指纹识别在门禁系统中的应用概要.docx
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指纹识别在门禁系统中的应用概要
检测与转换技术
大作业报告
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1.1论文的研究背景及意义
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。
1.1.2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识别技术简介
1.2.1指纹特点
相对于其他生物特征，指纹有以下2个突出优点：
1.稳定性：
一个人从胎儿6个月时指纹完全形成到尸体腐烂，指纹的特征始终没有明显变化。
2.独特性：
至今还找不出两个指纹完全相同的人，即使同卵双胞胎的指纹也是不相同的。
这一特点，为指纹用于身份鉴定提供了客观依据。
1.2.2指纹特征
指纹特征一般分为两类：
总体特征和局部特征。
指纹识别算法最终都归结为在指纹图像上找到并比对指纹的特征。
英国学者E.R.Herry认为，在考虑局部特征的情况下，只要比对13个特征点重合，就可以确认是同一个指纹。
总体特征：
总体特征是指那些用肉眼直接就可以观察到的特征，包括：
纹形、模式区、核心点、三角点和纹数等五种。
1.2.3指纹应用系统简介
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。
1.2.4指纹取像技术及其特点
目前的指纹取像技术按原理可分成两类：
光学取像和非光学取像。
光学取像设备依据的是光的全反射原理。
光线照到压有指纹的玻璃表面，反射光线由CCD去获得，反射光的量依赖于压在玻璃表面指纹的脊和谷的深度和皮肤与玻璃间的油脂和水分。
光线经玻璃射到谷的地方后在玻璃与空气的界面发生全反射，光线被反射到CCD，而射向脊的光线不发生全反射，而是被脊与玻璃的接触面吸收或者漫反射到别的地方，这样就在CCD上形成了指纹的图像。
非光学取像技术目前主要有两类：
半导体传感器取像和超声波扫描取像。
常见的半导体传感器是硅电容传感器，硅电容传感器在半导体金属阵列上能结合大约100000个电容传感器，其外面绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，皮肤组成了电容阵列的另一面指纹纹路深浅导致电容阵列的各个电容电压不同，通过测量各点的电压值可获得灰度指纹图像。
另一种晶体传感器是压感式的，其表面的顶层是具有弹性的压感介质材料，他们依照指纹的外表地形（凸）转化为相应的电子信号。
其它的晶体传感器还有温度感应传感器，它通过感应压在设备上的脊和远离设备的谷温度的不同获得指纹图像。
晶体传感器技术最重要的弱点在于，它们容易受到静电的影响，这使得晶体传感器有时会取不到图像，甚至会被损坏。
超声波扫描被认为是指纹取像技术中非常好的一类。
很象光学扫描的激光，超声波首先扫描指纹的表面，紧接着，接收设备获取了其反射信号，测量它的范围，得到脊的深度。
不像光学扫描，积累在皮肤上的脏物和油脂对超音速获得的图像影响不大，所以这样的图像是实际脊地形（凹凸）的真实反映，应用起来更为方便。
整个提取算法流程如图1.3所示。
各种技术都具有它们各自的优势，也有各自的缺点，指纹取像技术比较如表1.1所示。
比较项目
光学全反时技术
硅晶体电容传感器技术
超声波扫描技术
体积
大
小
中
耐用性
非常耐用
容易损坏
一般
成像能力
干手指差，但汗多的和稍胀的手指成像模糊
干手指好，但汗多的和稍胀的手指不能成像
非常好
耗电
较多
较少
较多
成本
低
低
很高
2指纹门禁系统的总体设计
本系统以手指取代传统的钥匙，使用时只需将手指平放在指纹采集仪的采集窗口上，即可完成开锁任务，操作十分简便，避免了其它门禁系统（传统机械锁、密码锁、识别卡等）有可能被伪造、盗用、遗忘、破译等弊端。
2.1系统功能
1.指纹开门：
用户将手指按到指纹采集器上，指纹识别模块提取指纹特征并与指纹特征库中的指纹进行比对，若指纹合法，门禁系统发出开门指令；若指纹不合法，门禁系统不发出开门指令。
2.录入、删除指纹模板：
录入指纹模扳的功能是管理员将用户的指纹通过指纹采集器采集指纹的特征信息，将指纹特征值和对应的ID号存储到存储器中。
当用户变更时，管理员能够将用户的指纹特征信息从存储器中删除。
3.密码应急开门：
当用户的手指出现异常情况（如手指被划伤），采集器无法采集到正确的指纹特征信息时，或者因电力不足而指纹识别模块无法正常工作时，可用密码来开门。
为保证系安全，密码开门只供管理员使用，管理员可以修改密码。
为了解决因引入密码开门而降低安全性问题，本系统用6位密码。
特别是为防止别人恶意试探密码，当连续三次输入密码错误时，系统禁止输密码，一小时后方可输入密码,从而降低密码被破译的可能。
4.浏览开门记录：
当用户开门成功后，系统自动存储用户的ID号和开门时间（月份、期、小时、分钟）等信息。
如果出现盗窃、丢失等意外情况，管理员可以很方便地查询最近6次的开门记录。
5.中文菜单和实对时钟显示：
系统全部采用中文菜单显示，并能够设置和显示实时时钟，界面友好、直观、便于使用。
6.电源自动切换：
当交流供电停止时，自动切换到电池供电：
交流电恢复后，自动切换到交流供电。
2.2系统硬件结构
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。
