門(mén)的身份鑒別。應用前景廣闊。 但是，該系統還存在兩個(gè)問(wèn)題：（1）對指紋質(zhì)量比較差的指紋存在建檔較難的問(wèn)題（FFR過(guò)高）；（2）算法過(guò)于復雜，影響系統性能。還對應算法和操作系統性能進(jìn)一步優(yōu)化。 linux操作系統文章專(zhuān)題:linux操作系統詳解（linux不再難懂）