基于指紋識(shí)別技術(shù)的校園數(shù)字化信息管理系統(tǒng)

馮子衡，楊守良，廖長(zhǎng)榮，鄧 于

(重慶文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，重慶 永川 402160)

隨著學(xué)校信息化建設(shè)的推進(jìn)，數(shù)字化信息管理技術(shù)在教學(xué)、管理中的作用越來(lái)越大.市場(chǎng)上應(yīng)用較普遍的一種校園數(shù)字化信息管理系統(tǒng)是借助于IC卡進(jìn)行個(gè)人身份識(shí)別，并借助于有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.IC卡存在易丟失、易被盜、易消磁、易被折斷、制造消耗資源等弊端;有線網(wǎng)絡(luò)存在組建、運(yùn)行、維護(hù)成本高，組網(wǎng)不靈活，改線、布線困難等缺陷.

指紋識(shí)別技術(shù)和無(wú)線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network)的興起可以有效解決上述系統(tǒng)存在的缺陷.指紋識(shí)別技術(shù)屬于模式識(shí)別的范疇，具有掃描速度快、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn);無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是對(duì)有線局域網(wǎng)的一種補(bǔ)充和擴(kuò)展，被廣泛應(yīng)用于各種移動(dòng)通訊領(lǐng)域，通信范圍不受環(huán)境條件的限制，傳輸范圍寬，相對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)具有部署靈活、寬帶寬、延展性強(qiáng)、組建、容易配置和維護(hù)等特點(diǎn)［1］.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于指紋識(shí)別技術(shù)的校園數(shù)字化信息管理系統(tǒng)主要由中心管理系統(tǒng)(Central Management System)、管理子系統(tǒng)和智能終端組成;中心管理系統(tǒng)及管理子系統(tǒng)安裝在計(jì)算機(jī)服務(wù)器中.管理子系統(tǒng)包括學(xué)生、教職工管理子系統(tǒng)，圖書(shū)館管理子系統(tǒng)，宿舍管理子系統(tǒng)，電子消費(fèi)、繳費(fèi)管理子系統(tǒng).學(xué)生、教職工管理子系統(tǒng)又包括學(xué)生上課、考試簽到管理終端和教師管理終端等類型.圖書(shū)館管理子系統(tǒng)又包括圖書(shū)借閱管理終端和職員管理終端兩種類型.宿舍管理子系統(tǒng)又包括門(mén)禁管理終端、水電管理終端兩種類型.電子消費(fèi)、繳費(fèi)管理子系統(tǒng)又包括餐廳、食堂消費(fèi)終端，水、電、網(wǎng)繳費(fèi)終端，校園超市消費(fèi)終端、校園理發(fā)店消費(fèi)終端等若干種類型.中心管理系統(tǒng)對(duì)校園內(nèi)的各子系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理和維護(hù)具有管理的最高權(quán)限，智能終端與上層各子系統(tǒng)間通過(guò)Wi-Fi或GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

2 上層管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

上層管理系統(tǒng)由中心管理系統(tǒng)和各管理子系統(tǒng)組成，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶個(gè)人信息進(jìn)行保存更新和管理，其采用Java MVC分層設(shè)計(jì)模型，將PC管理系統(tǒng)GUI、數(shù)據(jù)庫(kù)操作、后臺(tái)邏輯處理、終端通信處理等進(jìn)行分離，從而達(dá)到使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清楚、修改容易、可擴(kuò)展性強(qiáng)等目的.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)與終端間通信采用適用性更廣的Socket網(wǎng)絡(luò)通信，雙方采用商定的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換.系統(tǒng)收到設(shè)備數(shù)據(jù)請(qǐng)求，即進(jìn)行邏輯判斷處理，如果請(qǐng)求合理，就進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，并返回處理結(jié)果.其結(jié)構(gòu)圖如圖2和圖3所示.

