基于Linux系統(tǒng)的指紋識(shí)別門禁系統(tǒng)

　　指紋作為人體的身體特征，具有唯一性、穩(wěn)定性和不易盜用等特點(diǎn)。隨著指紋識(shí)別理論逐漸成熟、指紋采集工具這一難題得到解決，指紋識(shí)別已經(jīng)成為目前最廣泛應(yīng)用的生物識(shí)別之一，逐漸取代了傳統(tǒng)的認(rèn)證識(shí)別方式，廣泛應(yīng)用于金融、公安、證券、門禁系統(tǒng)等領(lǐng)域。指紋識(shí)別技術(shù)的研究已經(jīng)成為當(dāng)前建筑智能化研究的熱點(diǎn)。但是對(duì)于在Linux 系統(tǒng)下的由FPI 指紋識(shí)別模塊、Raspberry Pi 主控模塊、AVR 模塊組成的，采用無線通訊方式定時(shí)向用戶發(fā)送郵件來監(jiān)控門鎖狀態(tài)的指紋識(shí)別系統(tǒng)的研究至今未見諸報(bào)端。本文在不改變現(xiàn)有門鎖結(jié)構(gòu)的前提下，通過設(shè)計(jì)編程，開發(fā)了一套基于指紋識(shí)別的門禁系統(tǒng)，定時(shí)檢測(cè)門鎖狀態(tài)并向用戶發(fā)送報(bào)警郵件，大大增強(qiáng)了門鎖的安全性。

　　1 指紋識(shí)別的技術(shù)原理

　　指紋識(shí)別的技術(shù)原理是從指紋數(shù)據(jù)庫中查找與采集指紋是否匹配的指紋數(shù)據(jù)，達(dá)到通過辨別身份實(shí)現(xiàn)開關(guān)門鎖的目的。其基本原理如圖1 所示，指紋識(shí)別系統(tǒng)由指紋圖像采集、指紋圖像預(yù)處理、指紋特征提取、指紋特征匹配、特征數(shù)據(jù)庫等幾部分組成。指紋圖像預(yù)處理采用了Gabor 濾波的方法進(jìn)行灰度圖濾波去噪，通過將圖像濾波后，對(duì)其進(jìn)行二值化處理使各種噪聲得到濾除或者修正。指紋特征提取是建立在對(duì)該點(diǎn)8 鄰點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)之上，特征點(diǎn)通過計(jì)算CN(Croosing Number)得到。指紋特征匹配的過程是計(jì)算兩幅指紋相似程度的過程，在做指紋匹配前必須把不同的指紋圖像校準(zhǔn)，找到輸入特征點(diǎn)集和模板特征點(diǎn)集之間的最佳變換。

　　指紋識(shí)別系統(tǒng)大體上可分為兩個(gè)內(nèi)容：指紋注冊(cè)和指紋比對(duì)。指紋注冊(cè)主要包括指紋采集、指紋圖像預(yù)處理、特征點(diǎn)提取和特征值存儲(chǔ)。指紋比對(duì)的前3 步操作與指紋注冊(cè)完全相同，在特征點(diǎn)提取后，生成的指紋特征值將與存儲(chǔ)在指紋特征數(shù)據(jù)庫的特征值作特征匹配，最后輸出匹配結(jié)果。

　　圖1 指紋識(shí)別技術(shù)的基本原理

　　2 指紋識(shí)別系統(tǒng)硬件開發(fā)

　　指紋識(shí)別系統(tǒng)主要由FPI 指紋識(shí)別模塊、Raspberry Pi 主控模塊、AVR 模塊3 部分組成，該硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。三方通訊實(shí)現(xiàn)用戶的指紋錄入和匹配，以及門鎖的開關(guān)，并且以發(fā)送郵件的方式來監(jiān)控門鎖的狀態(tài)。FPI 指紋識(shí)別模塊強(qiáng)大的圖像處理功能對(duì)指紋識(shí)別非常靈敏，及時(shí)處理接收到的指紋信息，并與Raspberry Pi 通訊;Raspberry Pi 模塊，一方面控制AVR 去檢測(cè)門的開關(guān)狀態(tài)以及開關(guān)門鎖，另一方面控制FPI 指紋錄入和匹配，并在Raspberry Pi 上建立數(shù)據(jù)庫記錄用戶信息;控制器AVR 反饋給Raspberry Pi 門的開關(guān)狀態(tài)，并且控制電機(jī)來開關(guān)門鎖，加強(qiáng)了在硬件方面的拓展，可通過硬件在更多方面對(duì)門進(jìn)行監(jiān)測(cè)。此外，使用了無線通訊模塊，避免了過多布線可能對(duì)原本門鎖結(jié)構(gòu)的破壞，使該系統(tǒng)的硬件組成方便快速。

