嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)開發(fā)

摘要：介紹了指紋識(shí)別技術(shù)的基本原理，嵌入式操作系統(tǒng)的選擇及定制。計(jì)算機(jī)控制單元的軟件及硬件設(shè)計(jì)包括：指紋并口采集板設(shè)計(jì)及初始化程序，前臺(tái)指紋建檔（比對(duì)程序，局域網(wǎng)通訊程序，數(shù)據(jù)處理程序等。關(guān)鍵詞：指紋識(shí)別 嵌入式 通訊 操作系統(tǒng) 生理測(cè)定技術(shù)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。目前，有很多技術(shù)等生物測(cè)定技術(shù)可用于身份認(rèn)證，包括：虹膜識(shí)別、視網(wǎng)膜識(shí)別、面部識(shí)別、簽名識(shí)別、聲音識(shí)別技術(shù)、指紋識(shí)別技術(shù)等。其中指紋因具有終生不變性及穩(wěn)定性，是目前應(yīng)用前景較好的生物識(shí)別系統(tǒng)。但指紋識(shí)別目前在國(guó)內(nèi)乃至世界仍未普及的主要原因是：（1）速度慢：目前一般系統(tǒng)辨別需要數(shù)秒鐘甚至更長(zhǎng)；（2）性能差：錯(cuò)誤拒識(shí)率（FRR）和錯(cuò)誤接受率（FAR）過高，目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的系統(tǒng)一般FRR<3%,FAR<1/106；（3）價(jià)格高：由于目前國(guó)內(nèi)主要引用國(guó)外成熟的指紋識(shí)別技術(shù)，并且比對(duì)系統(tǒng)采用PC機(jī)處理，體積龐大，不便移動(dòng)。本系統(tǒng)在對(duì)指紋識(shí)別技術(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，與嵌入式技術(shù)相結(jié)合，可較好地解決上述問題。 1 指紋識(shí)別原理 指紋識(shí)別的基本原理為：采用細(xì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)模型來做細(xì)節(jié)匹配，即對(duì)指紋的脊線末梢和指紋的脊線分支點(diǎn)提取特征點(diǎn)鑒定指紋。具體的自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)框圖見圖1。指紋圖像的預(yù)處理：目的是去除指紋圖像中的噪音，將其轉(zhuǎn)化為一幅清晰的點(diǎn)線圖，便于提取正確的指紋特征。預(yù)處理影響指紋識(shí)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(xì)化。 對(duì)圖像細(xì)化后，采用細(xì)節(jié)點(diǎn)模反提取出指紋圖像的脊線末梢和脊線分支點(diǎn)的位置，將指紋認(rèn)證問題轉(zhuǎn)化成為點(diǎn)模式匹配問題。建檔時(shí)將特征位置點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)后存入數(shù)據(jù)庫(kù)，作為建檔模板。指紋比對(duì)時(shí)，采用同樣的方法，得到比對(duì)模板。由于要考慮指紋的平移和旋轉(zhuǎn)（對(duì)極坐標(biāo)只考慮旋轉(zhuǎn)），對(duì)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)的類型（末梢或分支點(diǎn)）分別紀(jì)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條虛擬線段所跨越的脊線數(shù)分別記為nCrossNum1、nCrossNum2、nCrossNum3。如果這兩點(diǎn)滿足一定茶杯條件，則認(rèn)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(duì)應(yīng)點(diǎn)，計(jì)算出比對(duì)模板相對(duì)建檔模板的旋轉(zhuǎn)角度，將比對(duì)模板矯正后，再進(jìn)行細(xì)節(jié)點(diǎn)的精細(xì)匹配，根據(jù)隸屬函數(shù)可計(jì)算兩個(gè)指紋的相似度。如大于某個(gè)閾值，則認(rèn)為是同一指紋。 2 系統(tǒng)的定制 2.1 選擇嵌入式操作系統(tǒng) 隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，芯片的制造成本和銷售價(jià)格都大大降低了，而功能和內(nèi)部支持的端口卻大大擴(kuò)展了，16位和32位嵌入式處理器逐漸成為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主流。為了縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期和運(yùn)行時(shí)間，使工作更穩(wěn)定、更可靠和更高效并實(shí)現(xiàn)需要的復(fù)雜功能，需要運(yùn)行于嵌入式處理器上的嵌入式操作系統(tǒng)，才能形成完整的系統(tǒng)平臺(tái)。當(dāng)前嵌入式操作系統(tǒng)包括Microsoft Embedded NT 4.0、Microsoft Windows CE、Nucleus PLUS、pSOSystem等。