指纹识别在电视信号播出机房门禁中的应用

熊 欣

(河南工程学院软件学院，河南 郑州 450053)

保证电视信号的正常连续和稳定播出是对广电网络运行商提出的最基本的服务要求，而播出机房又是整个运营商的核心，为了不让闲杂人随便进入机房，发生误操作而造成重大事故，必须提高机房安保管理［1］。根据指纹学理论原理，两枚指纹匹配点达12个的机率为1%。所以至今仍找不出两个指纹完全相同的人，与传统的钥匙、射频卡以及密码相比，不容易被伪造和假冒［2］。为此，采用分布式C/S架构设计了基于指纹识别的智能门禁系统，只有注册的访客才可以通过门禁，系统对每次访问保存记录，方便管理、安全可靠性高。

1 工作原理与系统设计

指纹识别的工作原理是通过精准的光电成像系统对开启者的指纹图像进行采集，并运用复杂的模式匹配算法，与原注册指纹进行比对，判断开启者身份，合法身份确认后即可输出开锁信号［3］。电视信号播出机房的门禁系统采用分布式C/S架构设计，主要由门禁管理中心、门禁终端、自动门和传输网络等组成，结构如图1所示。

图1 系统结构图

门禁管理中心部署在监控室，实际上是由一台接入局域网的PC机完成的，PC机上安装门禁管理软件用以存储和管理访客资料、指纹信息以及访问日志等信息，同时作为系统的服务端等待分布在各处的门禁客户端发来的连接请求建立TCP/IP网络连接，实现与各门禁终端的数据交互;门禁终端作为系统的客户端是执行单元，主要完成对访客指纹的采集、预处理、特征提取、指纹匹配、控制自动门开关、显示工作状态和呼叫门铃等功能。当访客的指纹与系统中注册的指纹匹配时，通过控制继电器打开或者关闭自动门，并在LCD液晶屏上显示访客身份信息;不匹配时，会显示报错和处理方法等，并将所有执行的操作和状态信息发送至管理中心。当有外来访客时，可以按呼叫门铃让保安室的工作人员手动控制自动门开启，进行登记后再进入［4］。

2 门禁终端硬件构成

智能门禁系统主要由嵌入式处理器LPC2148、指纹识别模块TF－EM－M12、液晶显示屏、呼叫门铃、继电器和电源管理单元等组成。门禁终端硬件构成如图2所示。

图2 门禁终端硬件构成

2.1 嵌入式处理器LPC2148

为了实现系统的低功耗和小体积设计目标，采用了飞利浦公司推出的基于ARM7 TDMI内核的精简指令系统的16/32位高速处理器。其丰富的片上资源能满足本系统的设计需要［5］。

系统采用的都是集成度很高的模块，LPC2148处理器的UART串口与指纹模块TF－EM－M12的串口对接，用以实现指纹的采集、匹配、回传、存储的功能;处理器的SPI接口直接与网络模块ENC28J60的SPI接口对接，用以实现网络控制及数据传输。

2.2 指纹识别模块TF－EM－M12

指纹识别模块TF－EM－M12利用光学CMOS传感器采集指纹图像信息，它的核心是一个集成了先进指纹识别算法的DSP芯片，内部集有指纹特征提取、存储、比对等功能，并提供了RS－232接口供外部控制器控制。识别率高达0.00001 %，采集头分辨力为500DPI，可存储80枚指纹，还可扩展到880枚和1980 枚，比对时间小于1 s，具有1∶N和1∶1这2种比对模式，用户还可分为多级权限管理，多级的安全级别自主设置，便于应用于不同场所。该模块处理速度快、稳定性好，易于集成，适于嵌入指纹锁、指纹门禁机和手持指纹识别设备。

指纹识别模块在门禁终端中作为从设备，由处理器LPC2148通过UART串口发送相应指令对其进行添加指纹、删除指定用户、采集图像、提取特征值上传和匹配等控制。串口的通信速率与处理器LPC2148初始化的一致，设置为19200 bit/s、1个起始位、1个停止位和无校验位模式。

2.3 网络模块ENC28J60

ENC28J60是美国微芯科技公司推出的带有行业标准SPI串行外设接口的以太网控制器，完全符合IEEE 802.3规范，提供了一个内部DMA模块，并采用一系列机制对传入数据包进行限制，为了实现快速数据吞吐还提供了硬件支持的IP校验和计算，具有两个专用的引脚用于连接 LED，进行网络活动状态指示［6］。网络模块ENC28J60与处理器LPC2148的通信通过2个中断引脚和SPI接口实现，数据传输速率高达10 Mbit/s。

