摘 要： 設(shè)計(jì)了基于無(wú)線通信的校園指紋通系統(tǒng)。該系統(tǒng)由無(wú)線式指紋終端、服務(wù)器和Web服務(wù)網(wǎng)站等組成。系統(tǒng)利用無(wú)線式指紋終端采集用戶指紋，并通過無(wú)線通信方式傳輸?shù)椒?wù)器，在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)指紋匹配和相關(guān)的事務(wù)處理。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)使用方便，安全可靠。
關(guān)鍵詞： 指紋識(shí)別；無(wú)線通信；無(wú)線式指紋終端
校園一卡通系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，存在用戶卡必須隨身攜帶、易損壞、易丟失以及易被他人濫用等缺陷。隨著科技的發(fā)展，指紋識(shí)別產(chǎn)品逐漸被應(yīng)用到校園，基于指紋識(shí)別的校園應(yīng)用系統(tǒng)的研究逐漸增多。薛亞許研究校園指紋考勤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[1]，牛澍開發(fā)圖書館指紋管理系統(tǒng)[2]，樊相奎將指紋識(shí)別技術(shù)應(yīng)用到門禁系統(tǒng)[3]等等。但是這些系統(tǒng)功能單一，不便于統(tǒng)一管理，適用范圍小，需要專門的線路布置，沒有涉及到指紋消費(fèi)的研究，也不能給用戶提供信息綜合查詢功能。
本文設(shè)計(jì)出基于無(wú)線通信的校園指紋通系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了嵌入式、無(wú)線通信、指紋識(shí)別等技術(shù)，具有考勤、圖書借閱、門禁管理以及小額消費(fèi)等功能，并且給用戶提供了信息查詢和問題反饋的平臺(tái)，為廣大師生的校園生活提供了便利。
1 指紋識(shí)別技術(shù)
指紋識(shí)別分為注冊(cè)和比對(duì)兩個(gè)過程。在注冊(cè)過程中，采集用戶的指紋，進(jìn)行預(yù)處理，提取出特征值，形成指紋模板并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中；在比對(duì)過程中，采集用戶的指紋，進(jìn)行預(yù)處理，提取特征值并與數(shù)據(jù)庫(kù)中的指紋模板進(jìn)行匹配[2]。原理見圖1。
指紋采集是指紋識(shí)別的第一步，決定了指紋樣本的清晰度和指紋識(shí)別的效率，目前指紋采集技術(shù)主要有光學(xué)式掃描技術(shù)、電容式指紋識(shí)別技術(shù)、壓感式識(shí)別技術(shù)、溫度感應(yīng)識(shí)別技術(shù)和超聲波掃描技術(shù)等[4]。本文采用的是電容式指紋識(shí)別技術(shù)，可以保證指紋匹配效率，并且成本比較低。預(yù)處理一般包括對(duì)指紋圖像的圖像分割、二值化、細(xì)化等操作，然后提取指紋的全局特征或細(xì)節(jié)特征；指紋特征匹配的方法有很多，根據(jù)識(shí)別方法的不同，主要分為基于點(diǎn)模式匹配算法和基于子模式的匹配方法[5]。在本文中，采集指紋、預(yù)處理和提取特征值由指紋終端完成，由服務(wù)器端完成指紋匹配，特征值存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。這種方案利用服務(wù)器端較強(qiáng)的處理能力以及大容量存儲(chǔ)空間，可以快速地完成高數(shù)量級(jí)指紋匹配。
2 系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)主要由無(wú)線指紋終端、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、Web服務(wù)網(wǎng)站、應(yīng)用服務(wù)器和管理機(jī)5部分組成，總體結(jié)構(gòu)見圖2。
無(wú)線指紋終端采集用戶指紋圖像，提取特征值，然后將按鍵信息和指紋特征值整合成數(shù)據(jù)包，經(jīng)校園無(wú)線網(wǎng)上傳到服務(wù)器；接著服務(wù)器進(jìn)行指紋匹配并根據(jù)無(wú)線指紋終端的編號(hào)選擇完成相應(yīng)功能的事務(wù)處理，并反饋信息給無(wú)線指紋終端；無(wú)線指紋終端接收到信息后，顯示在LED顯示器上；通過Web服務(wù)網(wǎng)站，用戶可以進(jìn)行相關(guān)信息查詢，也可以將有關(guān)問題反饋給系統(tǒng)。
3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)
3.1 無(wú)線指紋終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
無(wú)線指紋終端基于C8051F340單片機(jī)，結(jié)合鍵盤、LED顯示器、指紋模塊、揚(yáng)聲器、電源和WiFi模塊等硬件開發(fā)而成。單片機(jī)通過串行口SPI對(duì)LED顯示器寫入數(shù)據(jù)，通過串行口SCI控制指紋模塊和WiFi模塊進(jìn)行指紋采集并與服務(wù)器通信，通過I/O口與揚(yáng)聲器和鍵盤相連，總體結(jié)構(gòu)見圖3。
指紋模塊是浙江中正智能科技有限公司開發(fā)的SM62U半導(dǎo)體指紋模塊，采用UPEK電容式指紋傳感芯片，“活體”指紋探測(cè)，干濕手指適應(yīng)強(qiáng)，圖像分辨率高達(dá)500 dpi，8位256級(jí)灰度，無(wú)畸變，圖像質(zhì)量好。半導(dǎo)體采集芯片體積小、功耗低、安全性高，缺省安全等級(jí)下：FAR（誤判率）≤0.001%，F(xiàn)RR（拒判率）≤0.5%。通過TTL電平UART串行通信，波特率為57 600 b/s。
WiFi模塊采用海凌科（香港）有限公司推出的全新的第三代嵌入式Uart-WiFi模塊產(chǎn)品——HLK-WIFI-M03。它是基于Uart接口的符合WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口數(shù)據(jù)到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換，功耗低，傳輸距離遠(yuǎn)。
