嵌入式施工升降机安全监控系统的设计

糜元根　程欣欣　季鹏南京工业大学电子与信息工程学院



嵌入式施工升降机安全监控系统的设计

糜元根程欣欣季鹏
南京工业大学电子与信息工程学院

摘要：针对施工升降机在安全监控方面存在的问题，设计了具有污损指纹识别功能的嵌入式安全监控系统，该系统以STM32F103处理器作为主处理芯片，配以LCD显示、输出控制和FPS200指纹传感器组成基本的硬件结构，在此基础上简要的介绍了该系统的处理流程，分析了利用模糊区域分割法对污损指纹进行处理的方法，成功实现了施工升降机的安全监控的功能。

关键字：嵌入式系统 安全监控 污损指纹识别 STM32F103 指纹传感器

在建筑的施工场所，由于现有的施工升降机中缺乏一种可以用于对其进行安全监控的设备，常常出现由于非授权人员操作施工升降机而造成人员伤亡的情况，近几年武汉、常州等地区就发生过在施工过程中由于施工升降机突然发生故障而造成施工人员伤亡的事故，因此寻找一种合适的、可靠的能够用于对施工升降机进行安全监控的方法已成为必要；而指纹由于具有终身不变性、唯一性、不可丢失性等特点，已成为目前最安全、最经济、最可靠的用于安全监控的方法之一。综合上述情况，本文设计了一套基于指纹识别的嵌入式施工升降机安全 监控系统，同时考虑到施工场所是一个极易造成指纹污损的地方，容易出现指纹无法被识别的情况，因此本文分析了利用模糊区域分割法对污损指纹进行处理的方法，以提高该系统的性能，通过把该方法应用到指纹识别的过程中，本文完成了应用于施工升降机中的具有污损指纹识别功能的嵌入式安全监控系统的设计，实现了对施工升降机的安全监控。

1　系统硬件设计

1.1系统硬件构成

系统硬件主要包括：指纹采集模块、指纹数据存储模块（SRAM）、指纹程序存储模块（FLASH）、 串口模块、指纹图像算法处理模块（STM32F103）、结果显示模块、按键模块、电源模块、输出控制模 块（施工升降机工作控制模块）等。系统的工作原理为：系统上电以后进行各部分 的初始化，接着通过功能按键选择指纹识别这一功 能，然后通过指纹传感器FPS200采集施工人员的指纹，指纹采集完成后FPS200通过并口和STM32F103进行通信，将采集到的指纹数据送给STM32F103进行处理，最后把处理的结果在工业串口屏上显示出来。如果指纹匹配成功，则施工升降机开始工作，施工人员可以正常操作施工升降机；如果匹配失败，施工升降机无法工作，不允许此人对施工升降机进行操作，因此达到了防止非授权人员操作施工升降机的目的，避免了由于非授权人员操作施工升降机而造成的人员伤亡。

1.2系统硬件综述及主要模块介绍

本文采用基于ARM CorexM3内核的STM32F10 3增强型系列芯片作为主控制器，该芯片具有256kB的 FLASH，48kB的RAM，并且片上集成12位A/D、D/A 、USB等资源，在嵌入式系统方面有着广泛的应用。 指纹数据存储模块（SRAM）是用于存储采集到的指纹数据，由于主控芯片STM32F103内部RAM 容量不能满足存储和处理图像数据的要求，所以采用外扩 SRAM来存储指纹数据；指纹程序存储模块（FLASH）用于存放设计的程序和指纹特征数据模板；串口模块实现和主机的通信；按键模块用于实现系统功能的选择；结果显示模块用于对指纹识别结果的显示；指纹采集模块用于对指纹的采集，输出控制模块用于控制施工升降机的工作。

1.2.1指纹采集模块

FPS200指纹传感器是一种固态指纹传感器，其内含19个功能寄存器，分辨率为500DPI，内置8位模数转换器，并具有两组采样保持电路，在运行时可以处于低于200mW的低功耗状态，本文中的FPS200指纹传感器采用VSPA80封装，与STM32主处理器进行并口方式通信，而且FPS200有自动指纹检测功能，当手指按在传感器上并达到一定的时间，FPS200开始采集指纹并将采集到的指纹数据传送给主控制器 STM32进行处理。

1.2.2结果显示及施工升降机电源控制模块

结果显示模块采用的是工业串口显示屏，其采用标准的232串口模式与STM32进行与通信，分辨率为480*272DPI，支持24位的BMP格式图片和任何大小和字体的中英文字库，颜色显示

16位（64K） 色，图库存储容量不限，内置RTC实时时钟，带有触摸屏操作界面，而且包含按钮、进度条和文本编辑框等多种控件。施工升降机的工作控制模块，也即安全监控系 统的输出控制模块，采用继电器来控制施工升降机电源的导通与截止，当指纹匹配成功时，施工升降机电源导通并开始工作，反之当指纹匹配失败时就无法导通电源，施工升降机无法工作。

