基于指纹识别的实验室门禁系统的设计

鞍山师范学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＡｎｓｈａｎ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　２０１７・０８，１９（４）：６４—６７　基于指纹识别的实验室门禁系统的设计　常志强，王本有，杨劲楠　（皖西学院电子与信息工程学院，安徽六安２３７０１２）　摘要为了更好地服务于实验室管理，设计并实现了一个基于ＳＴＭ３２的实验室门禁系统．系统采用了指　纹识别技术，由ＳＴＭ３２控制器、指纹传感器ＡＥＳ２５１０、ＳＤ卡、声光报警模块、继电器、电磁锁、电源模块、　ＬＣＤ显示模块等组成，能够实现指纹录入、指纹识别、控制门开关、发声报警等功能．　关键词指纹识别；ＳＴＭ３２；门禁系统　ＴＰ３９１．４１　文献标识码Ａ　文章篇号１００８．２４４１（２０１７）０４．００６４．４　０中图分类号２０１４年，李克强总理提出“大众创业、万众创新”，许多高校开设了创新创业课，国内创新创业热情　日益高涨．创新创业对我国经济转型至关重要，但是创新人才的培养才是根本…１．对于理工科学校来说，　创业课程大多需要在实验室进行，为了满足学生的需求，实验室要达到近乎全天候的开放，但是实验室　管理人员因工作时间固定，无法做到随叫随到，因而实验室的管理成了棘手的问题．　笔者设计了一套门禁系统，可以控制特定对象进出实验室．门禁系统中最重要的部分是对人身份的　识别，目前比较成熟的识别技术有Ｉｃ卡、ＲＦＩＤ射频卡、指纹识别、人脸识别、虹膜识别等．Ｉｃ卡、ＲＦＩＤ射　频卡等都是通过卡片来识别身份，技术比较成熟，但是有安全性不够、容易被其他人冒用、卡片易磨损等　缺点；人脸识别、虹膜技术等是比较成熟的生物技术，安全性比较高，但具有识别技术难度高、硬件成本　高等缺点；指纹识别技术比较成熟、安全性比较高、技术难度低、硬件成本适中，故本系统采用指纹识别　技术来进行身份验证．　本课题就是基于上述问题，通过指纹采集技术来管理实验室人员的进出．首先，将被允许进入实验　室学生的指纹存人系统指纹库；然后，学生通过系统的指纹匹配之后，系统控制电磁锁完成开门，允许学　生进入实验室．该系统实现了学生自由进出实验室的需求，实现了实验室的正常开放，减少了实验室管　理人员的工作量．　１系统体系结构　系统主要由控制器ＳＴＭ３２最小系统、指纹传感器ＡＥＳ２５１０、　ＳＤ卡、声光报警模块、继电器、电磁锁、电源模块、ＬＣＤ显示模块等　组成，系统框图如图１所示．该系统主要功能有：　（１）能够完成指纹采集，对允许进入实验室的学生的指纹进　行存储，以备学生申请进入时进行指纹匹配．　（２）当学生需要进入时进行指纹比对，如果指纹匹配成功，学　生被准许进入实验室，显示屏上会出现“ＸＸＸ，欢迎进入！”等　收稿日期２Ｏｌ７一ｏ６—１２　艇求楼敞　推ｓ０　　髭沲掇辫警　　模块　ｌ　ｌ｝旨躐终憋嚣　图１系统硬件框图　基金项目基于ＺｉｇＢｅｅ的温室大棚温湿度检测系统的设计与实现（ＷＸＺＱ１４２０）；基于５１单片机的自动测控ＬＥＤ节能照明系统　（００６０４０２１６０５１）．　作者简介常志强（１９８６－），男，河南周口人，皖西学院电子与信息工程学院助教．　第４期　常志强，等：基于指纹识别的实验室门禁系统的设计　６５　语句，并通过控制电磁锁打开房间，让学生进入；如果指纹区配不成功会通过显示屏提示“您好，您没有　进入实验室的权限，您不能进入！”等语句，并通过声光报警电路发声、发光使其离开．　（３）设置管理员身份和普通用户身份，如果需要指纹采集时，必须先进行管理员指纹的识别，识别　后系统会提示是否会进行指纹采集ｌ　ｌ１．　控制器选择了意法半导体公司设计的ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴＩ￣６芯片，有６４ＫＢ　ＳＲＡＭ、５１２ＫＢ　ｆｌａｓｈ，功耗　低，成本低，外设接口多．ＡｕｔｈｅｎＴｅｃ公司设计生产的ＡＥＳ２５１０指纹传感器能够在手指不干净、有水渍等　极端条件下成功识别；芯片采取的射频技术，可以识别活体组织层的图像，可以防止有人通过假冒手指　印等方式获取进入实验室的机会【２，３１．声光报警电路由ＬＥＤ电路和有源蜂鸣器等组成，如果识别不成　功时，通过ＬＥＤ灯闪烁、蜂鸣器发声来警示外来人员离开．ＬＣＤ屏采用４．３寸ＴＦＴＬＣＤ屏，ｓＤ卡可以用　来存储获准进人实验室同学的指纹信息，电源电路提供１０　Ｖ电压给电磁锁和３．３　Ｖ电压供控制器等其　它电路．　２系统软件设计　如图２所示，系统分为系统初始化、指纹采集、指纹识别等　（　塑）　主　系统韦Ｕ始化子摆序　——＿ｒ一　流程，系统软件部分由系统初始化、指纹采集、指纹识别、指纹　注册、ＬＣＤ显示等子程序构成．　２．