由于指紋識(shí)別對(duì)系統(tǒng)計(jì)算能力要求較高，需要具有強(qiáng)大的管理功能，并不需要硬實(shí)時(shí)功能，在實(shí)際開發(fā)中選用Microsoft Embedded NT 4.0嵌入式操作系統(tǒng)，它具有操作系統(tǒng)的完善功能和強(qiáng)大的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)功能；開發(fā)環(huán)境可選用Visual C++ 6.0并支持組件對(duì)象模型、MFC、ATL等。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可滿足設(shè)計(jì)要求。 2.2 系統(tǒng)硬件選擇及開發(fā) 系統(tǒng)硬件框圖見圖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(nèi)存（168線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(tǒng)中所起作用：搭載系統(tǒng)應(yīng)用軟件；使用EPP1.9模式，通過并口從并口板讀取指紋圖像數(shù)據(jù)；將指紋圖像數(shù)據(jù)通過指紋建檔算法轉(zhuǎn)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(duì)；接收鍵盤輸入鍵值并根據(jù)按鍵功能定義進(jìn)行相應(yīng)操作；系統(tǒng)狀態(tài)信息通過串口輸出到控制板中，完成人機(jī)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(shù)字量的轉(zhuǎn)換，并送往并口板存儲(chǔ)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(hào)為ZYZ202A。該型號(hào)采像頭為長(zhǎng)春方圓定型產(chǎn)品，主要技術(shù)參數(shù)：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I2C總線對(duì)COMS板中采像芯片OV7120設(shè)置有關(guān)參數(shù)；從COMS板提取指紋采像數(shù)據(jù)并暫存于存儲(chǔ)器中；每存取一幀圖像數(shù)據(jù)即通過并口（EPP模式）向工控主板發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)；根據(jù)工控主板發(fā)出的數(shù)據(jù)提取信號(hào)將指紋圖像數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)處理；實(shí)時(shí)檢測(cè)整機(jī)內(nèi)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(shù)據(jù)到工控主板的數(shù)據(jù)傳遞。AT89C2051是通用8位單片機(jī)。IS61C1024L為128K%26;#215;8bit高速COMS靜態(tài)存儲(chǔ)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(duì)應(yīng)鍵值輸入工控主板以完成相關(guān)操作，通過串口從控主板獲取顯示內(nèi)容并轉(zhuǎn)化為液晶屏顯示所需格式。控制板含有15個(gè)銨鍵，為導(dǎo)電膠方式。按鍵包括：Menu、Cancel、OK、0～9、<、>共15個(gè)鍵。控制板的核心器件為鍵盤掃描芯片EM83050和標(biāo)準(zhǔn)8位單片機(jī)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) 液晶屏主要用來顯示系統(tǒng)所處狀態(tài)。液晶屏型號(hào)為WGM12232H，點(diǎn)陣大小122%26;#215;32。 串口LED顯示采用RS232/485接口與計(jì)算機(jī)通信，通信方式：RS232接口、115200bps、異步8位、1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位。 發(fā)送數(shù)據(jù)格式如下： 55H AAH XX顯示數(shù)據(jù) 其中，55H AAH為數(shù)據(jù)頭標(biāo)志，XX為背光控制字：48H點(diǎn)亮背光，其余不點(diǎn)亮背光。 通信說明：通信主動(dòng)方為PC，被動(dòng)方向LCD。首先PC發(fā)送數(shù)據(jù)頭命令55H、AAH，LCD接收到數(shù)據(jù)頭后，判斷是否正確。若正確則開始接收背光控制字并顯示數(shù)據(jù)；否則退出接收狀態(tài)。傳輸數(shù)據(jù)中，當(dāng)LCD端檢測(cè)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(dāng)檢測(cè)有鍵按下或有指紋時(shí)，上位機(jī)發(fā)送背光控制字（48H）使背光點(diǎn)亮。 完成硬件設(shè)計(jì)，通過編寫測(cè)試軟件在PC平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，基本可滿足系統(tǒng)要求。3 軟件及驅(qū)動(dòng)編寫 3.1 嵌入式NT系統(tǒng)定制 硬件測(cè)試完成后，根據(jù)硬件的中斷號(hào)、插槽及系統(tǒng)要求的性能，需要對(duì)嵌入式NT進(jìn)行定制。