指紋識(shí)別門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)全解

1.概述

　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)現(xiàn)代化辦公和生活場所提出了更高層次的安全管理需求，普通的門鎖系統(tǒng)和手工出入管理已經(jīng)不符合現(xiàn)代人的實(shí)際需求。由于安防業(yè)的智能化和網(wǎng)絡(luò)化，為順應(yīng)智能樓宇、智能小區(qū)的發(fā)展，門禁系統(tǒng)也必須實(shí)現(xiàn)更可靠、更安全和更方便的智能系統(tǒng)?，F(xiàn)代門禁系統(tǒng)綜合利用了傳感技術(shù)、數(shù)字信息處理、計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)門禁系統(tǒng)信息的采集、傳輸和處理。

　　目前智能門禁管理系統(tǒng)已廣泛用于工廠、學(xué)校、寫字樓宇、物業(yè)小區(qū)、商店、金融系統(tǒng)、電信系統(tǒng)、軍事系統(tǒng)、賓館等多種場合，大大提高了整體的工作效率、保障了系統(tǒng)安全，智能、安全和高效的現(xiàn)代化門禁系統(tǒng)已經(jīng)成為社會(huì)發(fā)展的必然趨勢，同時(shí)它也是現(xiàn)代化建筑的一個(gè)重要組成部分。

　　傳統(tǒng)的機(jī)械鑰匙、用戶ID+密碼以及智能卡等的保護(hù)措施存在著丟失、遺忘、復(fù)制以及被盜用的隱患，在這種情況下，最新發(fā)展的生物識(shí)別技術(shù)為上述方法的不足提供了一個(gè)很好的解決方案。由于指紋識(shí)別具有唯一性、不變性和貼身性的特點(diǎn)，成為了眾多生物識(shí)別技術(shù)中備受青睞的一個(gè)。且隨著生物識(shí)別技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，指紋識(shí)別算法已達(dá)到迅速、準(zhǔn)確和可靠的水平，已越來越多的應(yīng)用在現(xiàn)代智能門禁系統(tǒng)的前端信息采集部分。

　　目前使用較多的是指紋單機(jī)門禁系統(tǒng)，其采集、處理和識(shí)別都在一個(gè)控制系統(tǒng)中完成，只適用于小系統(tǒng)和安裝位臵集中的單位，且通信線路專用，安裝好后不易于更換管理中心的位臵。在大系統(tǒng)和安裝位臵分散的單位，單機(jī)門禁系統(tǒng)必然耗費(fèi)較大且效率不高。因此有必要采用TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)型門禁控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制和遠(yuǎn)程控制。

　　系統(tǒng)采用指紋采集作為門禁系統(tǒng)的前端部分，由于指紋識(shí)別具有唯一性、不變性和貼身性的特點(diǎn)，使它成為一種安全有效的身份驗(yàn)證方法。另外，系統(tǒng)采用基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)型門禁控制器是通過局域網(wǎng)傳遞數(shù)據(jù)的，管理中心隨時(shí)可以變更，不需要重新布線，很容易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制和遠(yuǎn)程控制，并且指紋的處理和識(shí)別可以在運(yùn)算速度更快的管理中心實(shí)現(xiàn)，這樣控制器功能簡單，而且多個(gè)控制器可以連接到一個(gè)服務(wù)器，提高了門禁系統(tǒng)控制和管理的效率。

　　1.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展

　　據(jù)考古學(xué)家證實(shí)，公元前7000年-6000年，指紋作為身份鑒別的工具已經(jīng)在敘利亞和中國開始應(yīng)用。但是由于缺乏專門性研究，未能將指紋識(shí)別技術(shù)上升為一門科學(xué)。20世紀(jì)早期，指紋識(shí)別正式成為身份識(shí)別的方法并被法律部門用作身份鑒定的依據(jù)，并開始在世界范圍內(nèi)建立指紋識(shí)別機(jī)構(gòu)和罪犯指紋檔案。指紋識(shí)別的有關(guān)技術(shù)，包括指紋采集技術(shù)、指紋分類技術(shù)和指紋匹配技術(shù)都得到了較快發(fā)展。例如美國聯(lián)邦調(diào)查局在1924年庫存樣本指紋就達(dá)到了81萬枚。20世紀(jì)80年代，個(gè)人電腦、光學(xué)掃描等技術(shù)革新使得他們作為指紋取像的工具成為現(xiàn)實(shí)，從而使指紋識(shí)別可以在其他領(lǐng)域中得以應(yīng)用。隨著取像設(shè)備的引入及其飛速發(fā)展，生物指紋識(shí)別技術(shù)的逐漸成熟，可靠的比對(duì)算法的發(fā)現(xiàn)都為指紋識(shí)別技術(shù)提供了更廣闊的舞臺(tái)。目前，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行指紋識(shí)別的技術(shù)在國外已很成熟，并且已經(jīng)開始大規(guī)模廣。

　　智能安防的日益流行對(duì)于樓宇管理自動(dòng)化和安全監(jiān)控提出了更高的安全性和可靠性要求，基于指紋識(shí)別的智能門禁管理系統(tǒng)應(yīng)用得越來越廣泛，在一些發(fā)達(dá)國家已得到普遍的應(yīng)用。面對(duì)規(guī)模已經(jīng)越來越大的門禁控制系統(tǒng)，普通的單機(jī)門禁系統(tǒng)已經(jīng)不適合，比如智能小區(qū)、景點(diǎn)門禁系統(tǒng)等。因此必須要開發(fā)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)腡CP/IP的網(wǎng)絡(luò)型門禁控制系統(tǒng)，由于網(wǎng)絡(luò)型門禁控制系統(tǒng)很容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和分布式管理，還可以方便日后擴(kuò)容和維護(hù)，日益變得重要。