圖3 系統(tǒng)內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)中心采用的開(kāi)源免費(fèi)SQL數(shù)據(jù)庫(kù)是多用戶的大型數(shù)據(jù)庫(kù)，允許多個(gè)用戶同時(shí)使用統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)而不會(huì)破壞其完整性，可以保證數(shù)據(jù)的安全.系統(tǒng)對(duì)用戶實(shí)行分級(jí)授權(quán)管理模式，通過(guò)檢查使用者的授權(quán)權(quán)限，賦予其相應(yīng)的操作權(quán).防火墻功能及完善的數(shù)據(jù)備份功能可以防備系統(tǒng)受到人為的惡意攻擊，并可在系統(tǒng)硬件故障時(shí)，在新的硬件系統(tǒng)上數(shù)據(jù)無(wú)丟失地重啟系統(tǒng).

3 智能終端的設(shè)計(jì)

智能終端結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由微處理器模塊、指紋識(shí)別模塊、HMI觸控彩屏模塊、Flash存儲(chǔ)器模塊、無(wú)線Wi-Fi或透明傳輸GPRS模塊和電源模塊組成.

圖4 智能終端結(jié)構(gòu)

指紋識(shí)別模塊用于對(duì)用戶指紋特征的采集與處理，觸控彩屏用于信息顯示與觸控操作，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器用于數(shù)據(jù)緩存與斷點(diǎn)保存，Wi-Fi或GPRS模塊主要是實(shí)現(xiàn)智能終端與上位機(jī)間的無(wú)線通信.

3.1 硬件設(shè)計(jì)

微處理器采用 STM32f103vet6單片機(jī)，STM32f103vet6作為無(wú)線片上系統(tǒng)(SoC)，硬件資源豐富，內(nèi)含ARM 32位的Cortex-M3 CPU，豐富的I/O外設(shè)接口，最高工作頻率達(dá)72 MHz.內(nèi)置了3個(gè)同步/異步收發(fā)器(USART1、USART2和USART3)、2個(gè)通用異步收發(fā)器(USART4和USART5)、2個(gè)IIC總線接口和3個(gè)SPI接口.

USART接口提供異步通信，支持紅外傳輸編解碼、多處理器通信模式、單線半雙工通信模式和LIN主/從功能.USART1接口通信速率可達(dá)4.5 Mbps，其他也可達(dá)2.25 Mbps.USART1、USART2和 USART3接口具有硬件的 CTS和RTS信號(hào)管理與兼容ISO7816的智能卡模式和類SPI通信模式，除了 USART5，其他都可使用DMA操作.IIC總線接口能工作于多主從模式，并支持標(biāo)準(zhǔn)和快速模式，內(nèi)置了CRC發(fā)生器/和校驗(yàn)器，可以使用DMA操作，并支持SMBus總線和PMBus總線.其SPI接口在從或主模式下，全雙工和半雙工的通信速率可達(dá)18 Mbps，3位的預(yù)分頻器可產(chǎn)生8種主模式頻率，可配置每幀8位或16位.硬件的CRC產(chǎn)生/校驗(yàn)支持基本的SD卡和MMC模式.所有的SPI接口都可以使用DMA 操作［2］.

指紋采集模塊采用SM-621指紋采集模塊.該系列指紋采集模塊采用光學(xué)指紋傳感器，由高性能DSP處理器和Flash等芯片構(gòu)成，具有指紋圖像處理、模板提取、模板存儲(chǔ)等功能.指紋圖像讀取過(guò)程中，采用自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)機(jī)制，使干濕手都有較好的成像質(zhì)量，其優(yōu)異的算法對(duì)變形和質(zhì)量差的指紋均有較好的校錯(cuò)和容錯(cuò)性能，使用人群廣泛;指紋錄入時(shí)間小于250 ms，認(rèn)假率小于0.001﹪，拒真率小于1.5﹪，適用于從低端到高端的所有指紋系統(tǒng).電路接線如圖5所示，為了提高芯片輸入信號(hào)的噪音容量并增強(qiáng)其抗干擾能力，采用上拉電阻的方式，分別將其第2(TXD)、3(RXD)腳通過(guò)10 K上拉電阻R3、R4接引腳VCC.