在NT系統(tǒng)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(hào)：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(tǒng)后，做一張嵌入式NT啟動(dòng)盤，用啟動(dòng)盤格式化DOM，鍵入NTBoot>后將操作系統(tǒng)拷貝至DOM，NT操作系統(tǒng)即可運(yùn)行。 3.2 軟件編寫 系統(tǒng)流程圖見圖3。 系統(tǒng)啟動(dòng)部分主要功能：初始化指紋識(shí)別模塊InitFp()；初始化串口和刷新液晶LCDInit(int(hWnd))；初始化字庫(kù)IniFontLib（）；初始化鍵盤響應(yīng)InitKeySys（）；初始始化字庫(kù)IniFontLib()；初始化鍵盤響應(yīng)InitKeySys()；初始化并口采像設(shè)備InitParrel（）；初始化液晶顯示InitDispary（）；將指紋庫(kù)，密碼庫(kù)裝入內(nèi)存LoadAll（）。系統(tǒng)啟動(dòng)完成后開始線程ThreadMain（），在線程中進(jìn)入程序死循環(huán)，在循環(huán)中主要響應(yīng)按鍵和采集圖像進(jìn)行指紋比對(duì)其中按鍵響應(yīng)分三部分； （1） 當(dāng)輸入的按鍵個(gè)數(shù)等于設(shè)定個(gè)數(shù)（人員代碼長(zhǎng)度+密碼長(zhǎng)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(shù)字鍵數(shù)目為1時(shí)進(jìn)行）、1:1考勤（即輸入按鍵數(shù)目等于人員代碼長(zhǎng)度時(shí)進(jìn)行）； （3） 值守狀態(tài)下，按MENU鍵，輸入正確系統(tǒng)密碼進(jìn)入管理狀態(tài)。 系統(tǒng)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，指紋分組查詢，密碼查詢，系統(tǒng)日期，系統(tǒng)時(shí)間，默認(rèn)組設(shè)置，修改IP地址，語言設(shè)置，代碼長(zhǎng)度設(shè)置，系統(tǒng)密碼。 采集圖像進(jìn)行指紋比對(duì)：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(duì):SysMatch（Img）；比對(duì)成功后，顯示人員代碼、姓名。 3.3 數(shù)據(jù)傳輸部分 定義流水帳結(jié)構(gòu)為：考勤時(shí)間:_SYSTEMTIME T;人員代碼：char Code[16]；出入標(biāo)志：Byte Inout。網(wǎng)絡(luò)傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)TFTP和UDP協(xié)議進(jìn)行通信，詳細(xì)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(shù)據(jù)至主機(jī)。UDP主要負(fù)責(zé)打開、關(guān)閉TFTP服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用標(biāo)準(zhǔn)TFTP協(xié)議： 報(bào)頭==0x81 下載 報(bào)頭==0x82 上載 傳遞文件只能為流水賬、配置表、指紋數(shù)據(jù)、密碼裝飾。 4 實(shí)驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果 系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，可脫機(jī)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，可獨(dú)立完成建檔及查詢等功能。系統(tǒng)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(shí)別記錄的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，可用于二次開發(fā)或與人事工資等管理軟件掛接。指紋登記個(gè)數(shù)≥3000枚，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量≥50萬條記錄。 為驗(yàn)證系統(tǒng)性能，選取1000枚指紋作實(shí)驗(yàn)，其中每300枚指紋為一組，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下： (1) 指紋核查通過時(shí)間：<2s； (2) 誤識(shí)率（FAR）:<0.001%； (3) 拒識(shí)率（FRR）:<1%； (4) 功耗：<60W； (5) 分辨率：450dpi。 上述指紋管理系統(tǒng)已初步通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，運(yùn)行正常，并通過了有關(guān)部分初步驗(yàn)證。本系統(tǒng)將指紋識(shí)別與嵌入式技術(shù)結(jié)合在一起，降低了系統(tǒng)成本，可廣泛用于生活小區(qū)物業(yè)管理，學(xué)校的考場(chǎng)管理，軍事、政府部門的身份鑒別。應(yīng)用前景廣闊。 但是，該系統(tǒng)還存在兩個(gè)問題：（1）對(duì)指紋質(zhì)量比較差的指紋存在建檔較難的問題（FFR過高）；（2）算法過于復(fù)雜，影響系統(tǒng)性能。還對(duì)應(yīng)算法和操作系統(tǒng)性能進(jìn)一步優(yōu)化。 linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）