嵌入式考场指纹识别系统设计

　　指纹识别在消费服务、考试管理、门禁安全、物品主人识别等方面得到了应用，以后将会在更广泛的领域得到应用。指纹识别的应用，提高了身份识别的客观性、公正性和效率等。考场指纹识别系统与其它指纹识别系统相比，需要满足识别的信息量大、能够便携移动、操作方便、最好能够脱离计算机独立使用等要求。 

　　从指纹识别方式来考查，当前主要有如下三种考场指纹识别系统： 

　　第一种是指纹采集器直接连接计算机识别方式?。该方式的考试管理系统由计算机、考试管理软件和指纹采集器构成，其中的指纹采集器一般只有基本的指纹成像和A／D转换部分，而指纹的处理算法和指纹数据都在计算机中。在指纹的采集和识别时，采集器和计算机必须联合使用，通过串行接口或usB接口连接。这种方式的优点是指纹采集器造价低、可靠性高，不足之处是需要计算机数量大、造价高，并且在考场中使用体积较大计算机也不方便。
　　第二种是网络计算机识别方式旧1。该方式与第一种方式的系统构成基本一样，不同之处在于采集器和计算机的连接使用RJ45接口，采集器所采集的指纹信息通过网络传送给计算机，计算机比对后将结果再返回到远端的采集器。该方式的优点是需要计算机数量少、造价低，不足之处是计算机负担重、网络传输信息量大、可靠性低。
　　第三种是指纹卡识别方式¨1。该方式由计算机、考试管理软件、指纹采集器和指纹存储卡构成。
这里的指纹采集器功能比较强，不仅具有指纹采集功能，而且还具有指纹数据处理、运算比对和读写射频Ic卡功能。该系统的工作原理是：在计算机的控制下，将指纹采集器采集及处理后的指纹特征数据保存到计算机中，然后将指纹等考生信息写到IC卡中，在考场用指纹采集器采集考生指纹，并与Ic卡中的指纹信息比对识别身份。这种方式的优点是可靠性高，不足之处是需要制卡，致使工作量大，Ic卡仅一次性使用造成浪费，另外指纹采集器的造价较高。 

　　以上三种考场指纹识别系统都存在不足，本文所设计的“基于ARM&Linux的考场指纹识别系统”(简称为“嵌入式考场指纹识别系统”)，相对于第三种采集器，减少了IC卡功能而增加了数据库功能，使其具有存储姓名、指纹、身份证号等考生信息的数据库以及信息管理功能，使采集器能够脱离计算机，独立在考场比对指纹，从而克服了上述三种系统的不足。 

　　1 系统设计 

　　1．1 系统功能
　　本文所设计的“嵌入式考场指纹识别系统”，主要具有如下功能：
　　一是指纹采集、指纹比对和指纹数据处理功能；
　　二是数据库与信息管理功能，能够保存和管理大量考生的信息；
　　三是系统与Pc机数据库的数据交换功能；
　　四是系统与PC机的数据传输功能；
　　五是系统与用户的交互功能，具有较好的人机界面，便于操作使用。 

　　1．2 系统组成
　　根据上面所说的系统功能，对系统的软硬件都有较高的要求，因此，需要使用操作系统，设计选用Linux操作系统。在硬件方面，根据所使用的操作系统，选用ARM9微控制器，存储器使用64MB的nash和64MB的SDRAM，需要网络接口芯片、串行接口芯片、液晶显示屏，以及指纹模块等。 

　　1．3系统工作原理
　　“嵌入式考场指纹识别系统”中的学生信息，只是考试管理系统的一部分，安装在PC机上的考试管理系统中保存着考生的全部信息。对用户来说，系统的主要用途是指纹采集和指纹识别，在指纹采集前，需要将Pc机上的考生基本信息(如姓名、身份证号等)通过网络下载到系统中，对各个考生采集完指纹后，再将含有指纹信息的数据通过网络上传给PC机。在指纹识别时，把Pc机上包含有考生指纹的数据下载到嵌入式系统中，使系统能够使用数据库中的信息进行指纹比对。 

　　2 硬件结构 

　　根据系统功能的要求，其硬件主要由五个部分构成：微控制器模块、带触摸屏的液晶显示模块、指纹识别模块、网络接口模块、串行接口模块等。其电路构成如图l所示。 

　　2．1 ARM9微控制器模块
　　微控制器模块包括s3c2440微控制器H1、64MB同步DRAM、64MB的Nand nash ROM、2MB的Nornash ROM、基本的震荡电路和复位电路等。s3c2440微控制器功能强大，使用的是 ARM920T内核，具有16KB指令cache和16KB数据cache、存储器管理单元和外存控制器、LCD控制器、触摸屏控制器、3通道的uART接口等功能和外设。SDRAM选用2片32MB的HY57V561620，构成32位的存储器，接系统总线，其片选信号用nGcs6管理。Nand nash选用1片64MB的K9F1208，与S3C2440的Nand nash接口信号相连。Nor nash选用l片2MB的39VFl60l，接系统总线，片选信号接S3C2440的nGCSO引脚。 

　　2．2液晶显示模块
　　S3c2440的LCD控制器，可以控制4K色STN或16M色TFT液晶显示模块，本设计试验用的是3．5英寸的彩色液晶显示模块。S3C2440有专门的LcD控制器和接口信号，其信号主要是数据信号和视频控制信号，与液晶模块有一一对应关系。触摸屏控制器接口只有4个信号，控制测量触摸点x和y方向坐标的电压，电路连接比较简单。 

