指纹识别门禁系统的设计全解

　　1.概述

　　随着科学技术的不断进步，人们对现代化办公和生活场所提出了更高层次的安全管理需求，普通的门锁系统和手工出入管理已经不符合现代人的实际需求。由于安防业的智能化和网络化，为顺应智能楼宇、智能小区的发展，门禁系统也必须实现更可靠、更安全和更方便的智能系统。现代门禁系统综合利用了传感技术、数字信息处理、计算机技术、多媒体技术和网络技术，以实现门禁系统信息的采集、传输和处理。

　　目前智能门禁管理系统已广泛用于工厂、学校、写字楼宇、物业小区、商店、金融系统、电信系统、军事系统、宾馆等多种场合，大大提高了整体的工作效率、保障了系统安全，智能、安全和高效的现代化门禁系统已经成为社会发展的必然趋势，同时它也是现代化建筑 的一个重要组成部分。

　　传统的机械钥匙、用户ID+密码以及智能卡等的保护措施存在着丢失、遗忘、复制以及被盗用的隐患，在这种情况下，最新发展的生物识别技术为上述方法的不足提供了一个很好的解决方案。由于指纹识别具有唯一性、不变性和贴身性的特点，成为了众多生物识别技术中备受青睐的一个。且随着生物识别技术和计算机技术的飞速发展，指纹识别算法已达到迅速、准确和可靠的水平，已越来越多的应用在现代智能门禁系统的前端信息采集部分。

　　目前使用较多的是指纹单机门禁系统，其采集、处理和识别都在一个控制系统中完成，只适用于小系统和安装位臵集中的单位，且通信线路专用，安装好后不易于更换管理中心的位臵。在大系统和安装位臵分散的单位，单机门禁系统必然耗费较大且效率不高。因此有必要采用TCP/IP的网络型门禁控制系统，实现网络控制和远程控制。

　　系统采用指纹采集作为门禁系统的前端部分，由于指纹识别具有唯一性、不变性和贴身性的特点，使它成为一种安全有效的身份验证方法。另外，系统采用基于TCP/IP协议的网络型门禁控制器是通过局域网传递数据的，管理中心随时可以变更，不需要重新布线，很容易实现网络控制和远程控制，并且指纹的处理和识别可以在运算速度更快的管理中心实现，这样控制器功能简单，而且多个控制器可以连接到一个服务器，提高了门禁系统控制和管理的效率。

　　1.1国内外研究现状和发展

　　据考古学家证实，公元前7000年-6000年，指纹作为身份鉴别的工具已经在叙利亚和中国开始应用。但是由于缺乏专门性研究，未能将指纹识别技术上升为一门科学。20世纪早期，指纹识别正式成为身份识别的方法并被法律部门用作身份鉴定的依据，并开始在世界范围内建立指纹识别机构和罪犯指纹档案。指纹识别的有关技术，包括指纹采集技术、指纹分类技术和指纹匹配技术都得到了较快发展。例如美国联邦调查局在1924年库存样本指纹就达到了81万枚。20世纪80年代，个人电脑、光学扫描等技术革新使得他们作为指纹取像的工具成为现实，从而使指纹识别可以在其他领域中得以应用。随着取像设备的引入及其飞速发展，生物指纹识别技术的逐渐成熟，可靠的比对算法的发现都为指纹识别技术提供了更广阔的舞台。目前，利用计算机进行指纹识别的技术在国外已很成熟，并且已经开始大规模广。

　　智能安防的日益流行对于楼宇管理自动化和安全监控提出了更高的安全性和可靠性要求，基于指纹识别的智能门禁管理系统应用得越来越广泛，在一些发达国家已得到普遍的应用。面对规模已经越来越大的门禁控制系统，普通的单机门禁系统已经不适合，比如智能小区、景点门禁系统等。因此必须要开发进行远距离传输的TCP/IP的网络型门禁控制系统，由于网络型门禁控制系统很容易实现远程控制和分布式管理，还可以方便日后扩容和维护，日益变得重要。

