基于生物識(shí)別技術(shù)的高校實(shí)驗(yàn)室考勤管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 海，梁 群

（1.南寧學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530200；2.南寧師范大學(xué)，廣西 南寧 530000）

0 引言

隨著各高校招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)于學(xué)生的日常管理難度也有所增加，當(dāng)代的大學(xué)生思想獨(dú)立，擁有自己的想法，傳統(tǒng)的考勤管理制度存在的問題較多，例如考勤結(jié)果不能及時(shí)反饋、考勤數(shù)據(jù)的真實(shí)性無法檢測(cè)等，已經(jīng)無法滿足當(dāng)前的管理需求[1?3]。為了能夠?qū)Ω咝W(xué)生的實(shí)驗(yàn)室考勤實(shí)施全面管理，需要采取新的方案與措施，彌補(bǔ)傳統(tǒng)考勤管理過程中的缺陷。伴隨著信息領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，生物識(shí)別技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其主要是將計(jì)算機(jī)技術(shù)與光學(xué)技術(shù)等高新科技手段相結(jié)合，利用生物傳感器提取人體的生理特征，并利用其特征完成身份鑒定[4?6]。將生物識(shí)別技術(shù)應(yīng)用到高校實(shí)驗(yàn)室的考勤管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，完善原有的考勤管理系統(tǒng)，根據(jù)所獲取的數(shù)據(jù)庫信息，統(tǒng)計(jì)學(xué)生的出勤情況，實(shí)現(xiàn)高校實(shí)驗(yàn)室考勤管理自動(dòng)化。

1 高校實(shí)驗(yàn)室考勤管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高校實(shí)驗(yàn)室考勤管理系統(tǒng)的硬件部分需要以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為設(shè)計(jì)前提，并保證該系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，能夠便于后續(xù)的維修與升級(jí)，其具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

圖1 中，在原有硬件的基礎(chǔ)上，增加人機(jī)交互模塊，并選取合適的單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片，集片內(nèi)振蕩器與時(shí)鐘電路于一體，提供可重復(fù)使用的大容量閃存，并利用內(nèi)部RAM 存儲(chǔ)所采集到的考勤數(shù)據(jù)信息。

1.2 異步串口擴(kuò)展芯片

由于圖1 當(dāng)中的單片機(jī)只有一個(gè)串行口，但無線傳輸與指紋識(shí)別模塊都需要通過串行接口相連接，為此需要擴(kuò)展串行接口模塊。選用GM8125 型號(hào)串口擴(kuò)展芯片，該芯片與單片機(jī)的接口電路如圖2 所示。

圖2 串口擴(kuò)展芯片與單片機(jī)接口電路

該芯片將全雙工的標(biāo)準(zhǔn)串口擴(kuò)展成3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口，并將各自串口的波特率統(tǒng)一調(diào)整，采用單通道模式，簡化初始步驟，利用地址線控制工作串口，選擇多通道模式，既能夠在保證其與標(biāo)準(zhǔn)串口通信格式兼容的前提下，使子串口的波特率[7?9]達(dá)到38400 b/s，也能夠滿足實(shí)驗(yàn)室考勤系統(tǒng)的工作需求。在完成系統(tǒng)硬件部分的優(yōu)化設(shè)計(jì)后，利用生物識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)高校實(shí)驗(yàn)室考勤管理系統(tǒng)軟件。

2 基于生物識(shí)別技術(shù)的高校實(shí)驗(yàn)室考勤管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 指紋圖像特征提取

若想要利用生物識(shí)別技術(shù)判斷學(xué)生身份，并完成實(shí)驗(yàn)室考勤管理的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，首先需要提取學(xué)生的指紋圖像特征，身份識(shí)別結(jié)果是否準(zhǔn)確主要是由特征點(diǎn)的定位決定的[10?12]。圖像采集是生物識(shí)別的第一步，也是最為關(guān)鍵的一步，為了實(shí)現(xiàn)圖像特征的提取以及模式的匹配，必須使信息采集的過程嚴(yán)謹(jǐn)，以保證采集結(jié)果的有效性，將所采集到的圖像任意一點(diǎn)的像素值設(shè)置為1，則有：

式中：h(o,k)表示圖像處理后在(o,k)點(diǎn)的灰度值；f(o,k)表示原圖像在該點(diǎn)的灰度值。

將原始圖像通過Gabor 濾波器實(shí)現(xiàn)指紋增強(qiáng)，得到濾波后的指紋圖像，并獲取各自的紋線結(jié)構(gòu)，提取指紋圖像方向信息，將該信息運(yùn)用到濾波后的圖像集中：

式中：αa表示沿a軸的高斯包絡(luò)常數(shù)；αb表示沿b軸的高斯包絡(luò)常數(shù)；i0表示正弦曲線波形沿a軸的頻率。

根據(jù)上述計(jì)算，獲取到Gabor 濾波器的調(diào)制轉(zhuǎn)換函數(shù)為：

在完成上述計(jì)算后，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，在指紋信息采集過程中，極有可能受到隨機(jī)因素的影響。為避免這一情況發(fā)生，將指紋圖像均衡化處理，增強(qiáng)圖像對(duì)比度，完成降噪處理。