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作。
（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。
（5）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。
（6）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。
3.1指纹识别模块OM-20的管脚说明及性能指标
指纹识别模块OM-20主要由指纹采集头和指纹处理板两部分组成，指纹采集头采用光学指纹传感器，指纹处理板由高性能DSP处理器和FLASH等芯片构成。
自带DSP处理器的指纹处理模块根据用户的命令来完成如指纹的录入、删除、比对等一系列的操作，并将指纹特征值加密后存储于处理模块的FLASH中。
指纹识别模块OM-20管脚说明及性能指标分别如表3.1、表3.2所示。
表3.1OM—20管脚说明
引脚
功能说明
1
系统电源5V
2
串口数据发送引脚
3
串口数据接收引脚
4
唤醒引脚
5
GND
3.2指纹识别模块OM-20通讯协议
通讯协议是指纹识别模块OM-20与上位机进行信息交换的一组约定和规则。
参照标准7层通讯网络模型，针对指纹识别模块OM-20与上位机信息交互特点，提炼成4层通信模型，如图4.1所示。
本协议假定物理层与链路层的数据传输可靠。
数据传输的正确性，通过应答包中的校验和反映。
上位机依据模块发来的应答信息，来确认模块接收以及执行指令的情况。
4.1系统抗干扰措施
系统的抗干扰设计是系统设计的重要内容之一，系统工作的可靠性、安全性在很大程度上取决于抗干扰技术，形成干扰的基本要素有三个：
1.干扰源：
指产生干扰的元件、设备或信号，如：
雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。
2.传播路径：
指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介，典型的于扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。
3.敏感器件；指容易被干扰的对象，如：
A/A、D/A变换器、单片机、数字IC等。
4.2抗干扰设计的基本原则
抗干扰设计的基本原则是：
抑制干扰源、切断干扰传播路径和提高敏感器件的抗干扰性能。
1.抑制干扰源：
抑制干扰源就是尽可能的减少产生干扰的元件、设备或信号，这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则。
减小干扰源主要是通过在干扰源两端并联电容或在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。
2.切断干扰传播路径：
按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。
所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰。
高频于扰噪声和有用信号的频带不同，可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声的传播，有时也可加隔离光耦来解决。
所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。
一般的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距离，用地线把它们隔离和在敏感器件上加蔽罩。
3.提高敏感器件的抗干扰性能：
提高敏感器件的抗干扰性能是指尽量减少敏感器件对干扰噪声的拾取，以及从不正常状态尽快恢复的方法。
4.3系统软件抗干扰措施
为提高系统软件可靠性，在系统软件开发过程中，采取了如下可靠性措施。
1．重复设置各种工作方式控制字
单片机在运行过程中，如果受到较强的干扰，系统内各芯片的工作方式控制字极易受到破坏，使各输入/输出口失去原来定义的功能，导致系统不能正常工作，针对这种情况，在循环处理程序中定期地、有条件地对各方式控制单元进行重复的初始化，这样方式控制字一旦被破坏，还可以及时得到修复。
2．采用软件陷阱法
单片机最易受干扰的是内部程序计数器PC的值，在受到强电干扰时，PC的值会改变，使CPU误将程序从正确位置跳到一些无意义的区域内执行，导致程序运行跑飞。
在程序模块间和程序之后增设由若干个空操作指令和１条无条件跳转指令组成的陷阱。
一旦程序跑飞跌落陷阱，便转入相应的失控处理程序，在进行了工作单元的初始化及有关控制字的设定后，跳到正常的循环处理程序中，从而恢复程序的正确流程。
4.4系统硬件抗干扰措施
本指纹门禁系统在印刷电路板设计过程中，从尺寸的选择、元器件的布置、地线布置、电源线布置以及去耦电容的配置等各方面均充分考虑系统可靠性的要求，采取了如下的抗干扰措施：
抑制干扰源
（1）单片机、指纹识别模块等耗能较大芯片的电源端与接地端之间并接0.01μf的独石电容，以减少与电源间的耦合作用。
（2）高频电容的布线，连线靠近电源端并尽量粗短。
（3）地线尽量加粗，系统中地线一般使用30mil（1mil＝0.0254mm），最粗达到了100mil。
（4）布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。
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