　　1.2 本文的研究内容

　　论文的研究内容分为指纹识别的算法研究和ARM门禁控制器硬件实现两个部分。在以往算法的研究基础上，利用指纹图像灰度梯度和方差的结合对指纹分割方法进行改进，仿真实验证明本文中的改进算法鲁棒性好。论文在以ARMS3C2410为核心和嵌入式操作系统Linux的基础上，设计开发了基于指纹识别的以太网门禁控制系统。

　　本文具体内容主要有以下几个方面：

　　(1)系统整体方案概述和设计：根据系统功能要求，设计指纹识别以太网门禁系统，重点阐述了其中关键模块的硬件设计。

　　(2)指纹识别算法的理论分析和仿真：研究了指纹识别算法，主要包括指纹图像预处理以及指纹图像的特征提取和匹配两部分。

　　(3)系统软件总体设计：阐述了门禁控制系统软件的总体设计，然后对各模块进行应用编程，主要包括视频采集、指纹采集以及TCP/IP网络应用编程。

　　(4)最后，对全文进行了总结，并对指纹识别以太网指纹门禁控制系统的未来发展趋势做出展望。

　　2.1系统硬件设计

　　2.1.1系统概述及设计原则

　　门禁管理系统是新型现代化的安全管理系统，主要用于管理重要部门出入口，是实现安全防范管理的有效措施，适用于各种重要部门，如企业、政府、银行、宾馆、金融贸易楼和综合办公楼等。

　　门禁系统一般分为独立型和联网型，联网型门禁系统通讯方式常见的有RS232、RS485、CAN和TCP/IP，采用TCP/IP通讯方式的联网型门禁系统简称为TCP/IP网络门禁系统。相对其它通讯方式，基于TCP/IP网络通信的门禁系统通过局域网传递数据，更容易实现远程控制和分布式管理。

　　从门禁锁的控制方式来看，主要有钥匙、密码、磁卡、IC卡等。随着现代生活对安防水平要求的提高，从目前已有的门禁锁具的控制方式来看，存在着一定的安全隐患，钥匙、密码和磁卡容易复制、窃取;IC卡的安全性较高，但也容易丢失。因此，现在人们心目中的门禁锁具必须具有方便、安全，美观等特点。随着计算机技术的飞速发展，基于人体生理特征的身份识别系统逐渐被人们开始采用，目前，从实用角度看，指纹识别技术要比其它生物识别技术更安全和方便。

　　基于指纹识别的TCP/IP网络门禁系统方案设计的前提是满足用户的各种需求，利用系统强大的功能以及良好的性价比，让用户得到最好的服务和最大的利益。方案的设计原则：实用性、稳定性、安全性、可扩展性和易维护性。

　　2.1.2 系统组成及功能

　　一般RS485门禁控制器只支持128台或者256台设备联网，而TCP/IP门禁控制器理论上可以支持无限多台门禁设备。所以TCP/IP网络型门禁控制器是最适合大型大面积的门禁系统联网的。例如供电部门的变电站门禁的联网管理、银行储蓄所的门禁管理等都适合这种模式。互联网的门禁系统结构如图2-1所示。

　　图2-1互联网的门禁系统结构图

　　基于指纹识别的TCP/IP门禁系统方案基本组成：

　　(1)管理中心：一台连接到门禁控制器或网络的PC机，通过局域网或广域网与其它门禁控制器或PC机连接，实现门禁控制器采集信息的处理和分析，并发送控制指令，以及对相应的软件管理。