3 门禁终端软件设计

门禁终端核心采用的是ARM处理器LPC2148，故软件调试环境采用了ARM处理器集成开发工具ADS1.2，此开发软件功能强大，集成了汇编、C/C++编译器等，其编译效率非常高，还支持JTAG仿真调试和硬件调试，同时，提供了功能强大的系统库。

3.1 门禁终端程序结构

主程序主要通过调用各功能子函数来实现数据收发和控制等。程序流程图3所示。

图3 程序流程

门禁终端上电后，首先进行系统初始化，包括处理器LPC2148异常向量表、堆栈初始化、存储系统初始化和目标板初始化等，还包括对外围网络模块ENC28J60、指纹识别模块TF－EM－M12和LCD显示屏设备的配置，并主动与管理中心建立TCP/IP网络连接，之后进入中断触发等待状态。当有访客触发CMOS传感器时，进入中断程序，获取和处理指纹，再与管理中心系统中注册的指纹进行匹配。如果匹配，会在门禁终端上显示个人信息并打开自动门;如果不匹配，会声音报警提示报错，并在LCD屏上显示原因和处理方法。最后将操作过程通过网络发送到管理中心服务器端备份，结束中断，继续进入等待中断触发状态。

3.2 数据传输

系统中的指纹数据和控制指令都是通过以太网传输的，一般情况下每一数据帧的长度介于64～1518 byte之间，分别依次由目标MAC地址、源MAC地址、类型/长度字段、数据有效负载、可选的填充字段和循环冗余校验字段等字段组成。整个过程比较简单，当需要通过以太网发送数据包时，ENC28J60内的MAC在发送时会自动生成前导符和帧起始定界符到以太网数据包的开头，MAC可根据配置生成填充和CRC字段。处理器LPC2148根据需要生成他帧字段，并写入缓冲存储器，调用数据发送子函数即可实现数据发送。

4 管理中心软件

管理软件以VC++6.0为开发平台，采用Microsoft Access2003为后端数据库，通过以太网实现与各门禁终端通信，具备录入数据、数据查询、历史查询和手动控制门禁开关等功能，其中需要录入的数据有个人资料、指纹信息和访客访问日志信息等［7］。管理中心功能结构如图4所示。

图4 管理中心功能结构

管理软件安装在监控室的计算机上，该计算机与各门禁终端接入组建的局域网，并自动分配IP地址，此时的系统是一个空白的系统，首先需要注册访客的指纹和个人信息，指纹并与个人信息对应存入Access2003数据库中，此时这个指纹就被授权可以开启自动门。当发生异常情况后，想获取在某个时间段内人员的进出时，可以通过历史查询功能，调用访客日志，使电视信号播出机房门禁的管理井井有条。

5 结论

电视信号播出机房门禁系统采用分布式C/S架构设计，实现了门禁的统一管理，利用嵌入式处理器LPC2148设计的门禁终端工作稳定可靠，同时为了简化系统设计，采用了集成指纹识别算法的模块TF－EM－M12，大大减小了系统的复杂度。指纹识别与传统的钥匙、射频卡以及密码相比，大大提高了安全性与方便性，能够提供高效、智能、便捷的授权控制，还可以应用于科研实验室、重要机关和高档公寓等场所。

［1］邓志杰，钱宇.机房安保及环境集中监控系统的设计与实现［J］.电视技术，2004，28(5):80－81.

［2］孙萍，孙伟，张亮.基于指纹识别技术的智能小区门禁系统的设计［J］.电气应用，2009(23):24－26.

［3］刘利，王栋，董惠.用于智能门禁系统的人脸识别技术［J］.电视技术，2010，34(9):113－115.

［4］陈伟元，苏涛.单芯片微小型指纹识别系统设计与实现［J］.计算机工程与应用，2010，46(25):61－63.

［5］吴栋念，唐慧强.基于LPC2148的步进电机调速和测速系统设计［J］.电子设计工程，2010(10):54－56.

［6］缑延军.基于ENC28J60的嵌入式异构网关与Web应用［J］.同济大学学报:自然科学版，2008，36(2):263－267.

［7］蒲东兵，马志强，庞长明.基于DSP的掌纹识别门禁系统设计与实现［J］.东北师大学报:自然科学版，2007，39(4):42－45.