　　1.2 本文的研究內(nèi)容

　　論文的研究內(nèi)容分為指紋識(shí)別的算法研究和ARM門禁控制器硬件實(shí)現(xiàn)兩個(gè)部分。在以往算法的研究基礎(chǔ)上，利用指紋圖像灰度梯度和方差的結(jié)合對(duì)指紋分割方法進(jìn)行改進(jìn)，仿真實(shí)驗(yàn)證明本文中的改進(jìn)算法魯棒性好。論文在以ARMS3C2410為核心和嵌入式操作系統(tǒng)Linux的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于指紋識(shí)別的以太網(wǎng)門禁控制系統(tǒng)。

　　本文具體內(nèi)容主要有以下幾個(gè)方面：

　?。?）系統(tǒng)整體方案概述和設(shè)計(jì)：根據(jù)系統(tǒng)功能要求，設(shè)計(jì)指紋識(shí)別以太網(wǎng)門禁系統(tǒng)，重點(diǎn)闡述了其中關(guān)鍵模塊的硬件設(shè)計(jì)。

　?。?）指紋識(shí)別算法的理論分析和仿真：研究了指紋識(shí)別算法，主要包括指紋圖像預(yù)處理以及指紋圖像的特征提取和匹配兩部分。

　　（3）系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)：闡述了門禁控制系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)，然后對(duì)各模塊進(jìn)行應(yīng)用編程，主要包括視頻采集、指紋采集以及TCP/IP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程。

　　（4）最后，對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)指紋識(shí)別以太網(wǎng)指紋門禁控制系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢做出展望。

2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　2.1.1系統(tǒng)概述及設(shè)計(jì)原則

　　門禁管理系統(tǒng)是新型現(xiàn)代化的安全管理系統(tǒng)，主要用于管理重要部門出入口，是實(shí)現(xiàn)安全防范管理的有效措施，適用于各種重要部門，如企業(yè)、政府、銀行、賓館、金融貿(mào)易樓和綜合辦公樓等。

　　門禁系統(tǒng)一般分為獨(dú)立型和聯(lián)網(wǎng)型，聯(lián)網(wǎng)型門禁系統(tǒng)通訊方式常見的有RS232、RS485、CAN和TCP/IP，采用TCP/IP通訊方式的聯(lián)網(wǎng)型門禁系統(tǒng)簡稱為TCP/IP網(wǎng)絡(luò)門禁系統(tǒng)。相對(duì)其它通訊方式，基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信的門禁系統(tǒng)通過局域網(wǎng)傳遞數(shù)據(jù)，更容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和分布式管理。

　　從門禁鎖的控制方式來看，主要有鑰匙、密碼、磁卡、IC卡等。隨著現(xiàn)代生活對(duì)安防水平要求的提高，從目前已有的門禁鎖具的控制方式來看，存在著一定的安全隱患，鑰匙、密碼和磁卡容易復(fù)制、竊??；IC卡的安全性較高，但也容易丟失。因此，現(xiàn)在人們心目中的門禁鎖具必須具有方便、安全，美觀等特點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，基于人體生理特征的身份識(shí)別系統(tǒng)逐漸被人們開始采用，目前，從實(shí)用角度看，指紋識(shí)別技術(shù)要比其它生物識(shí)別技術(shù)更安全和方便。

　　基于指紋識(shí)別的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)門禁系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的前提是滿足用戶的各種需求，利用系統(tǒng)強(qiáng)大的功能以及良好的性價(jià)比，讓用戶得到最好的服務(wù)和最大的利益。方案的設(shè)計(jì)原則：實(shí)用性、穩(wěn)定性、安全性、可擴(kuò)展性和易維護(hù)性。

　　2.1.2 系統(tǒng)組成及功能

　　一般RS485門禁控制器只支持128臺(tái)或者256臺(tái)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，而TCP／IP門禁控制器理論上可以支持無限多臺(tái)門禁設(shè)備。所以TCP／IP網(wǎng)絡(luò)型門禁控制器是最適合大型大面積的門禁系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的。例如供電部門的變電站門禁的聯(lián)網(wǎng)管理、銀行儲(chǔ)蓄所的門禁管理等都適合這種模式。互聯(lián)網(wǎng)的門禁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。

　　圖2-1互聯(lián)網(wǎng)的門禁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　基于指紋識(shí)別的TCP/IP門禁系統(tǒng)方案基本組成：

　?。?）管理中心：一臺(tái)連接到門禁控制器或網(wǎng)絡(luò)的PC機(jī)，通過局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)與其它門禁控制器或PC機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)門禁控制器采集信息的處理和分析，并發(fā)送控制指令，以及對(duì)相應(yīng)的軟件管理。

　　（2）門禁管理軟件：管理工作站通過管理軟件遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器和各門禁控制器的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)各種管理功能。

　?。?）門禁控制器：用于前端信息的采集、傳輸和處理，并控制門禁的電控鎖和門鈴，執(zhí)行處理器下達(dá)的開門、報(bào)警、啟動(dòng)門鈴等指令以及提供通信多機(jī)連接端口等。

