便携式指纹识别考勤系统设计与实现

钱莹晶

（怀化学院 物理与信息工程系，湖南 怀化 418008）

目前身份识别系统主要有两个方向的技术支撑，一是基于智能卡和射频识别技术的身份验证系统[1-3]，二是基于生物识别技术的身份验证系统[4]。 前者将用户信息固化在一块集成电路IC 或射频识别卡中，系统虽简单但通用性差、可靠性差、容易出现身份冒认现象[5-6]；指纹识别技术是生物识别技术中的一种，是迄今为止人们最关注、最成熟的生物识别技术[7-8]。

目前， 市面上的基于指纹识别技术的身份认证系统通常采用的是通用计算机或没有考虑功耗的控制器控制。 这样的系统虽然功能全、容量大，但存在成本高、体积和功耗较大等缺陷，因而不适合随身携带，应用场合也受到一定的限制[9]，尤其是在非固定考勤地点和容量不大的场合。 例如，高校学分制下课堂考勤就不能套用目前市面上固定安装的这种指纹考勤机[10]，这是由于对学生的考勤只有与教师上课完全同步才有意义，这就需要考勤终端在教师上课时能在学生中自由有序地移动来采集学生指纹[11-12]。这显然是目前市面上由于功耗问题需要市电供电而固定安装在考勤地点的指纹考勤机所无法解决的技术问题。 所以，以教务考勤系统为例研制一套高效、 智能和可靠的便携式考勤管理系统有着重要的应用价值和一定的工程参考价值。

1 系统设计

系统框图如图1 所示，系统由光学指纹传感器、DSP、单片机、外扩存储器和人机接口等模块组成。 其中光学指纹传感器用于采集指纹信息；DSP 处理器采用TI 公司的TMS320VC5501，通过TFS-9 商用指纹算法在光学指纹传感器录入指纹信息经过图像处理提取特征值， 并能完成指纹比对和搜索等功能； 单片机TM4C123GH6PMI 通过异步串口UART 接口通讯协议控制DSP 完成指纹录入、比对、上传或接收特征值；用户的信息可以通过键盘录入同时通过液晶显示器OLED12864 显示。 需要说明的是为了适应便携式使用， 系统进行模块选型时最为重要的就是选择低功耗器件。 这里单片机采用德州仪器的32 位超低功耗微处理器TM4C123GH6PMI、液晶采用低功耗液晶OLED12864。

图1 系统框图

2 系统硬件

由图1 的系统框图可以看出， 该系统的硬件组成很简单，其连接也不复杂。 主要涉及到3 部分之间的接口连接。 单片机与DSP 内核的TFS-M51 指纹模块的连接，采用UART 的3 线标准， 用于给指纹模块发送命令和接收指纹模块采集到的用户信息及模块状态； 单片机与液晶采用并行连接，OLED12864 是128×64 行点阵的OLED 单色、 字符、 图形显示模块， 模块内藏64×64 的显示数据RAM，其中每位数据都对应于OLED 屏上一个点的亮、暗状态，其接口电路和操作指令简单，可以采用串行数据接口； 单片机和外扩存储器采用I2C 串行接口， 存储器24C02 用于存储用户考勤结果（注意只是考勤记录而非用户的指纹信息），保证掉电后考勤结果不至于丢失。

3 功能介绍

该考勤系统的主要设计任务是软件设计， 特别是不同功能状态时单片机与DSP 内核指纹模块之间的通信。为了明确软件设计任务， 先对该系统的功能和使用流程进行说明。

3.1 功能说明

该便携式指纹考勤系统主要用于学生上课考勤，其具体功能应该包括以下几项：

3.1.1 指纹录入：输入学号后，对同一个用户连续三次录入指纹一致后方成功， 以此为基础建立任课班级指纹库。

3.1.2 指纹匹配： 正常授课课堂上采集指纹并与指纹模块中的指纹库对照，即学生指纹签到。

3.1.3 考勤统计： 可以统计未进行指纹签到的学生名单，下课后教师可以按键翻阅。

除此3 部分基本功能外，还有清除签到记录、删除指纹库和对错误操作进行程序复位等功能。

3.2 使用说明

该便携式指纹考勤系统设置了16 个按键：10 个数字键用来输入学号；1 个添加用户‘A’键；1 个签到匹配‘B’键；‘C’键重新补签到，补签到需要教师密码；‘D’键删除所有的记录包括指纹库（加有警告提示，此处也可在程序中设置密码）；‘*’键查看未到的用户。

