指纹识别技术门禁系统的设计与应用

蔡成炜，范海健，刘必洋

(1.苏州工业职业技术学院电子系，江苏 苏州 215104;2.苏州市职业大学电子信息工程系，江苏 苏州 215104;3.盐城市广播电视台，江苏 盐城 224005)

目前广电播电视台的开放式经营导致进入电视塔的人员复杂，而由于媒体在政治上的特殊性，对进入大楼的人员须经过严格登记管理，然而这样会导致工作效率低下。所以在保证安全管理的前提下，提高工作效率显得尤为重要，本文就此背景下设计出一套手纹识别认证系统，此系统不但提高了工作人员的工作效率，还大大减少了门卫管理人员的工作量。

1 系统整体设计方案

整个课题主要分成两大部分，即指纹门禁终端设计和PC机终端数据管理软件设计，为了避免传统的PC机的串口与指纹识别设备直接相接带来的复杂布线以及传输不可靠性等缺点，本系统数据传输方式采取的是目前流行的ZigBee无线通信技术。考虑到电视台的实际情况，比如管理终端PC机不可能每天24 h一直开机，或者出现故障等情况，设计时要求每个部门的指纹门禁终端必须可以独立完成指纹的预处理、特征提取、指纹比对等功能，然后将最新的存储数据适时上传给PC机，进行统一管理登记［1－5］。下面就笔者负责设计的实验室指纹门禁终端作重点介绍，系统设计框图如图1所示。

图1 实验室的指纹门禁终端设计框图

2 指纹门禁终端硬件电路设计

2.1 指纹模块与单片机接口电路

本设计采用单片机的串口1与TFS－M12指纹模块通信，该模块是以TI公司TMS320VC5501高速DSP处理器为核心，结合商用指纹算法的光学指纹传感器，具有指纹录入、图像处理、特征值提取、模板生成、模板储存、指纹比对和搜索等功能的智能型模块。单片机作为上位机，而指纹模块作为下位机，单片机发送命令给指纹模块，指纹模块响应命令后进行命令处理，将处理结果再传给单片机，单片机根据响应的处理结果控制语音模块和液晶显示模块。此外，此单片机内部集成了10 bit高速ADC。本设计通过间隔时间对电池电压进行检测，在电池电量不足、最低输入电压时，开始进行声音和指示灯报警，提醒用户及时更换电池，防止电池电量不足时，导致指纹门禁失灵。具体控制电路如图2所示。

图2 单片机控制电路

2.2 液晶屏显示电路

液晶屏显示电路如图3所示，显示部分采用是48行84列的Nokia 5110 LCD液晶屏显示，用以显示系统的操作界面菜单。用软件编程使单片机的P0.4口产生1 Mbit/s振荡信号作为液晶屏的时钟信号接SLK脚，用P0.0口作为液晶屏的使能控制端接SCE脚，低电平有效。用P0.1口接液晶屏的RST脚，用于初始化液晶屏，低电平有效。数据的传输采取的是串口方式，单片机通过编程使P0.3口模拟成一个串口接液晶屏的DN脚，用来发送需要显示数据和地址，而用P0.2口接接液晶屏的DC脚来选择所接收过来的内容到底是数据还是地址。在系统工作过程中，考虑到节能，用单片机的P0.5接开关管Q3接液晶屏的BL脚来控制其背光的开关，还可以通过PWM调制背光亮度。

图3 液晶屏显示电路

2.3 MP3语音接口电路

为了让系统具有更好的实用性，在系统中加入了MP3语言模块，用来提示操作结果及报警功能。该模块采取的核心芯片是AU6850B(芯片集成USB Host接口、SD接口、MP3解码电路)可直接读取SD卡中的语音文件，与单片机采取串口通信模式，有利于程序的调试。整个项目的设计方案中，单片机的串口为两个，一个用于指纹模块的通信，另一个用于本MP3模块电路，接口电路如图4所示。

图4 MP3语音模块接口电路

从图中可以看出，MP3模块的串口脚为15脚(RXD)、16脚(TXD)，用来接单片机的第二个串口脚P1.2(TXD2)、P1.3(RXD2)，串口命令为单字节指令。SD卡中录入开机的提示音乐、指纹提示音、删除指纹提示音等，并对每一个提示音进行数字编号，根据单片机与指纹模块的通信信息来发出不同的提示音，MP3模块根据单片机传送过来的编码播放不同的音乐。需要注意的是，语音文件时根据目录在存储卡上拷贝的先后顺序而定的，所以拷贝文件时，要注意拷贝文件的先后顺序与文件的编码一定要对应起来，否则会出现混乱。另外，串口除了发送语音的编号外，还用来发送语音音量编码，用来调节音量大小，模块的17脚和18脚是双声道输出端，由于驱动能力有限，不能直接接喇叭，本设计使用NE5532运放做了一个放大电路为双声道立体声模式，如图5所示，图中P2接口的23接通，运放B取输入两路信号进行放大，当12接通时，运放B取第一个运放的输出信号进行反向为BTL模式。

图5 语音信号放大电路

3 软件设计

3.1 TFS－M12 指纹模块通信格式

TFS－M12指纹模块作为从设备，由主设备发送相关命令对其进行控制。命令接口设定为比特率19200 bit/s，主设备发送的命令及指纹模块的应答按数据长度等于8 byte来设计，数据格式如表1所示，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，Q3多用于返回操作的有效性信息，CHK为校验和，为第2个字节到第6个字节的异或值。

表1 8 byte的数据格式

3.2 单片机软件设计

单片机的通信比特率采用的是19200 bit/s，通信方式采取的是查询方式获得数据，系统上电后，自动进入指纹搜索状态，将来访者得指纹与库里的指纹进行比对。系统流程图如图6所示。

图6 系统流程图

4 小结

经测试，本系统有着指纹采集和比对时间非常短(一般小于0.5 s)、指纹误识率小于1/107、整体性能稳定、制作成本低等优点，所以本系统能够应用于电视台门禁安全管理，同时具有较高的推广应用价值。

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