　?。?）電子門鎖：門禁系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和關(guān)鍵設(shè)備，用于對(duì)物理通道的控制。

　　（5）電力設(shè)備：采用直流電源作為整個(gè)門禁系統(tǒng)的運(yùn)行電源和門鎖電源（一般采用內(nèi)部電源）。

　?。?）聯(lián)動(dòng)設(shè)備：可與門禁控制器所有輸入、輸出節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)防盜報(bào)警、消防報(bào)警等大型系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，一般在門禁管理軟件中對(duì)聯(lián)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行相關(guān)的編程設(shè)臵。

　?。?）通訊設(shè)備：包括交換機(jī)設(shè)備、路由器和MODEM等，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接。

　　指紋識(shí)別門禁系統(tǒng)的主要功能特點(diǎn)：

　?。?）采用高效的指紋識(shí)別模塊，可使指紋直接開鎖，使用方便快捷，具有很高的安全性。

　?。?）應(yīng)用ARM處理器和Linux操作系統(tǒng)，可以很好的保證門禁系統(tǒng)獨(dú)立連續(xù)工圖2-1互聯(lián)網(wǎng)的門禁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　（3）系統(tǒng)采用指紋與密碼的結(jié)合，可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)臵多種認(rèn)證模式，支持多用戶，多組別組合開門，具有良好的靈活性。

　?。?）系統(tǒng)配以科學(xué)化管理軟件，可以實(shí)現(xiàn)門禁系統(tǒng)的科學(xué)化管理。

　?。?）應(yīng)用TCP/IP以太網(wǎng)模塊，可以方便實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制和遠(yuǎn)程控制。

　　（6）系統(tǒng)采用分級(jí)管理，分為管理者和用戶，采用逐級(jí)權(quán)限管理，將用戶的指紋采集并存儲(chǔ)在中央管理主機(jī)上，根據(jù)用戶的開門權(quán)限，將用戶指紋下傳至相應(yīng)的子門禁系統(tǒng)中。

　?。?）系統(tǒng)有視頻監(jiān)控和報(bào)警等一些相應(yīng)的輔助功能，提高系統(tǒng)的安全性。

　本文基于ARM9（S3C24lO）設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種指紋識(shí)別的網(wǎng)絡(luò)型門禁控制器。采用指紋識(shí)別器為前端信息的采集，用以太網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)門禁控制器與上位PC機(jī)間的通信，并利用LCD來實(shí)時(shí)顯示狀態(tài)，并可以提供一些其它的輔助功能，如語音提示、報(bào)警和攝像監(jiān)控等。 指紋型網(wǎng)絡(luò)門禁控制系統(tǒng)框架如圖2-2所示。

　　圖2-2門禁系統(tǒng)框圖

　　2.2 嵌入式主控模塊設(shè)計(jì)

　　2.2.1 ARM微處理器與地址空間映射

　　本系統(tǒng)選擇了韓國三星公司的高性能ARM9微處理器芯片S3C241O作為主處理器，S3C2410芯片是基于ARM920T內(nèi)核，五級(jí)流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，內(nèi)核工作電壓為1.8V，輸入輸出電壓為3.3V，具有180MHZ/200MIPS性能，是高性能和低功耗的硬宏單元。ARM920T內(nèi)核具有全性能的MMU、指令和數(shù)據(jù)Cache以及高速AMBA總線接口。

　　S3C2410內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可提供很多可擴(kuò)展的功能模塊，主要有MMU虛擬內(nèi)存管理單元，LCD控制器（支持上到4k色的STN和256k色的TFT），3通道UART，4通道DMA，4通道具備PWM功能的定時(shí)器，I/O口，具有日歷功能的RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘），8通道10bit精度ADC和觸摸屏控制器，IIC總線接口，IIS數(shù)字音頻總線接口，兩個(gè)USB2.0全速主設(shè)備及一個(gè)從設(shè)備，SD/MMC卡控制器，2通道SPI及內(nèi)臵lQ/100M的網(wǎng)絡(luò)接口等。

　　2.2.2 NAND FLASH單元

　　Flash是一種可在系統(tǒng)（In-System）進(jìn)行電擦寫、掉電后信息不丟失的存儲(chǔ)器。它的高集成度和低成本使它成為市場主流。Flash芯片具有低功耗、大容量、擦寫速度快、可整片或分扇區(qū)在系統(tǒng)編程（燒寫）、擦除等特點(diǎn)，并且可由內(nèi)部嵌入的算法完成對(duì)芯片的操作，因而在各種嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。作為一種非易失性存儲(chǔ)器，F(xiàn)lash在系統(tǒng)中通常用于存放程序代碼、常量表以及一些在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)等。常用的Flash為8位或16位的數(shù)據(jù)寬度，編程電壓為單3.3V。

