《硅谷》杂志：基于WiFi的指纹门禁系统的设计 |
| 2013-01-25 12:24 作者：王玉丽 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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据《硅谷》杂志2012年第21期刊文称，针对现有有线门禁系统存在布线繁琐、容易线路故障等不足，设计一种基于WiFi的无线指纹门禁系统。该系统主要由指纹采集模块、WiFi通信模块和服务器软件组成，能实现远程指纹信息采集、特征值提取、指纹匹配以及远程门禁信息查询等功能，提供一种低成本、低功耗、性能稳定的无线指纹门禁方式。同时由于指纹的唯一性和不可复制性，也杜绝门禁系统中的冒名顶替的问题，为同类应用提供借鉴。
关键词：WiFi；指纹门禁；特征值提取
0引言
当今社会，身份识别技术越来越多的渗透到生活的方方面面，门禁系统即是这类应用的典型。目前的门禁系统以证件识别（如二代身份证识别）、虹膜识别、指纹识别技术等为主。其中指纹因以其唯一性及不变性，应用前景广阔，指纹识别技术甚至已经进入笔记本和移动电话领域。但是目前的指纹门禁系统只提供USB、RS232/485、有线网络等有线连接方式，需要人工布线，给企业增加了运营成本和应用复杂度，同时线路故障也会影响系统的可靠性。因此无线指纹门禁越来越被推崇。
基于此本文创新性的将WIFI无线技术与指纹门禁系统结合在一起，给出了一种低成本、功耗小、基于嵌入式WIFI的无线指纹门禁系统的设计。该设计具有以下4个优点：
1）该系统实现指纹终端嵌入式化，体积小，成本低，方便部署和安装配置。
2）门禁指纹的采集支持本地和远程指纹采集，指纹数据存放在远程服务器上方便统一管理，安全性高。
3）支持本地和远程门禁开启/关闭，不仅支持本地用户通过指纹验证通过门禁系统，还支持远程用户遥控门禁。该功能在家庭住宅门禁中具有主要的意义，例如重要客人到访，主人恰好不在，主人可以遥控开门，允许客人进入指定区域等待主人到来。
4）允许远程监控/查看门禁信息，允许进行远程的特征匹配查询等。
1设计方法
1.1总体设计
本系统实现可划分为3个模块：WIFI通信模块、指纹采集模块、服务器指纹验证/指纹信息查询模块。指纹采集模块负责指纹图像读取、特征值提取。WIFI通信模块负责将指纹特征值上传到服务器。服务器验证模块，负责将指纹特征值匹配，并返回匹配结果，同时负责指纹门禁信息的查询等。该系统的架构体系如图1所示：
图1基于WIFI的指纹门禁系统架构体系
1.2硬件设计
在嵌入式产品研发过程中，硬件选型直接影响到产品的功能、性能及设计研发进度等。所以在硬件选型时要综合考虑处理性能、功耗、封装形式、成本等诸多问题。本系统中硬件模块核心包括三部分：指纹采集模块、无线模块和主控MCU。其中指纹模块的优劣将直接影响整个系统的性能。硬件系统结构如图2所示：
图2硬件系统结构图
1.2.1主控MCU的选型
由于本系统需要对输入的指纹图像进行实时采样处理，采样频率高，因此要求CPU应具有高速的数字信号处理能力。本系统采用了TI的LM3S1776，LM3S1776是TIStellaris系列微控制器中第一款基于ARM®Cortex™-M3的控制器，LM3S1776是专门针对工业应用方案设计的，可以应用于远程监控、POS机、运动控制、医疗设备等等。它具有64KSRAM，128KFlash，50MHz主频，同时提供了丰富的外围接口（SCI、SPI、IIC、AD等），为门禁终端的应用扩展提供了硬件支持。同时它有一个电池备用的休眠模式，从而有效的使芯片在未被激活的时候进入低功耗状态。
1.2.2指纹模块的选取