１　系统初始化子程序设计　指纹议　子程序　二＝　二　Ｎ　指纹处理予稷序　首先进行系统初始化，包括ＬＣＤ显示屏、指纹传感器、声　一有权限避～　光报警模块等多个系统模块的初始化．ＬＣＤ显示屏初始化主要　是对显示字体的颜色、大小、起始位置、时钟频率等进行设置，　指纹传感器模块初始化主要是先进行复位操作，通过设定寄存　器的数值来完成设置传感器的工作模式，而声光报警模块的初　始化主要是对连接该模块的Ｉ／Ｏ进行初始化．　２．２指纹采集的原理与实现　ＬＣ１）魏示予程序　开门　系统初始化之后，进行指纹采集．当有手指接触传感器的　时候，传感器就开始进行工作，当手指离开传感器时，指纹采集　工作结束．指纹传感器采集指纹的原理是通过射频信号，在手指　Ｏ艘示予程殍　指纹凸凹处会产生快慢不同的放电信号，并且传感器有１９２ｘ１６　个像素点，这样的话每个像素点会由于接触到不同的凸凹位置　而产生不同的电压值，电压值通过传感器内部电路处理成数字　信号，保存在内部寄存器里面．当指纹传感器完成了指纹采集　以后，系统会将其存储到ＳＤ卡，以备后续的指纹识别等环节　使用．　２．３指纹识别的原理与实现　结束　图２系统软件流程图　指纹识别包含图像分割等多个环节ｌ　４Ｉ，具体内容如图３所示．　图像分割可以去除无效区域，突出有效区域，提高指纹特征识别　的精确度，减少识别的时间．由于指纹图像中指纹线与背景区域对比　度较明显，图像分割多采用图像的灰度统计，目前多采用求取指纹灰　度方差的分割算法．　为了更快捷地完成图像分割，本文在求取指纹灰度的基础上，加　入了梯度（指纹的灰度变化情况）作为第二个特征信息，二维图像　，（　，Ｙ）的梯度为：　图３指纹识别流程示意图　鞍山师范学院学报　第ｌ９卷　Ｇ　＝　＝　ｉ＋１，　）一　ｉ√）；　（１）　Ｇ　＝　＝，（ｉ＋１，　）一，（　，　）；　ｄ　（２）　梯度的幅值　（　）：￣／　（ｉ，　）＋Ｇｙ（ｉ√）．　（３）　为了更好地进行指纹存储和匹配等后续环节，要对指纹进行归一化处理，用同一个标准对所有指纹　进行处理，使它们具有相同的灰度均值和方差值．　均值和方差：　Ｍｅａｎ　川　），　（４）　㈨，　）一Ｍｅａｎ］　・　（５）　然后对灰度图像进行归一化处理，Ｍｅａｎ和Ｖａｒ分别表示期望的灰度均值和方差，在此Ｍｅａｎ和Ｖａｒ　均取值１５０．对分割后的图像进行灰度值计算，公式如下［５］：　当，（ｉ，　）＞Ｍｅａｎ，　Ｍｅａｎ＋￣／Ｖａｒ＊［Ｉ（ｉ，ｊ）－Ｍｅａｎ］２．，　Ｖａｒ＊［Ｉ（ｉ，ｊ）－Ｍｅａｎ］２（６）　（７）　当，（ｉ，　）＜＿．Ｍｅａｎ，　Ｍｅａｎ—．　图像增强，是为了增加对比度，减少噪声，使图像更接近指纹的原始图像，便于后续的操作．目前较　常用的是Ｇａｂｏｒ滤波方法，市场上多采用小波变换和Ｇａｂｏｒ滤波的指纹增强算法，既能够去掉噪声，又　可以改进指纹脊线的清晰度，达到良好的效果，本文中也采用此种方法来进行指纹图像的增强　６．　Ｇａｂｏｒ滤波器是一种带通滤波器，具有很好的选择效果，它在空间域的表现形式如下：　Ｇ　ｘｐ（－　［　＋　…ｓ（２ｗｆｘ），　㈦　其中，　＝ｘｓｉｎＯ＋ｙｃｏｓ０；ｙ　＝ＸｃｏｓＯ—ｙｓｉｎ０．　经过前面的操作之后，再把前面处理后的灰度图像进行二值化处理，灰度图像黑色的部分灰度值全　部标记为０，其它部分全部标注为２５５．二值化的方法有两种：灰度阈值分割法和智慧二值化领域分析　法＿６．６＿本文的设备处理能力有限，所以采用前者．经过二值化处理以后，数据量会大大减少，便于后面的　数据存储和处理．　二值化后的图像，直接来提取图像特征还是过于复杂，因此为了便于处理，可以将图像进行单像素　处理，来提取指纹的脊线走向，算法有很多种，串行细化算法、并行细化算法和混合算法［７１．混合算法是　前两种的结合，效果是最好的，本文采用此种算法．　经过二值化处理等几个步骤后，就到了指纹识别最重要的环节，对指纹进行特征提取，指纹的特征　有全局特征和局部特征，在指纹识别中比较关键的就是选出指纹的局部特征，如纹路的起始点和终止　点、分叉点等［　．提取特征的方法很多，算法也很多，本文采用基于脊线跟踪的特征提取方法，速度快，　效果好．　２．４　ＬＣＤ显示子程序的原理与实现　本课题采用位置、类型和方向等参数来描述局部特征，先寻找指纹的中心点，然后再设定一个极坐　标，接下来要找出特征点相对于中心点的位置，及所形成的角度．这样的话就得到一组数值．然后和ｓＤ　卡里面存储的数据进行比对，就可以判断是否有进入实验室的权限．如果有进入实验室的权限，就通过　继电器控制电池锁，完成开门功能，并在ＬＣＤ屏上显示“ＸＸＸ，欢迎进入！”等语句，否则显示屏提示“您　第４期　常志强，等：基于指纹识别的实验室门禁系统的设计　６７　好，您没有进入实验室的权限，您不能进入！”语句．　２．５指纹注册的原理与实现　当进人者为管理员，系统会询问是否加入新来的实验室成员，如果要加入，则进行新的指纹扫描，然　后存储到ｓＤ卡里面．