　　Flash技術(shù)根據(jù)不同的應(yīng)用場合也分為不同的發(fā)展方向，有擅長存儲(chǔ)代碼的NOR Flash和擅長存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的NAND Flash。同時(shí)，S3C2410內(nèi)部集成了NAND Flash控制器，為了支持系統(tǒng)從NAND Flash中啟動(dòng)，S3C24lO內(nèi)部有一塊被稱為墊腳石（Steppingstone）的SRAM緩存。如果選擇從NAND Flash中啟動(dòng)，在啟動(dòng)時(shí)S3C2410會(huì)自動(dòng)的將NAND Flash存儲(chǔ)器中最前面的4KB數(shù)據(jù)拷貝到S3C24lO內(nèi)部的SRAM中并自動(dòng)執(zhí)行。如果這4KB存放的是啟動(dòng)代碼，那么啟動(dòng)代碼就可以從S3C241O內(nèi)部的SRAM中執(zhí)行，啟動(dòng)代碼初始化系統(tǒng)和外部SDRAM后將存儲(chǔ)在NAND Flash中的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序拷貝到外部SDRAM中，這時(shí)整個(gè)系統(tǒng)就可以啟動(dòng)了。

　　在本系統(tǒng)中，采用的是三星公司的K9F5608U芯片，其電路原理圖如圖2-3所示。

　　圖2-3 NAND FLASH原理圖

　　2.2.3 SDRAM單元

　　SDRAM具有容量大、存取速度快、成本低的特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。與Flash存儲(chǔ)器相比，SDRAM不具有掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的特性，但存取速度高于Flash存儲(chǔ)器，且具有讀/寫屬性，因此SDRAM在系統(tǒng)中主要用作程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)以及堆棧區(qū)，是系統(tǒng)啟動(dòng)之后進(jìn)行存取操作的存儲(chǔ)器。

　　S3C2410在片內(nèi)具有獨(dú)立的SDRAM刷新控制邏輯，可方便地與SDRAM連接。同時(shí)，由于S3C24lO片內(nèi)的存儲(chǔ)空間不大，大量的數(shù)據(jù)都要通過SDRAM暫時(shí)存放和交換，即動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)區(qū)。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，CPU首先從起始地址讀取啟動(dòng)代碼進(jìn)行系統(tǒng)初始化，在完成系統(tǒng)初始化后，程序代碼一般調(diào)入SDRAM中運(yùn)行以提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。SDRAM存儲(chǔ)單元猶如一個(gè)電容，總是傾向于放電，為避免數(shù)據(jù)丟失，必須定時(shí)充電刷新。

　　圖2-4 SDRAM 外圍接口

　　2.2.4 USB及USB攝像頭單元

　　USB（Universal Serial Bus）即通用串行總線，是現(xiàn)在非常流行的一種快速、雙向、廉價(jià)、可以進(jìn)行熱插拔的接口。隨著嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，USB的應(yīng)用已經(jīng)逐漸從PC機(jī)擴(kuò)展到了嵌入式技術(shù)中，并且發(fā)揮著重要的作用。USB設(shè)備之所以會(huì)被大量應(yīng)用，主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　（1）可以熱插拔，使用方便。

　?。?）系統(tǒng)總線供電，并可提供5V/500mA電源，具有獨(dú)立供電特點(diǎn)。

　?。?）支持設(shè)備眾多，支持多種設(shè)備類，例如鼠標(biāo)，鍵盤，攝像頭等。

　?。?）連接靈活，可以連接多個(gè)設(shè)備，最多可擴(kuò)127個(gè)，連接的方式也非常靈活，既可以使用串行連接，也可以使用集線器Hub把多個(gè)設(shè)備連接在一起再與PC的USB口相連。

　　（5）速度快，支持高速數(shù)據(jù)傳輸，USBl.1是12Mb/s，USB2.0高達(dá)480Mb/s S3C2410帶有兩個(gè)USB主設(shè)備控制器和一個(gè)USB從設(shè)備控制器，這樣可以方便USB設(shè)備的使用。在設(shè)計(jì)開發(fā)一個(gè)USB外設(shè)的時(shí)候，主要需要編寫三部分的程序：固件程序、USB驅(qū)動(dòng)程序和客戶應(yīng)用程序。USB的電路連接圖如圖2-5 所示。

　　圖2-5 USB電路連接圖

　　USB接口的設(shè)備可以方便應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)中，具有USB接口的優(yōu)盤因?yàn)榇鎯?chǔ)容量大，價(jià)格低，在嵌入式系統(tǒng)中一般可以用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。在門禁控制器中，可以用來存儲(chǔ)初始化的資料數(shù)據(jù)也可以存儲(chǔ)采集到的重要數(shù)據(jù)，方便用戶的保存和修改。另外，本系統(tǒng)中應(yīng)用到的視頻監(jiān)控就用到了USB接口的攝像頭。

　　2.3 界面顯示接口模塊設(shè)計(jì)

　　LCD（Liquid Crystal Display）稱為液晶。LCD顯示器的基本工作原理是通過給不同的液晶單元供電，控制其光線的通過與否，從而達(dá)到顯示的目的。因此，LCD的驅(qū)動(dòng)控制器是對(duì)每個(gè)液晶單元的通電的控制。液晶工作時(shí)使用的是外部的光線，其光線照明方式有兩種：傳送式和反射式。由于液晶自己本身并不發(fā)光，所以與CRT相比，液晶顯示器的耗電量較低。

　　本系統(tǒng)選用傳送式背光（CCFL）彩色STN液晶屏，LCD的控制器使用S3C2410的內(nèi)部集成的控制器。系統(tǒng)選用5.7寸、320×240像素、256色的彩色LCD屏。其可提供4/8/12/16位顏色模式，電源操作范圍寬（2.7v-5.5V），低功耗設(shè)計(jì)可滿足系統(tǒng)省電的要求。 為了保證LCD正常工作，一定要保證硬件正確連接，S3C2410與STN-LCD屏的關(guān)鍵電路連接如2-6圖所示。