3.2 服務(wù)器端程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
應(yīng)用服務(wù)器通過校園無(wú)線網(wǎng)接收從無(wú)線指紋終端傳送的數(shù)據(jù)包并解析出指紋特征值和相關(guān)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行指紋匹配，接著根據(jù)無(wú)線指紋終端編號(hào)選擇完成相應(yīng)功能的事務(wù)處理，實(shí)現(xiàn)注冊(cè)、考勤、消費(fèi)、借閱或者門禁功能，并將匹配結(jié)果返回給無(wú)線指紋終端。工作流程如圖4所示。
該程序基于Delphi技術(shù)開發(fā)，采用socket通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)與無(wú)線指紋終端的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)包經(jīng)過SHA512哈希算法加密處理，傳輸格式見表1和表2。從DLL（動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)）中調(diào)用指紋匹配函數(shù)，實(shí)現(xiàn)指紋匹配。數(shù)據(jù)庫(kù)采用的是SQL server 2005，指紋特征值以Base64編碼形式存入數(shù)據(jù)庫(kù)。指紋比對(duì)關(guān)鍵代碼如下：
Tid：=AThread.ThreadID；//獲得線程號(hào)
ReadBuffer（FingerTz[Tid]，Len）；
//從接收緩沖區(qū)中讀取指紋特征值
tmpstr2：=′′；//字符串初始化
for j：=0 to len-1 do
begin
tmpstr2：=tmpstr2+IntToHex（FingerTz[Tid][j]，2）+′′；
//將二進(jìn)制串轉(zhuǎn)為十六進(jìn)制串
end；
Memo_message.Lines.Add（tmpstr2）；
//以十六進(jìn)制形式顯示指紋特征值
iRet[Tid]：=mxFingerSearch256（@FingerAll[0]，F(xiàn)ingerNum，@FingerTz[Tid]）；//匹配函數(shù)
Addtmpstr（Tid）；
3.3 Web服務(wù)網(wǎng)站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
Web服務(wù)網(wǎng)站根據(jù)角色的不同，分為學(xué)生模塊、教師模塊和管理員模塊，主要包括學(xué)生查詢考勤、消費(fèi)和借閱等信息，請(qǐng)假申請(qǐng)，問題反饋；教師查詢學(xué)生的相關(guān)數(shù)據(jù)，查詢自己的考勤、消費(fèi)和借閱等信息，受理請(qǐng)假，報(bào)表打印，問題解答；管理員進(jìn)行權(quán)限管理、用戶信息管理和數(shù)據(jù)管理等功能。針對(duì)網(wǎng)站的功能和性能等實(shí)際需求，前臺(tái)開發(fā)采用JSP技術(shù)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL server 2005，Web服務(wù)器采用Tomcat實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)站功能模塊如圖5所示。
4 系統(tǒng)特色分析
（1）數(shù)據(jù)傳輸過程中采用SHA512哈希算法對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行加密處理，指紋特征值以Base64編碼保存，指紋模塊和指紋算法確保指紋識(shí)別正確率高，從而使得系統(tǒng)安全可靠；
（2）系統(tǒng)采用的SM62U半導(dǎo)體指紋模塊探測(cè)“活體”指紋，杜絕用指紋膜代替情況的發(fā)生；
（3）指紋識(shí)別采用的技術(shù)路線新穎，指紋模塊采集指紋特征值，通過無(wú)線傳輸，上傳到服務(wù)器端進(jìn)行匹配，為該系統(tǒng)提供技術(shù)可行性；
（4）指紋采集終端上傳的信息中包括指紋機(jī)的編號(hào)，服務(wù)器根據(jù)該編號(hào)確定相應(yīng)的功能類別，比如考勤類、門禁類等，因此終端具有很高的通用性；
（5）本系統(tǒng)集多種功能于一體，便于管理，可以消除現(xiàn)在校園中多種指紋產(chǎn)品參差不齊的現(xiàn)象；
（6）相比一卡通系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用指紋識(shí)別技術(shù)，使用方便，適用性更廣；
（7）國(guó)內(nèi)外的一些大城市已經(jīng)出現(xiàn)指紋支付和指紋消費(fèi)系統(tǒng)，本系統(tǒng)嘗試實(shí)現(xiàn)了小額消費(fèi)功能。
針對(duì)校園一卡通的不足以及現(xiàn)有校園指紋系統(tǒng)功能少、適用范圍小以及需要專門的線路布置等缺陷，本文研究了指紋識(shí)別等相關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)出基于無(wú)線通信的校園指紋通系統(tǒng)。該系統(tǒng)以浙江師范大學(xué)為開發(fā)背景，集考勤、圖書借閱、門禁管理以及小額消費(fèi)等功能于一體。目前該系統(tǒng)已經(jīng)得到了部分應(yīng)用，表現(xiàn)出較多的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。
參考文獻(xiàn)
[1] 薛亞許，陳金玉.學(xué)校指紋考勤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2011，30（1）：83-85，89.
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