2.2 考勤管理用戶權(quán)限設(shè)定

在通過上述操作，提取到指紋圖像特征后，設(shè)置考勤管理用戶的相關(guān)權(quán)限。將高校教師權(quán)限設(shè)定為日常管理權(quán)，高校學(xué)生權(quán)限設(shè)定為考勤記錄權(quán)。利用計(jì)算機(jī)程序，將用戶權(quán)限按照校級(jí)、院級(jí)劃分，其部分關(guān)鍵代碼如下：

具體的考勤管理權(quán)限設(shè)定界面如圖3 所示。

圖3 考勤管理權(quán)限界面

圖3 中，考勤管理權(quán)限的設(shè)定是為了方便考勤數(shù)據(jù)的導(dǎo)出與管理，將所采集到的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，管理員通過用戶身份認(rèn)證，獲取到考勤指紋，并與初始設(shè)置當(dāng)中的指紋相對(duì)比，確認(rèn)學(xué)生身份。將該學(xué)生的考勤信息記錄到檔案當(dāng)中，為日后的期末成績?cè)u(píng)判提供參考依據(jù)[13?15]。至此，完成基于生物識(shí)別技術(shù)的高校實(shí)驗(yàn)室考勤管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的效果，設(shè)計(jì)仿真對(duì)照實(shí)驗(yàn)，測(cè)試系統(tǒng)性能。

3 系統(tǒng)性能測(cè)試

將生物識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于高校實(shí)驗(yàn)室考勤管理系統(tǒng)當(dāng)中后，需要測(cè)試該系統(tǒng)的性能，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過所設(shè)計(jì)系統(tǒng)與原有系統(tǒng)的應(yīng)用效果對(duì)比分析后，得出最終測(cè)試結(jié)果。

3.1 測(cè)試準(zhǔn)備過程

為保證實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，將實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)置在某知名高校的實(shí)驗(yàn)室，并隨機(jī)選取某專業(yè)的20 名學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，除所需驗(yàn)證的對(duì)比變量外，其他實(shí)驗(yàn)變量皆取相同數(shù)值。利用所設(shè)計(jì)的考勤管理系統(tǒng)采集學(xué)生指紋數(shù)據(jù)，得到如圖4 所示的相關(guān)信息。

將所獲取到的數(shù)據(jù)信息輸入至計(jì)算機(jī)程序當(dāng)中，計(jì)算其類間類內(nèi)匹配度值，并與原有系統(tǒng)對(duì)照分析，判斷兩者對(duì)于指紋識(shí)別的效果差異。

3.2 結(jié)果對(duì)照分析

完成上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備后運(yùn)行計(jì)算機(jī)程序，開始實(shí)驗(yàn)?zāi)M過程，并得到如圖5 所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線。

圖5 為所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室考勤管理系統(tǒng)，以及原有系統(tǒng)對(duì)參與實(shí)驗(yàn)的20 名學(xué)生指紋特征識(shí)別程度的模擬結(jié)果曲線。將采集到的指紋數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫當(dāng)中初始數(shù)據(jù)相比配，得到如圖5 所示的結(jié)果曲線。由兩者之間的對(duì)比能夠看出，原有系統(tǒng)的指紋匹配度遠(yuǎn)低于所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的指紋匹配度，且曲線波動(dòng)較大，表明其信息匹配不穩(wěn)定；而所設(shè)計(jì)系統(tǒng)優(yōu)化了這一缺陷，提高了指紋信息的識(shí)別率，提高了系統(tǒng)的匹配程度。

圖4 指紋數(shù)據(jù)采集過程

圖5 測(cè)試對(duì)比結(jié)果

4 結(jié)語

學(xué)生的課堂考勤制度是各個(gè)高校對(duì)學(xué)生管理與成績統(tǒng)計(jì)的重要組成部分，傳統(tǒng)的考勤制度及管理方法有較多的不足，已經(jīng)無法滿足高校的管理需求，針對(duì)這一問題提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法。人類手指紋路具有高度的細(xì)節(jié)和豐富且唯一的紋理，能夠用于身份的認(rèn)證與識(shí)別，將指紋識(shí)別技術(shù)應(yīng)用到高校實(shí)驗(yàn)室考勤管理當(dāng)中，使高校對(duì)于學(xué)生的日常管理更加方便快捷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將生物識(shí)別技術(shù)應(yīng)用到考勤管理系統(tǒng)當(dāng)中，能夠?yàn)楣芾碚咛峁┮欢ǖ谋憷舜窝芯繒r(shí)間緊張，在許多方面仍有不足，且生物識(shí)別技術(shù)的發(fā)展仍有很大空間，今后可以嘗試將其指紋識(shí)別與其他生物識(shí)別技術(shù)相結(jié)合，從而進(jìn)一步完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式。