　　(2)门禁管理软件：管理工作站通过管理软件远程监控服务器和各门禁控制器的工作状态，实现各种管理功能。

　　(3)门禁控制器：用于前端信息的采集、传输和处理，并控制门禁的电控锁和门铃，执行处理器下达的开门、报警、启动门铃等指令以及提供通信多机连接端口等。

　　(4)电子门锁：门禁系统的执行机构和关键设备，用于对物理通道的控制。

　　(5)电力设备：采用直流电源作为整个门禁系统的运行电源和门锁电源(一般采用内部电源)。

　　(6)联动设备：可与门禁控制器所有输入、输出节点进行联动，实现防盗报警、消防报警等大型系统的联动，一般在门禁管理软件中对联动设备进行相关的编程设臵。

　　(7)通讯设备：包括交换机设备、路由器和MODEM等，实现设备的网络连接。

　　指纹识别门禁系统的主要功能特点：

　　(1)采用高效的指纹识别模块，可使指纹直接开锁，使用方便快捷，具有很高的安全性。

　　(2)应用ARM处理器和Linux操作系统，可以很好的保证门禁系统独立连续工图2-1互联网的门禁系统结构图

　　(3)系统采用指纹与密码的结合，可以根据实际需要设臵多种认证模式，支持多用户，多组别组合开门，具有良好的灵活性。

　　(4)系统配以科学化管理软件，可以实现门禁系统的科学化管理。

　　(5)应用TCP/IP以太网模块，可以方便实现网络控制和远程控制。

　　(6)系统采用分级管理，分为管理者和用户，采用逐级权限管理，将用户的指纹采集并存储在中央管理主机上，根据用户的开门权限，将用户指纹下传至相应的子门禁系统中。

　　(7)系统有视频监控和报警等一些相应的辅助功能，提高系统的安全性。

　　本文基于ARM9(S3C24lO)设计和实现了一种指纹识别的网络型门禁控制器。采用指纹识别器为前端信息的采集，用以太网控制器实现门禁控制器与上位PC机间的通信，并利用LCD来实时显示状态，并可以提供一些其它的辅助功能，如语音提示、报警和摄像监控等。 指纹型网络门禁控制系统框架如图2-2所示。

　　2.2 嵌入式主控模块设计

　　2.2.1 ARM微处理器与地址空间映射

　　本系统选择了韩国三星公司的高性能ARM9微处理器芯片S3C241O作为主处理器，S3C2410芯片是基于ARM920T内核，五级流水线和哈佛结构，内核工作电压为1.8V，输入输出电压为3.3V，具有180MHZ/200MIPS性能，是高性能和低功耗的硬宏单元。ARM920T内核具有全性能的MMU、指令和数据Cache以及高速AMBA总线接口。

　　S3C2410内部结构比较复杂，可提供很多可扩展的功能模块，主要有MMU虚拟内存管理单元，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通道具备PWM功能的定时器，I/O口，具有日历功能的RTC(实时时钟)，8通道10bit精度ADC和触摸屏控制器，IIC总线接口，IIS数字音频总线接口，两个USB2.0全速主设备及一个从设备，SD/MMC卡控制器，2通道SPI及内臵lQ/100M的网络接口等。

　　2.2.2 NAND FLASH单元

　　Flash是一种可在系统(In-System)进行电擦写、掉电后信息不丢失的存储器。它的高集成度和低成本使它成为市场主流。Flash芯片具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程(烧写)、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用。作为一种非易失性存储器，Flash在系统中通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。常用的Flash为8位或16位的数据宽度，编程电压为单3.3V。

　　Flash技术根据不同的应用场合也分为不同的发展方向，有擅长存储代码的NOR Flash和擅长存储数据的NAND Flash。同时，S3C2410内部集成了NAND Flash控制器，为了支持系统从NAND Flash中启动，S3C24lO内部有一块被称为垫脚石(Steppingstone)的SRAM缓存。如果选择从NAND Flash中启动，在启动时S3C2410会自动的将NAND Flash存储器中最前面的4KB数据拷贝到S3C24lO内部的SRAM中并自动执行。如果这4KB存放的是启动代码，那么启动代码就可以从S3C241O内部的SRAM中执行，启动代码初始化系统和外部SDRAM后将存储在NAND Flash中的操作系统和应用程序拷贝到外部SDRAM中，这时整个系统就可以启动了。