　　圖2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

　　2.1 指紋識(shí)別模塊

　　指紋模塊基于TI 公司的TMS320VC5509 高級(jí)數(shù)字DSP處理器為主核，芯片結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。高精光學(xué)采集頭(TFS-D0307)，高速、穩(wěn)定; 標(biāo)準(zhǔn)UART 接口通訊，標(biāo)準(zhǔn)8 字節(jié)通訊協(xié)議， FPI 完成處理接收到的指紋信息， 并與Raspberry Pi主控模塊通訊的工作。

　　圖3 指紋識(shí)別芯片F(xiàn)PI

　　2.1.1 圖像采集芯片

　　FPI 芯片上集成了圖像采集芯片F(xiàn)PC1011F,FPC1011F指紋傳感器是電容式半導(dǎo)體傳感器件，該電容式指紋傳感器利用了反射式探測(cè)技術(shù)，屬于平面式采集指紋傳感。相比傳統(tǒng)的電容式傳感器，它采集的是指頭的真皮層，且對(duì)干濕手指有良好的適用性。FPC1011F 的指紋采集原理：FPC1011F指紋傳感器是由152×200 個(gè)傳感器陣列組成的，每一個(gè)陣列是一個(gè)金屬電極，充當(dāng)電容器的一極，安在傳感面上的手指頭的對(duì)應(yīng)點(diǎn)則作為另外一極，其工作原理是基于變極板間距的電容式傳感器，其電容量由式(1)確定：

　　(式中：C 為電容量;d 為極板間距;ε0為真空介電常數(shù);εr為極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù);s 為極板的有效面積)

　　當(dāng)手指接觸傳感器導(dǎo)電框以后，由式(1) 可知， 谷和脊因?yàn)殡x傳感器陣列的距離不同， 產(chǎn)生了不同的電容值C，經(jīng)過運(yùn)算放大電路， 形成不同的電壓值， 通過內(nèi)部的A/D 轉(zhuǎn)換，獲得高質(zhì)量的數(shù)字指紋圖像。

　　2.1.2 處理器

　　該系統(tǒng)采用的主處理器是TMS320VC5509 的32 位定點(diǎn)高速數(shù)字DSP 處理器，開發(fā)板的硬件包括：USB2.0 FullSpeed接口用以傳輸圖像、視頻等高速數(shù)據(jù); 片外外擴(kuò)1M BytesFLASH; RTL8019AS 網(wǎng)絡(luò)接口芯片，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通訊太網(wǎng)電路;開發(fā)接口：UART(RS232)與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊;2 路10 位A/D 輸入接口。

　　2.2 主控模塊

　　該系統(tǒng)采用的主控模塊Raspberry Pi,代替了體積龐大的電腦實(shí)現(xiàn)控制功能。Raspberry Pi 是一款基于ARM,操作系統(tǒng)采用開源的Linux 系統(tǒng)的個(gè)人電腦，配備一枚700MHz 的處理器，支持SD 卡和Ethernet, 擁有兩個(gè)USB 接口，以及HDMI 和RCA 輸出支持。Raspberry Pi 一方面控制AVR 去檢測(cè)門的開關(guān)狀態(tài)以及開關(guān)門鎖，另一方面控制FPI 的指紋錄入以及匹配并在Raspberry Pi 上建立數(shù)據(jù)庫記錄用戶信息。

　　利用這些硬件便可以進(jìn)行嵌入式開發(fā)，快速的建立起指紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)。

　　3 指紋識(shí)別系統(tǒng)軟件開發(fā)

　　該系統(tǒng)基于Linux 操作系統(tǒng)，將自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)移植到嵌入式Linux，在Linux 上進(jìn)行指紋識(shí)別系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，指紋識(shí)別系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括四個(gè)方面：上位機(jī)與AVR 串口通訊、上位機(jī)與指紋模塊串口通訊、維護(hù)MYSQL 以及腳本發(fā)送報(bào)警。

　　3.1 指紋識(shí)別的處理過程

　　如圖4 所示：首先對(duì)串口進(jìn)行初始化，打開串口設(shè)備0、1，設(shè)置串口參數(shù)，恢復(fù)串口未阻塞狀態(tài)，串口初始化成功后執(zhí)行用戶選擇功能：注冊(cè)開門賬號(hào)或注冊(cè)關(guān)門賬號(hào)或運(yùn)行門禁服務(wù)[N/C/R]。選擇系統(tǒng)功能N 后注冊(cè)新開門用戶，對(duì)同一指紋共獲取3 次圖像，與傳統(tǒng)采集一次圖像相比，杜絕了隨意采集造成的注冊(cè)指紋不精和驗(yàn)證時(shí)不易識(shí)別的問題。采集指紋成功后輸入用戶個(gè)人信息，注冊(cè)來自上位機(jī)數(shù)據(jù)庫的新ID號(hào)并把該用戶指紋信息存入數(shù)據(jù)庫，然后選擇是否繼續(xù)添加用戶。同理用戶選擇系統(tǒng)功能C后完成注冊(cè)關(guān)門用戶的操作。