圖5 指紋識(shí)別模塊

無(wú)線Wi-Fi模塊采用USR—Wi-Fi232—2系列的RS232/RS485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊，通過(guò)該模塊實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別智能終端與各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊.USR—Wi-Fi232—2系列的 RS232/RS485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊是用來(lái)將TCP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包或UDP數(shù)據(jù)包與RS232或RS485接口數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)透明傳輸?shù)脑O(shè)備.它內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，用戶利用它可以輕松完成嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)功能，將原有串口設(shè)備升級(jí)成網(wǎng)絡(luò)功能.串口服務(wù)器集成10/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，串口通信最高波特率高達(dá)230.4 Kbps，具有TCP Server，TCP Client，UDP以及UDP server工作模式.

電路接線如圖6所示.第1腳(VCC)接+5 V直流電壓，第4腳(GND)接 G1.USR—Wi-Fi232—2系列的RS232/RS485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊的第2腳(TXD-232)、第3腳(RXD-232)分別接9針串口的第2腳(PC_RX)、3腳(PC_TX).

圖6 無(wú)線Wi-Fi模塊

3.2 軟件設(shè)計(jì)

智能終端采用基于ARM 32位的Cortex-M3 CPU的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、源碼開(kāi)源、向上兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，完成的主要功能包括用戶指紋特征提取、數(shù)據(jù)封包、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)運(yùn)算和傳輸?shù)?

智能終端第一次上電時(shí)，執(zhí)行冷啟動(dòng)(Cold Boot).之后系統(tǒng)初始化，加載Flash中的程序，然后智能終端應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧進(jìn)行無(wú)線WLAN連接.智能終端聯(lián)網(wǎng)成功后，應(yīng)用程序連接配置服務(wù)器，并注冊(cè)本節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息，同時(shí)允許此服務(wù)器向智能終端發(fā)送配置信息.智能終端完成參數(shù)配置后，執(zhí)行用戶程序.為了節(jié)省電能，節(jié)點(diǎn)無(wú)需一直處于活躍狀態(tài)，當(dāng)外部有Alarm觸發(fā)信號(hào)時(shí)，喚醒節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用程序的操作［3］.

智能終端應(yīng)用程序包括初始化程序、主程序和中斷子程序3個(gè)部分.為了提高程序的通用性和較好的移植性，在編程時(shí)采用模塊化編程.主程序主要完成硬件和軟件初始化，開(kāi)啟外部中斷，定時(shí)器中斷.中斷子程序主要用于對(duì)指紋識(shí)別模塊、HIM觸控彩屏模塊和無(wú)線Wi-Fi模塊控制操作.智能終端首先初始化應(yīng)用程序的運(yùn)行環(huán)境，并啟動(dòng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS，完成Cortex-M3內(nèi)核、終端和串口模塊的初始化，在RTOS啟動(dòng)后完成Flsah驅(qū)動(dòng)和定時(shí)器等模塊的初始化，然后應(yīng)用程序啟動(dòng)內(nèi)核.當(dāng)用戶在智能終端上進(jìn)行身份確認(rèn)時(shí)，智能終端中的指紋采集模塊對(duì)用戶的指紋特征進(jìn)行提取，并通過(guò)Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送到各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，進(jìn)行搜索、對(duì)比.如果匹配成功，系統(tǒng)便調(diào)取此人的相關(guān)信息到智能識(shí)別終端，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)操作后，重新輸送回相應(yīng)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中覆蓋掉舊的數(shù)據(jù)信息.整個(gè)系統(tǒng)工作流程如圖7所示.

圖7 系統(tǒng)工作流程

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的一種基于指紋識(shí)別技術(shù)的校園數(shù)字化信息管理系統(tǒng)，不僅能有效解決現(xiàn)行的基于IC卡身份識(shí)別技術(shù)和利用有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男@數(shù)字化信息管理系統(tǒng)存在的缺陷，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)用戶的個(gè)人信息、宿舍門(mén)禁系統(tǒng)管理與權(quán)限控制、圖書(shū)館圖書(shū)借閱、學(xué)生簽到等信息的管理;并能有效解決學(xué)生缺勤、考試作弊的身份識(shí)別等問(wèn)題.本系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、易于管理、組網(wǎng)靈活，系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)成本低，具有推廣應(yīng)用價(jià)值.

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［2］STM32F101xx和STM32F103xx ARM內(nèi)核32位高性能微控制器［EB/OL］.(2007-10-13)［2013-12-10］.http://www.st.com/stonline/products/literature/rm/13902.pdf.

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