这样既保证系统的安全，又保证了实验室的专人管理，做到责任到人．　经过试用，系统指纹识别率为９８％，能够正常地完成指纹录入、指纹识别，准许实验室成员进入．当　有未被允许进入实验室的人员申请进入时，系统会提示禁止进入，并进行声光报警．　３结论　本文设计并实现了一个基于ＳＴＭ３２的门禁系统．通过指纹识别技术，对申请进入实验室的人员进　行指纹鉴定，完成对实验室的正常开放，这样既可以完成对实验室的基本安全保障，又可以减轻实验室　管理人员的工作量．　参考文献　［１］吴彦文，常志强．模块化综合实验平台设计与研究［Ｊ］．实验室研究与探索，２０１３，３２（７）：１８９－１９１．　［２］马云霞，李见为．基于ＡＥＳ２５１０的指纹采集系统的设计与实现［Ｊ］．传感器与微系统，２００７，２６（２０）：９９－１００　［３］李华洋．基于单片机的客车防火报警系统［Ｊ］．南阳师范学院学报，２０１４，１３（１２）：３７－３８．　［４］杨磊，张文超．基于ＳＴＭ３２的指纹识别系统设计与实现［Ｊ］．机电工程，２０１１，２８（１２）：１５３１—１５３５．　［５］白洁．门禁系统中自动指纹识别技术的研究［Ｄ］．武汉：武汉理工大学硕士论文，２００９．　［６］李永平．基于指纹识别的机房管理系统的研究与开发［Ｄ］．长沙：湖南大学硕士论文，２０１１．　［７］孙国良．基于软件复用的指纹识别系统二次开发［Ｄ］．长春：吉林大学硕士论文，２００９．　Ｄｅｓｉｇｎｏｆ　ａ　ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ａｃｃｅｓｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ　ＣＨＡＮＧ　Ｚｈｉｑｉａｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｂｅｎｙｏｕ，ＹＡＮＧ　Ｊｉｎｎａｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｅｓｔ　Ａｎｈｕｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｕ’ａｎ　Ａｎｈｕｉ　２３７０１２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｂｅｔｔｅｒ　ｆａｃｉｌｉｔａｔｅ　ｔｈｅ　ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ａｎ　ａｃｃｅｓｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＳＴＭ３２　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｎｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｗｈｉｃｈ　ｕｓｅｄ　ｔｈｅ　ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ　ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃｏｎｓｉｓｔｅｄ　ｏｆ　ＳＴＭ３２　ｃｏｎｔｒｏｌ—　ｌｅｒ，ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ　ｓｅｎｓｏｒ　ＡＥＳ２５　１０，ＳＤ　ｃａｒｄ，ｓｏｕｎｄ　ａｎｄ　ｌｉｇｈｔ　ａｌａｒｍ　ｍｏｄｕｌｅ，ｒｅｌａｙ，ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｌｏｃｋｓ，ｐｏｗｅｒ　ｍｏｄｕｌｅｓ，ＬＣＤ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｍｏｄｕｌｅｓ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ　ｅｎｔｙ，ｆｒｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ，ｄｏｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｗｉｔｃｈ，ａｕｄｉｂｌｅ　ａｌａｒｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ　ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ＳＴＭ３２；ａｃｃｅｓｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　（责任编辑：张冬冬）