2　系统软件设计

2.1施工升降机安全监控系统程序设计

施工升降机安全监控系统程序设计的关键是实现STM32F103 与FPS200之间的并口通信协议，系统上电后，系统时钟模块、串口模块、FPS200指纹采集 模块、结果显示模块和按键模块依次进行初始化，初始化完成后通过功能按键对系统的工作模式进行选择（指纹存储模式或是指纹识别模式），这时只要FPS200指纹采集器检测到手指，则进行指纹采集，如果选择的是指纹存储模式，FPS200采集到指纹后就保存到FLASH中作为指纹模板；如果选择的是指纹识别模式，FPS200采集到指纹后就存储到到SRAM中，然后进行指纹的特征点提取、匹配等相关处理，最后把识别结果在工业串口屏上显示出来，并根据识别结果来控制施工升降机的工作，如果匹配成功，则施工升降机开始工作，否则施工升降机无法被操作。

2.2指纹图像模糊区域分割算法

在指纹处理过程中用到的模糊区域标记法可以去除指纹污损的部分，因此当系统检测到采集的指纹中含有污损部分的时候，就会把污损的部分去除，这样在后续的指纹匹配过程中，就不需要再对污损的指纹部分进行匹配，这样就较好的避免了识别错误和无法识别情况的发生，同时提高了指纹的识别速度。对于指纹图像这样特殊的处理对象，在局部邻域上，脊谷交替出现，有明显的方向性，并且这种方向在小范围内变化缓慢，区域的模糊性（不清晰）主要表现在局部邻域不具有明显的方向性，由此就可以将图像的模糊区域分割出来。而在该算法中最主要的部分就是求出分割图像模糊部分的阈值。首先计算图像的模糊度量因子，本文采用的是 用原始图像与8个9×9的掩码算子M1，M2，...，M8作卷积 得到S1，S2，...，S8，Si在指纹图像清晰区域表现出各向异 性，而在指纹模糊区域表现出各向同性。则Si的方 差在一定程度上表现了局部区域的模糊程度，因此 对原始图像中每一点（x，y）处的模糊程度度量因子。

在得到了指纹图像的每个像素点模糊程度的度量，并且确定指纹图像的整体质量复合要求之 后，再对该度量值进行线性变换和作直方图均衡，最后对该模糊程度的度量取一个门限。本文采用最大类间方差法求门限，记清晰区与模糊区的分割阈值为thres，清晰部分灰度均值为m1，像素数占整个图像比例为w1；模糊部分灰度均值为m2，像素数占整个图像比例为w2，最大类间方差为g，则其表达式为式（3）。当thres从0取到255时，会存在一个值使g的值达到最大，本文就是选定使得g为最大值时thres的值作为模糊区域标记的阈值，即模糊区域分割的门限为thres。

3　实验结果

模糊区域标记方法的适应范围是有一定的限制的，只有当指纹图像的整体质量E达到要求时，系统才对该指纹图像进行处理，否则系统拒绝对该指纹图像进行处理。首先在VC环境下进行模拟仿真，得到的仿真结果。

通过对比，可以看出通过本文的方法分割出了指纹图像的模糊区域，同时保留了指纹图像中三角点和端点，算法效果较好，同时实验证明如果没有对模糊区域进行分割，而是直接对该污损指纹进行处理，就会影响指纹识别系统的识别速度和识别率，有时甚至会造成无法识别的情况。通过采集50 个人的指纹进行实验（其中含有污损指纹），发现没有进行模糊处理的指纹其识别率只有76%，而经过模糊处理的指纹，其识别率高达92%，同时其拒绝率和错判率有所下降。

最后把该算法移植到施工升降机的安全监控系统中进行验证，当待识别的指纹的整体图像质量E符合要求，并且在指纹模板中可以找到与之相匹配的指纹，显示屏显示“成功”字样，反之则显示“失败”，实验结果证明该系统运作良好，并且实现了对污损指纹的有效识别，达到了预期的效果。

4　结束语

本文以STM32F103处理器作为主处理芯片， FPS200指纹传感器用于指纹的采集，电源控制部分用于控制施工升降机的工作，设计了基于污损指纹识别的嵌入式施工升降机的安全监控系统，另外本文对污损指纹采用了模糊区域分割的算法，为后续的处理提供了良好的指纹图像，从而提高了系统识别的准确性，使该系统可以高效的完成指纹的识别，实验证明该系统的总体性能达到要求，可以用于对施工升降机进行安全监控。但是当施工人员的指纹模糊区域较大时，即指纹的整体图像质量E较小时，该系统就无法较好的对指纹进行识别，所以该施工升降机安全监控系统仍需要进一步的改进。

参考文献

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