　　圖2-6 S3C2410與LCD連接圖

　　（1）S3C2410上液晶數(shù)據(jù)線VD［19:23］、VD［10:15］、VD［3:7］分別對(duì)應(yīng)R、G、B的三色信息。一個(gè)R、G、B共16bits的組合代表了一個(gè)像素的信息。

　　（2）S3C24lO上液晶電壓控制信號(hào)VM．VDEN與LCD的ENAB信號(hào)連接，保證數(shù)據(jù)的有效指示。

　?。?）S3C2410液晶的位時(shí)鐘信號(hào)VCLK與LCD的時(shí)鐘信號(hào)CK連接。在VM-VDEN信號(hào)有效的情況下，LCD控制器送出的數(shù)據(jù)在VCLK的上升沿送出，在下降沿時(shí)被LCD驅(qū)動(dòng)器采樣。

　?。?）S3C2410的液晶幀時(shí)鐘信號(hào)VF-VS與LCD的幀同步信號(hào)連接，LCD控制器在一個(gè)完整幀顯示完成后立即插入一個(gè)VFRAME信號(hào)，并開始新的一幀。

　?。?）S3C24lO的液晶線時(shí)鐘信號(hào)VL．HS與LCD的行同步信號(hào)連接，LCD控制器在整個(gè)水平線數(shù)據(jù)移入LCD驅(qū)動(dòng)器后插入一個(gè)VLINE信號(hào)。

　　2.4 指紋識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

　　指紋采集器采集到指紋圖像后，才能被計(jì)算機(jī)進(jìn)行識(shí)別、處理，指紋圖像的質(zhì)量會(huì)直接影響到識(shí)別的精度以及指紋識(shí)別系統(tǒng)的處理速度，因此指紋采集技術(shù)是指紋識(shí)別系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。因?yàn)橹讣y的表面積相對(duì)較小，日常生活中手指常常會(huì)受到磨損，所以獲得優(yōu)質(zhì)的指紋細(xì)節(jié)圖像是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作。目前主要使用的指紋采集技術(shù)有光學(xué)指紋采集技術(shù)，半導(dǎo)體指紋采集技術(shù)和超聲波指紋采集技術(shù)。

　　光學(xué)指紋采集是歷史久遠(yuǎn)、使用最廣泛的技術(shù)，它是將手指放在光學(xué)鏡片上，手指在內(nèi)臵光源照射下，用棱鏡將其投射在電荷耦合器件（CCD）上，進(jìn)而形成脊線（指紋圖像中具有一定寬度和走向的紋線）呈黑色、谷線（紋線之間的凹陷部分）呈白色的數(shù)字化的、可被指紋設(shè)備算法處理的多灰度指紋圖像。優(yōu)點(diǎn)是一定程度上適應(yīng)溫度的變異，較為廉價(jià)，可達(dá)到500DPI的較高分辨率，但存在要求足夠大的尺寸，且過分干燥和過分油膩的手指也將使光學(xué)指紋產(chǎn)品的效果變壞的缺點(diǎn)。 半導(dǎo)體指紋采集技術(shù)又有硅電容指紋圖像傳感器、半導(dǎo)體壓感應(yīng)傳感器和半導(dǎo)體溫度感應(yīng)傳感器三種類型。最常見的指紋傳感器是半導(dǎo)體指紋傳感器，它通過電子度量來捕捉指紋，在半導(dǎo)體金屬陣列上能結(jié)合大約100，O00個(gè)電容傳感器，其外面是絕緣的表面。傳感器陣列的每一點(diǎn)是一個(gè)金屬電極，充當(dāng)電容器的一極，按在傳感面上的手指頭的對(duì)應(yīng)點(diǎn)則作為另一極，傳感面形成兩極之間的介電層。由于指紋的脊和谷相對(duì)于另一極之間的距離不同（紋路深淺的存在），導(dǎo)致硅表面電容陣列的各個(gè)電容值不同，測量并記錄各點(diǎn)的電容值，就可以獲得具有灰度級(jí)的指紋圖像。

　　半導(dǎo)體指紋采集設(shè)備可以獲得相當(dāng)精確的指紋圖像，分辨率可高達(dá)600DPI，并且指紋采集時(shí)不需要光學(xué)采集設(shè)備要求的較大面積的采集頭。由于半導(dǎo)體芯片的體積小巧、功耗很低，可以集成到許多現(xiàn)有設(shè)備中，這是光學(xué)采集設(shè)備所無法比擬的。隨著各種工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片的防靜電性能和耐用度也得到了很大的改善，現(xiàn)在許多指紋識(shí)別系統(tǒng)研發(fā)工作都采用半導(dǎo)體采集設(shè)備來進(jìn)行。

　　本系統(tǒng)使用Veridicom公司的半導(dǎo)體指紋采集傳感器FPS200，其核心技術(shù)是基于高可靠性硅傳感器芯片設(shè)計(jì)。FPS200是Veridicom公司在吸收了己廣泛應(yīng)用的FPSll0系列傳感器優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，推出的新一代指紋傳感器。其表面運(yùn)用Veridicom公司專利技術(shù)而制成，堅(jiān)固耐用，可防止各種物質(zhì)對(duì)芯片的劃傷、腐蝕、磨損等，F(xiàn)PS200能承受超過8KV的靜電放電（ESD），因此FPS200可應(yīng)用在苛刻的環(huán)境下。FPS200采用CMOS技術(shù)，獲取的圖像為256×300像素，分辨率為500DPI（點(diǎn)每英寸）并且內(nèi)臵8位高速A/D轉(zhuǎn)換器，適合更復(fù)雜的手指，大大減低了誤識(shí)率（FAR）和拒識(shí)率（FRR）。其內(nèi)部控制邏輯如圖2-7所示。