　　用戶選擇系統(tǒng)功能R 后運(yùn)行門禁服務(wù)，一方面AVR 查詢當(dāng)前門鎖狀態(tài)， 例如把開門的命令賦給門的匹配狀態(tài)，如果指紋匹配操作FPI 和門的匹配狀態(tài)相同，則由繼電器接收來自AVR 的開門命令，帶動(dòng)電機(jī)執(zhí)行開門動(dòng)作，并且記錄當(dāng)時(shí)時(shí)間，向本地?cái)?shù)據(jù)庫添加一條新的用戶使用記錄并寫進(jìn)日志里。同理執(zhí)行關(guān)門命令。另一方面AVR 查詢當(dāng)前電機(jī)電流等級(jí)，將門鎖的實(shí)時(shí)開關(guān)狀態(tài)，由誰執(zhí)行開關(guān)門動(dòng)作和當(dāng)前門鎖電機(jī)電流狀態(tài)通過郵件的方式發(fā)送給用戶，實(shí)現(xiàn)對(duì)門的實(shí)時(shí)監(jiān)控，大大增強(qiáng)了門禁系統(tǒng)的安全性。

　　3.2 郵件的發(fā)送

　　圖4 系統(tǒng)工作方式流程圖

　　Raspberry Pi 上的ARM 通過RS 232 串口接收來自AVR定時(shí)地對(duì)門禁狀態(tài)和電流狀態(tài)的查詢信息，并編寫Shell 腳本程序，利用wifi 通過串口傳送給郵件發(fā)送模塊，將報(bào)警內(nèi)容發(fā)送到指定的用戶郵箱中來定時(shí)監(jiān)控門鎖的狀態(tài)。程序如下：

　　這一部分完成信息的打包并將報(bào)警內(nèi)容發(fā)到指定郵箱中的功能。AVR 定時(shí)檢測(cè)門的狀態(tài)和當(dāng)前電流的狀態(tài)，當(dāng)沒有人執(zhí)行開關(guān)門操作時(shí)，door.log 的內(nèi)容為“0”，當(dāng)有人執(zhí)行開關(guān)門操作或者電流超過一定數(shù)值時(shí)，door.log 內(nèi)容為“1”，其中開關(guān)門鎖包含兩種情況：一是已注冊(cè)的用戶通過指紋識(shí)別成功實(shí)現(xiàn)開關(guān)門鎖;二是沒有注冊(cè)過的用戶指紋識(shí)別失敗但是打開了門鎖。文件夾從數(shù)據(jù)庫調(diào)用這一數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送到指定用戶的郵箱里，然后door.log 重新變?yōu)椤?”，如此循環(huán)檢測(cè)門的狀態(tài)。

　　Raspberry Pi 上的ARM 通過RS232 串口接收來自AVR定時(shí)地對(duì)門禁狀態(tài)和電流狀態(tài)的查詢信息，并編寫Shell 腳本程序，利用wifi 通過串口傳送給郵件發(fā)送模塊，將報(bào)警內(nèi)容發(fā)送到指定的用戶郵箱中來定時(shí)監(jiān)控門鎖的狀態(tài)。

　　4 系統(tǒng)測(cè)試

　　為檢驗(yàn)該指紋識(shí)別門禁系統(tǒng)的性能，打開Linux 程序，注冊(cè)登記4 個(gè)不同的指紋， 然后用不同的手指作指紋識(shí)別測(cè)試。分別觀察指紋識(shí)別成功和失敗時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，一共測(cè)試50 次，部分系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果的郵件正文內(nèi)容如表1 所示。

　　表1 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表

　　由表1 可以看出，郵件的內(nèi)容包括ID、Name、Action、Date四項(xiàng)。其中前七行是已注冊(cè)過的用戶通過指紋識(shí)別成功實(shí)現(xiàn)開關(guān)門鎖，所以郵件中會(huì)有他們的ID 號(hào)和姓名信息，而最后一行的用戶指紋識(shí)別失敗但是打開了門鎖，所以郵件中將他們的ID 和姓名設(shè)置為NULL,提醒管理員特別注意當(dāng)時(shí)門鎖狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)管理員對(duì)門狀態(tài)的定時(shí)監(jiān)控。

　　5 結(jié)論

文中基于指紋識(shí)別技術(shù)采用FPI 指紋識(shí)別模塊，結(jié)合Linux 設(shè)計(jì)了指紋識(shí)別門禁系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的一個(gè)特點(diǎn)是基于Linux 操作系統(tǒng)，建立并發(fā)執(zhí)行環(huán)境，提高CPU 的利用率，并且用Raspberry Pi 主控模塊和無線通訊模塊使得整個(gè)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，對(duì)系統(tǒng)性能有一個(gè)明顯的提高。另外一個(gè)特點(diǎn)是定時(shí)檢測(cè)門鎖狀態(tài)并采用無線通訊方式向用戶發(fā)送報(bào)警郵件，大大增強(qiáng)了門鎖的安全性。實(shí)用測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行良好，能夠進(jìn)行可靠安全的指紋識(shí)別，準(zhǔn)確、快速地完成個(gè)人身