　　2．3指纹采集与识别模块
　　指纹识别模块使用的是广州迈科技术公司的“Mc—E指纹模块””3，该模块使用DsP作为处理器，采用先进的商业指纹识别算法，识别速度快，1：500比对需时不足1秒，识别率高达99．99999％。“Mc—E指纹模块”接口方便，使用标准的uART协议，rI’I'L电平。在系统中，MC—E与S3C2440的uARTl口的Rxdl、Txdl相连，应用程序通过uARTl口发送指纹操作命令和传送数据，控制Mc—E执行各种操作。 

　　2．4网络接口模块
　　网络接口使用的是高速以太网接口芯片“DM9000”，该芯片遵循IEEE的802．3以太网传输协议，自适应10M／100M网络速度；内部带有16K字节sRAM用作接收发送的FIFO缓存；支持8／16／32 bit三种工作模式；10ns I／O读写速度。“DM9000”与微控制器的接口比较简单，数据信号sDO～SDl5、读／写控制信号10R和IOw与s3C2440的相应信号相连接，片选信号、中断请求信号INT、数据／地址选择信号CMD分别接S3c2440的nGcs4、EINl7、ADDR2引脚。将DM9000作为一存储器，通过读／写操作进行网络数据收／发。 

　　2．5串行接口模块
　　为了使系统与PC机连接下载数据和调试系统，将s3c2440的uART0口接TTL—Rs232转换芯片MAX232。UARTl口接指纹识别模块。
另外，用s3c2440的GPB5一GPB8引脚接4个LED，用于显示指示。用定时器O的输出引脚TOUT0接一蜂鸣器，用于发声控制。 

　　3 软件设计 

　　该“嵌入式考场指纹识别系统”运行在Linux操作系统之上，使用嵌入式数据库SQLite做信息管理，使用嵌入式可视化编程软件Qt编写应用程序，在S3C2440微控制器上实现了图形界面的指纹采集、指纹识别、网络数据传输，以及与Pc机数据交换等功能。 

　　3．1数据库设计
　　sQLite是一款轻型的嵌入式数据库管理系统。sQ“te只需要几百KB内存，虽然小巧但却支持高达2TB的数据记录；支持Windows、Linux、Unix等操作系统；能够与多种程序语言相结合，如PHP、Java等，支持sQL语句；有ODBC接口等功能。sQLite在处理速度上，比Mysql、PostgresQL等著名数据库都快。
　　可视化编程软件Qt¨o中集成了用户访问各种数据库的模块Qtsql，Qtsql模块具有与各种数据库连接的功能，还有使用sQL语句操作各种数据库的QSQuery类。在Qt中创建SQLite数据库的过程为：首先使用连接函数QsqlDatabase：：addDatabase(“QsQLITE”)建立Qt与sQLite的连接，然后使用创建数据库函数QsqlDatabase．setDatabaseName(“DatabaseName”)创建sQLite数据库，之后就可以使用sQL操作函数QSqlQuery．open()打开数据库，使用函数QsqlQuery．exec()创建表、添加记录和数据等操作，操作之后使用函数QsqlQuery．close()关闭数据库。
　　在“嵌入式考场指纹识别系统”的数据库中，建立了两个数表，一个是“Collect”，用于采集指纹，另一个是“Ident”，用于识别指纹，其字段分别为“姓名、性别、年龄、身份证号、照片、指纹、状态”和“姓名、性别、年龄、身份证号、准考证号、考场、照片、指纹、各个科目状态”。实际上这两个数表并不是在嵌入式系统创建的，而是在Pc机上创建并分发过来的。
　　关于系统数据库的容量，每条记录5KB(包括照片)，系统nash ROM能用空间按30MB计，系统数据库至少可以容纳5000人的信息，对于较大的考点也足够用了。 

　　3．2指纹采集与识别程序设计
　　“MC—E指纹模块”为用户应用开发提供了良好的接口，编程和应用都比较方便。在设计的系统中，主要使用的是指纹采集、指纹特征值下载、指纹比对等操作。
这些命令、应答信息和指纹特征值，都是通过ARM微控制器的串行口传递的，为确保指纹信息的可靠性，每个指纹需要采集三次，正确采集后，将指纹写到对应考生的记录中。
指纹采集开始——采集计数器0-I——采集指纹——应答为正确？——数据信号转化——读指纹特征值并写进数据库发出欢快声音——指纹采集技术。
对于指纹特征值下载，是将数据库中各个考生的指纹，下载到指纹识别模块中，每次可下载一个或多个考场的考生指纹，便于提高识别速度，其操作过程较简单，不再赘述。 

　　3．3网络数据传输程序设计
　　在设计的系统中，与Pc机中的数据文件交换，都是通过FTP服务传输的。在windows或Linux操作系统下，利用FTP的“get”和“put”命令，能够方便地实现从联网计算机中获取文件和发送文件，但是必须在Qt可视化应用程序中实现这些命令操作，不能让用户再回到Linux操作系统的命令行下进行操作。Qt中提供了操作Linux命令和运行脚本文件以及其它应用程序的“system()”函数。在设计的程序中，将文件上传和获取的FTP操作写成了脚本文件“ftpget．sh”，通过函数“8ystem(“／my／ftpget．sh”)”运行脚本文件“ftpget．sh”，实现了嵌入式系统与Pc机的数据文件交换。至于液晶触摸屏模块、网络接口模块、uART等模块的驱动，均由Linux操作系统来完成。