　　圖2-7 FPS200內(nèi)部邏輯圖

　　3.指紋識(shí)別算法研究及實(shí)現(xiàn)

　　指紋識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)大致可以分為兩類：即驗(yàn)證（Verification）和辨識(shí)（Identification）。驗(yàn)證就是通過把一個(gè)現(xiàn)場采集到的指紋與己經(jīng)登記的指紋進(jìn)行一對(duì)一的對(duì)比（1：1）來確認(rèn)身份的過程。辨識(shí)則是把現(xiàn)場采集到的指紋同指紋數(shù)據(jù)庫中的指紋逐一對(duì)比，從中找出與現(xiàn)場指紋相匹配的指紋，這也叫一對(duì)多匹配（1：N）。驗(yàn)證和辨識(shí)在對(duì)比算法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)上各具技術(shù)特點(diǎn)。 所有的生物識(shí)別系統(tǒng)都包括如下幾個(gè)處理過程：采集、對(duì)比和匹配。指紋識(shí)別處理也一樣，它包括指紋圖像采集、指紋圖像預(yù)處理、特征提取及匹配等過程。指紋識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。

　　圖3-1指紋識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　4.門禁控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　4.1 門禁控制系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采用ARM和指紋識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)基于Linux操作系統(tǒng)下TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)型門禁系統(tǒng)。系統(tǒng)中將門禁控制器作為服務(wù)器，以太網(wǎng)終端的上位機(jī)PC作為客戶端。上位PC機(jī)可以對(duì)多個(gè)控制器通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)對(duì)其進(jìn)行訪問、查詢和設(shè)臵，一個(gè)客戶端可以登陸多個(gè)服務(wù)器，一個(gè)服務(wù)器也可以支持多個(gè)用戶的并發(fā)訪問。系統(tǒng)在完成門禁系統(tǒng)的功能的同時(shí)，還可以提供視頻監(jiān)控和報(bào)警的聯(lián)動(dòng)管理。

　　本文主要描述了系統(tǒng)指紋識(shí)別模塊和視頻監(jiān)控兩個(gè)方面。門禁控制器的程序流程如圖4-1所示。

　　圖4-1 門禁控制器程序流程圖

　　開始初始化控制器，通過網(wǎng)卡AX88796向客戶端發(fā)送聯(lián)絡(luò)數(shù)據(jù)包，等待客戶端的回應(yīng)，建立起控制器與客戶端的聯(lián)機(jī)工作。然后開啟攝像頭不斷采集現(xiàn)場圖像，將采集到的圖像發(fā)送到客戶端，客戶端通過瀏覽器可以對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)，系統(tǒng)等待鍵盤輸入用戶ID，并進(jìn)行指紋采集，此時(shí)創(chuàng)建數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，將采集到的指紋圖像數(shù)據(jù)和用戶ID在SRAM中進(jìn)行打包，然后發(fā)送至客戶端，由客戶端接收到的ID和指紋圖像進(jìn)行處理和對(duì)比，控制器創(chuàng)建數(shù)據(jù)接收任務(wù)，接收客戶端返回的認(rèn)證結(jié)果，并由控制器進(jìn)行相應(yīng)的顯示和控制。在實(shí)際中，用戶ID和指紋可以設(shè)臵成多種認(rèn)證模式進(jìn)行控制，增加用戶ID有利于提高服務(wù)器的辨認(rèn)對(duì)比的速度。

　　4.2 指紋圖像采集

　　系統(tǒng)的指紋采集模塊為SPI串口模塊，指紋的采集工作由檢測到手指中斷開始的，系統(tǒng)檢測到中斷就會(huì)從串口發(fā)送一個(gè)字符控制FPS200開始采集。FPS200指紋采集采用分行方法對(duì)指紋圖像進(jìn)行采集和傳輸，其指紋采集流程圖如下。

　　圖4-2 指紋采集流程圖

　　系統(tǒng)首先打開FPS200指紋采集儀，初始化系統(tǒng)寄存器，然后查詢等待，在沒有檢測到手指時(shí)，F(xiàn)PS200處于睡眠狀態(tài)，在檢測到手指中斷時(shí)，就可進(jìn)行指紋的采集。

　　4.3 網(wǎng)絡(luò)通信

　　4.3.1 TCP/IP協(xié)議

　　Linux支持多種不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，TCP/IP是Linux系統(tǒng)中最健壯、速度最快和最可靠的部分。TCP/IP協(xié)議包括了各個(gè)層次上的眾多協(xié)議，如ARP、IP、ICMP、TCP和UDP等。下面主要介紹網(wǎng)絡(luò)編程中涉及到的傳輸層TCP和UDP協(xié)議，其中TCP協(xié)議是一個(gè)面向連接的傳輸層協(xié)議，它為網(wǎng)絡(luò)上的兩臺(tái)主機(jī)的應(yīng)用程序提供一個(gè)可靠的字節(jié)流傳輸通道。面向連接意味著兩個(gè)使用TCP協(xié)議的應(yīng)用程序在彼此交換數(shù)據(jù)前必須先建立一個(gè)TCP連接。UDP協(xié)議是一個(gè)不可靠、面向無連接的傳輸層協(xié)議，提供簡單的端到端通信服務(wù)。UDP不能保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸， 可能存在數(shù)據(jù)丟失和次序錯(cuò)誤。因此，系統(tǒng)因?yàn)閷?duì)數(shù)據(jù)要求高可靠性需選用提供可靠連接的TCP協(xié)議。