指纹模块的选型直接关系整个系统的性能，本文选用了Atrua（楚亚）公司的手指按压移扫（Sweep）式传感模块Wings™ATW200，该模块是一个指纹传感器+软件处理系统模块。其中传感器为电容性传感器，指纹分辨率高达500dpi，采集点阵为192x8pixel，图像灰度为128级，最优数据传输速度为6Mbps。软件处理算法采用部分重建方法，当指纹“移扫”时，传感器首先提取脊线与谷线信息，取出其特征值，然后通过内部AD转换器将采集到的数据处理为一个大小为2KB的模板文件，并存储于Flash中，用于后续的指纹匹配。同时支持通过SPI/8位并口与MCU接口。该模块具有自动增益控制AGC功能可提供高质量指纹图像、且模块体积小、能耗低、成本低，可方便的集成到移动或者其他移动设备上。同时它还支持中断输出，可配置为当检测到指纹时唤醒MCU。本系统中主控MCULM3S1776通过SPI接口与ATW200进行数据交换，其信号连接图如图3所示：
图3LM3S1776与ATW200模块信号连接图
1.2.3无线模块的选取
目前的短距离无线技术主要有采用红外、超声波、蓝牙、WiFi（WirelessFidelity）、RFID（RadioFrequencyIdentification）等，其中基于WiFi网络的无线技术以部署广泛、成本低、覆盖广等优势，在无线局域网应用最为普遍。因此本文无线技术选用WiFi技术。本系统中WiFi模块主要负责将指纹数据实时的上传到服务器，并将服务器进行指纹匹配的结果返回给客户端以控制门禁的开启/关闭。
本系统选用Gainspan公司的GSl011模块进行无线数据传输。GSl011真正实现了WiFi的单片机化、无线化和微型化。它是一个高度集成、超低功耗的无线片上系统，它包含一个802.1l射频前端（支持802.11b，11Mbps）、MAC和基带处理器，片上Flash/SRAM，一个应用处理器和丰富的I/O外设。它将IEEE802.1lb/g需要的高频电路全部集成到了电路内部，GSl011高频输出只需经过一个滤波器件即可输出到天线。
GS1011模块可连接到PC通过有线/无线方式进行进行程序的下载和内存寄存器的配置等操作。有线模式下，PC机通过RS-232线缆连接GS1011节点。其中，RS-232串口线缆区别于一般的串口线缆，需采用FTDI公司生产的USB转TTL电平的串口线缆TTL-232R-3V3，该线缆描述如表1所示：
表1TTL-232R-3V3信号功能描述表
线缆样式 引脚 名称 类型 颜色 描述
1 GND 地 黑 设备地
2 CTS# 输入 棕 清发送控制输入/握手信号
3 VCC 输出 红 +5v输出
4 TXD 输出 橙 发送异步数据输出
5 RXD 输入 黄 接收异步数据输入
6 RTS# 输出 绿 请求发送控制输出/握手信号
GS1011模块与主控MCU连接图式如4所示图：
图4GS1011模块与主控MCU连接图
1.3软件设计
指纹识别算法是指纹识别软件系统的核心。本系统软件分为指纹客户端（也称指纹终端）和指纹服务器端程序。首先客户端器件上电初始化完毕后，等待用户指纹。检测到指纹后，开始读取指纹图像，然后进行特征值的提取，处理完毕将特征值通过WiFi发送给服务器比对。服务器接到指纹特征值后根指纹数据库中的信息进行匹配，并将匹配结果发回客户端。若匹配成功，则开启门禁，否则发出响应报警信号。若因特殊原因，导致匹配不成功，可重复该过程，重复次数可酌情设定。需要注意的是用户在使用该系统进行验证前，需首先注册指纹信息，此注册需要管理员授权。本系统中采用的指纹识别算法实现流程如图5所示。指纹注册的软件实现界面如图6所示，需要说明的是为保证指纹数据的准确性，注册时需要扫描指纹三次。
图6指纹注册的软件实现界面
图5指纹识别算法实现流程
2结语
本文针对现有指纹门禁系统的不足，设计并实现了一种基于WiFi的无线指纹门禁系统。该系统主要由指纹采集模块、WiFi无线模块、服务器验证模块组成，可方便的连入现有的WiFi无线网络并配合服务器端软件，实现了无线指纹门禁的控制。本文给出了系统的硬件选型、硬件实现方式、软件设计方法/设计流程以及部分软件实现界面。该系统实现了低成本、低功耗、高效、稳定的指纹门禁系统，对于安防、信用等指纹门禁领域具有很好的应用价值。
作者信息：
王玉丽（1984-），硕士，助教，计算机科学与技术专业，嵌入式系统应用方向。
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