4 软件设计

正如上文所述， 此系统的主要软件工作是单片机和DSP 内核的指纹模块间的数据交换。 这部分软件设计与通信方式和通信协议密切相关。

4.1 通信方式

DSP 模块作为从设备， 由主设备单片机发送相关命令对其进行控制。 其命令接口波特率为19200bps，1 起始位，1 停止位，无校验位。

主设备发送的命令及DSP 模块的应答按数据长度可分为2 类， 最为简单和常用的是固定8 个字节的数据格式。 具体数据格式如下：

表1 通信格式

其 中，CMD 为 命 令/应 答 类 型；P1、P2、P3 为 命 令 参数；Q1、Q2、Q3 为应答参数；CHK 为校验和，0xF5 为第2字节到第6 字节的异或值。

4.2 通讯协议

4.2.1 使模块进入休眠状态（命令/应答均为8 字节）

命令数据格式如下：

表2 休眠模式格式字

4.2.2 设置/读取指纹添加模式（命令/应答均为8 字节）

指纹添加分两种模式： 允许重复模式和禁止重复模式。 在”禁止重复模式”下，同一枚手指只能添加一个用户，若强行进行第二轮添加将返回错误信息。 上电后系统处于禁止重复模式。

表3 设置指纹添加模式格式字

4.2.3 添加指纹（命令/应答均为8 字节）

为确保有效性， 用户必须录入3 次指纹， 主机须向DSP 模块发送3 次命令。 此处以第一次录入为例，其余2次只需将下表的第三列上数字改为相应的录入次数值。

表4 添加指纹格式字

4.2.4 删除指定用户（命令/应答均为8 字节）

表5 删除模式格式字

4.2.5 采集图像并提取特征值上传（命令为8 字节/应答＞8 字节）

表6 采集、上传格式字

应答数据包如下：

表7 应答模式格式字

说明：特征值数据长度Len-3 恒为193 字节。

4.3. 软件设计

在上述通信方式和协议下可以进行如下软件设计。软件设计包括主程序和部分功能子程序， 其中比较重要的功能子程序包括添加用户功能程序、 删除用户功能程序和签到匹配功能程序。

4.3.1 主程序设计

如图2 所示系统主程序流程图中， 系统在上电之后先进行串口、液晶和24C02 存储器的初始化。 然后进行按键扫描，根据按键扫描情况设置状态机安排任务调度。 若检测到A 键被按下，则进行新用户录入操作；若检测到B键被按下，则进行匹配签到操作；若检测到C 键被按下，则进行补签到操作；若检测到D 键被按下，则进行删除；若检测到*键被按下，则进行查看未签到学生操作；若检测到数字键被按下，则记录数字并显示。

图2 主程序流程图

4.3.2 添加用户功能程序设计

图3 添加用户子程序流程图

为了保证登记入指纹库的学生用户指纹信息有效可靠，需要连续录入3 次，并保证3 次录入的学生指纹特征值一致。 合法的指纹特征值作为模板保持在指纹库中，正常上课考勤时录入的学生指纹将以此指纹库中的指纹模板为对照对象。

4.3.3 删除用户子程序设计

删除用户指纹可以是对所有用户， 也可以指定某个用户。 下面以删除所有用户信息为例说明如何删除指纹信息。

图4 删除用户子程序流程图

4.3.4 签到匹配子程序设计

该功能程序在B 健被按下时启动。当B 健被按下时，单片机给DSP 指纹模块发送0x0C 命令（进行1：N 比对）。如比对匹配成功， 可以从指纹模块返回的状态字中读出匹配的学生用户号， 然后在主设备单片机端将用户号和学生学号映射，并在显示器上显示。

图5 签到匹配子程序流程图

5 结论

本文以教务考勤系统为例， 介绍了一套基于指纹识别技术的便携式考勤管理系统的设计与实现。 该系统为适应便携式设备低功耗的需要， 硬件上以超低功耗单片机TM4C123GH6PMI 为控制器、以兼容LTTL 电平和支持待机模式的TFS-M51 为指纹模块、 以低功耗液晶OLED12864 为显示器， 软件上在系统无激活时采用低功耗待机模式。 该系统具有指纹录入、删除、对比检测和翻阅未签到学生名单等功能。 测试结果表明： 该系统可在2000mAh 容量电池供电情况下正常工作10 小时，实现容量为800 人的考勤，可以满足便携式考勤的需要。

图6 实物典型界面图

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