　　TCP對(duì)話通過三次握手來初始化的，三次握手的目的是使數(shù)據(jù)段的發(fā)送和接收同步，告訴其它主機(jī)其一次可接收的數(shù)據(jù)量，并建立連接。TCP實(shí)體所用的基本協(xié)議是滑動(dòng)窗口協(xié)議，當(dāng)發(fā)送方傳送一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，它將啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，當(dāng)該數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)目的地后，接收方的TCP實(shí)體返向發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，其中包含一個(gè)確認(rèn)序號(hào)，意思是希望收到下一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的順序號(hào)。如果發(fā)送方定時(shí)器超時(shí)，那么發(fā)送方會(huì)重發(fā)該數(shù)據(jù)報(bào)。

　　通常應(yīng)用程序通過打開一個(gè)SOCKET使用TCP服務(wù)，TCP管理到其它 SOCKET的數(shù)據(jù)傳遞?？梢哉f，通過IP的源/目的可以唯一地區(qū)分網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)設(shè)備的關(guān)聯(lián)，通過SOCKET的源/目的可以唯一地區(qū)分網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)應(yīng)用程序的關(guān)聯(lián)。因此，系統(tǒng)中門禁控制器作為服務(wù)器與外部的監(jiān)控客戶端的通信均可由SOCKET編程來完成。

　　4.3.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)是通過SOCKET套接口來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程，套接口地址的格式是一個(gè)IP地址和一個(gè)端口號(hào)，套接口是進(jìn)程間通信的端點(diǎn)，每個(gè)套接口的名字都是唯一的，所以依靠套接口來確定整個(gè)以太網(wǎng)域中的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程。SOCKET接口是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中的API，SOCKET編程的基本模式是Client/Server。即由客戶機(jī)向服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，服務(wù)器執(zhí)行被請(qǐng)求的任務(wù)并將響應(yīng)的結(jié)構(gòu)返回給客戶端程序。

　　SOCKET是TCP/IP協(xié)議傳輸層所提供的接口，供用戶編程訪問網(wǎng)絡(luò)資源，它是使用標(biāo)準(zhǔn)的Unix文件描述符（file descriptor）和其它程序通信的方式。SOCKET描述符是一個(gè)指向內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針，可以將這個(gè)描述符看成普通的文件描述符來讀寫操作實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交流，這就是Linux設(shè)備的無關(guān)性。按其應(yīng)用，SOCKET套接口主要有流式套接字（Stream Socket）和數(shù)據(jù)報(bào)套接字（Datagram Socket）兩種，在系統(tǒng)中采用TCP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，采用流式套接字。

　　系統(tǒng)中的將門禁控制器作為服務(wù)器，以太網(wǎng)終端的上位機(jī)作為客戶端。系統(tǒng)中TCP/IP協(xié)議SOCKET編程流程如圖4-3所示。

　　圖4-3 TCP協(xié)議SOCKET編程流程圖

　　在門禁系統(tǒng)控制端上運(yùn)行的RedHat Linux9.0操作系統(tǒng)已經(jīng)提供了TCP/IP服務(wù)，在其上通常有相應(yīng)的應(yīng)用程序進(jìn)行管理，如Telnet、FTP、http等服務(wù)，在門禁系統(tǒng)控制端通常移植服務(wù)器進(jìn)行系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理，系統(tǒng)中門禁控制器作為服務(wù)器程序流程介紹如下：

　　（1）調(diào)用s=socket（AF_INET，SOCK_STREAM，O）函數(shù)來創(chuàng)建一個(gè)用于通信的套接字，每個(gè)Socket都是一個(gè)數(shù)據(jù)通道，使用Socket描述符可以從套接口中讀取數(shù)據(jù)或向其它數(shù)據(jù)通道寫入數(shù)據(jù)。

　　（2）設(shè)臵套接字地址結(jié)構(gòu)，可對(duì)sockaddr_in進(jìn)行初始化，以保存所建立的Socket信息。如下： bzero（&sin，sizeof（sin））； //清除舊的服務(wù)器記錄sin.sin_family=AF_INET； //設(shè)臵網(wǎng)絡(luò)類型sin.sin_port=htons（myport）；//設(shè)臵服務(wù)器監(jiān)聽端口

　　（3）調(diào)用bind（s，（struct sockaddr*）&sin，sizeof（sin））函數(shù)將其與本機(jī)地址以及一個(gè)本地端口號(hào)綁定，若綁定其它地址則不能成功。另外，它主要用于TCP的連接，而在UDP的連接中則無必要。

　　（4）調(diào)用listen（s，5）函數(shù)在相應(yīng)的Socket號(hào)上監(jiān)聽。

　?。?）調(diào)用ns=accept（s，NULL，NULL）函數(shù)，睡眠并等待客戶的連接請(qǐng)求，當(dāng)accept函數(shù)接收到一個(gè)連接服務(wù)請(qǐng)求時(shí)，將生成一個(gè)新的Socket號(hào)，并通過新的socket號(hào)來發(fā)送圖像信息。