　　在本系统中，采用的是三星公司的K9F5608U芯片，其电路原理图如图2-3所示。

　　图2-3 NAND FLASH原理图

　　2.2.3 SDRAM单元

　　SDRAM具有容量大、存取速度快、成本低的特点，得到了广泛的应用。与Flash存储器相比，SDRAM不具有掉电保持数据的特性，但存取速度高于Flash存储器，且具有读/写属性，因此SDRAM在系统中主要用作程序的运行空间、数据以及堆栈区，是系统启动之后进行存取操作的存储器。

　　S3C2410在片内具有独立的SDRAM刷新控制逻辑，可方便地与SDRAM连接。同时，由于S3C24lO片内的存储空间不大，大量的数据都要通过SDRAM暂时存放和交换，即动态存储区。系统启动时，CPU首先从起始地址读取启动代码进行系统初始化，在完成系统初始化后，程序代码一般调入SDRAM中运行以提高系统的运行速度。SDRAM存储单元犹如一个电容，总是倾向于放电，为避免数据丢失，必须定时充电刷新。

　　图2-4 SDRAM 外围接口

　　2.2.4 USB及USB摄像头单元

　　USB(Universal Serial Bus)即通用串行总线，是现在非常流行的一种快速、双向、廉价、可以进行热插拔的接口。随着嵌入式技术的快速发展，USB的应用已经逐渐从PC机扩展到了嵌入式技术中，并且发挥着重要的作用。USB设备之所以会被大量应用，主要具有以下优点：

　　(1)可以热插拔，使用方便。

　　(2)系统总线供电，并可提供5V/500mA电源，具有独立供电特点。

　　(3)支持设备众多，支持多种设备类，例如鼠标，键盘，摄像头等。

　　(4)连接灵活，可以连接多个设备，最多可扩127个，连接的方式也非常灵活，既可以使用串行连接，也可以使用集线器Hub把多个设备连接在一起再与PC的USB口相连。

　　(5)速度快，支持高速数据传输，USBl.1是12Mb/s，USB2.0高达480Mb/s S3C2410带有两个USB主设备控制器和一个USB从设备控制器，这样可以方便USB设备的使用。在设计开发一个USB外设的时候，主要需要编写三部分的程序：固件程序、USB驱动程序和客户应用程序。USB的电路连接图如图2-5 所示。

　　图2-5 USB电路连接图

　　USB接口的设备可以方便应用到嵌入式系统中，具有USB接口的优盘因为存储容量大，价格低，在嵌入式系统中一般可以用来存储数据。在门禁控制器中，可以用来存储初始化的资料数据也可以存储采集到的重要数据，方便用户的保存和修改。另外，本系统中应用到的视频监控就用到了USB接口的摄像头。

　　2.3 界面显示接口模块设计

　　LCD(Liquid Crystal Display)称为液晶。LCD显示器的基本工作原理是通过给不同的液晶单元供电，控制其光线的通过与否，从而达到显示的目的。因此，LCD的驱动控制器是对每个液晶单元的通电的控制。液晶工作时使用的是外部的光线，其光线照明方式有两种：传送式和反射式。由于液晶自己本身并不发光，所以与CRT相比，液晶显示器的耗电量较低。

　　本系统选用传送式背光(CCFL)彩色STN液晶屏，LCD的控制器使用S3C2410的内部集成的控制器。系统选用5.7寸、320×240像素、256色的彩色LCD屏。其可提供4/8/12/16位颜色模式，电源操作范围宽(2.7v-5.5V)，低功耗设计可满足系统省电的要求。 为了保证LCD正常工作，一定要保证硬件正确连接，S3C2410与STN-LCD屏的关键电路连接如2-6图所示。

　　图2-6 S3C2410与LCD连接图

　　(1)S3C2410上液晶数据线VD[19:23]、VD[10:15]、VD[3:7]分别对应R、G、B的三色信息。一个R、G、B共16bits的组合代表了一个像素的信息。