　?。?）調(diào)用recv（）函數(shù)接收客戶端的請(qǐng)求，調(diào)用send（）函數(shù)向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)。

　?。?）當(dāng)所有的數(shù)據(jù)操作結(jié)束以后：調(diào)用close（）函數(shù)來釋放Socket。

　　4.3.3 GoAhead嵌入式Web服務(wù)器

　　隨著Internet技術(shù)的興起，在嵌入式設(shè)備的管理與交互中，基于Web方式的應(yīng)用成為目前的主流。嵌入式Web服務(wù)器是指將Web服務(wù)器引入現(xiàn)場測試和控制設(shè)備中，在相應(yīng)的硬件平臺(tái)和軟件系統(tǒng)的支持下，使傳統(tǒng)的測試和控制設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)榫邆淞艘訲CP/IP為底層通信協(xié)議和以Web技術(shù)為核心的基于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)測試和控制設(shè)備。目前用得較多的Web服務(wù)器主要有thttpd、shttpd、boa、appweb以及goAhead等。

　　在嵌入式系統(tǒng)中，由于處理器的運(yùn)行速度、存儲(chǔ)容量和內(nèi)存等的限制，使用嵌入式Web服務(wù)器可以節(jié)約系統(tǒng)資源，為用戶遠(yuǎn)程訪問、管理和控制提供支持，并可以實(shí)現(xiàn)用戶的分級(jí)訪問。系統(tǒng)采用goAhead作為Web服務(wù)器，用戶可以通過Form、CGI等應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)交互。

　　GoAhead Web Server是GoAhead公司推出的一個(gè)功能強(qiáng)大源碼免費(fèi)，并可以運(yùn)行在多個(gè)平臺(tái)上的嵌入式W曲服務(wù)器。GoAhead Webserver的主要功能特點(diǎn)有：很小的內(nèi)存消耗、支持安全的通信、支持動(dòng)態(tài)Web頁面，如ASP頁面、可以使用傳統(tǒng)的C語言編程定制Web頁面里的HTML標(biāo)簽、支持CGI、嵌入式的JavaScript腳本翻譯器以及獨(dú)特的URL分析器。當(dāng)前的最新版本是GoAhead WebServer 2.1.8。GoAhead無須安裝，只需要將GoAhead的源碼軟件包拷貝到Linux文件系統(tǒng)中的任何目錄中即可，修改Makenle的相關(guān)內(nèi)容，通過交叉編譯， 在源代碼目錄中的LINUX文件夾下已經(jīng)存在了GoAhead的可執(zhí)行文件webs，在門禁控制器服務(wù)器端運(yùn)行。/webs就開戶了系統(tǒng)的服務(wù)器。

　　系統(tǒng)在PC機(jī)客戶端的Windows平臺(tái)上基于TCP/IP協(xié)議用VC++開發(fā)了客戶端的程序，通過客戶端程序可以通過以太網(wǎng)與門禁控制器的GoAhead Web Server通信并實(shí)現(xiàn)門禁系統(tǒng)的管理。

　　5.結(jié)論

　　隨著數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，智能門禁系統(tǒng)是未來安防監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。安全可靠、方便易用的門禁系統(tǒng)在企業(yè)銀行、智能小區(qū)等門禁和考勤領(lǐng)域具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和推廣性。本課題設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于ARM9處理器和指紋識(shí)別技術(shù)的以太網(wǎng)門禁控制系統(tǒng)。在ARM-Linux的基礎(chǔ)上，研究了指紋采集和視頻采集模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊以及自動(dòng)指紋識(shí)別算法?？偨Y(jié)起來，本文主要做了下面的一些工作：

　?。?）論述了門禁系統(tǒng)在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及其在未來的發(fā)展方向，指出了本課題的研究背景和意義，介紹了一種基于ARM的指紋識(shí)別以太網(wǎng)門禁控制系統(tǒng)。

　?。?）給出了聯(lián)網(wǎng)型指紋識(shí)別的門禁系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)原則、功能特點(diǎn)和總體硬件框圖。重點(diǎn)論述了系統(tǒng)使用的各個(gè)重要模塊設(shè)計(jì)的硬件資源，主要包括USB攝像頭；LCD顯示模塊；網(wǎng)絡(luò)通信模塊；指紋識(shí)別模塊等。

　?。?）研究了指紋識(shí)別算法，包括指紋圖像預(yù)處理以及指紋圖像的特征提取和匹配兩部分。文中主要對(duì)指紋圖像分割做出了一些改進(jìn)，結(jié)合指紋圖像灰度方差和梯度設(shè)臵一個(gè)合適的局部閾值對(duì)指紋進(jìn)行分割，提出了一種指紋圖像的局部閾值分割方法，該算法提高了指紋分割的精確度和適應(yīng)性。然后參考其它的算法介紹了一個(gè)整體的自動(dòng)指紋識(shí)別算法。

　?。?）闡述了門禁控制系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)，然后分別闡述了系統(tǒng)中軟件編程中重要的幾個(gè)方面：使用Video4Linux編程采集圖像、指紋圖像的采集、GoAhead web server的應(yīng)用以及系統(tǒng)運(yùn)用TCP/IP實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)門禁控制器和上位機(jī)PC之間的網(wǎng)絡(luò)通信。