一種指紋模塊在考勤終端中的應用與研究

0 前言
 
    隨著社會信息化水平的提高，信息安全技術越來越顯示其重要的地位，而信息安全技術應用水平的高低直接影響了社會的方方面面。近幾年來，信息技術發展日新月異、突飛猛進，個人身份信息安全技術也不例外，有了長足的發展。目前通過計算機對個人身份的識別方式多種多樣，有傳統的實現方法，即多重操作密碼、動態密碼和安全訪問權限控制，經常用于用戶與主機、主機與主機之間的認證，但被偽造和竊取的可能性比較大；還有被確認為最安全的認證— — 內部具有多重安全機制和多種加密算法的智能卡，它具有較難復制和偽造、對網絡的依賴性比較小等特點，但智能卡在使用過程中容易損壞，需要相當高的后期維護費用；基于生物特征的認證方式是一種新型的信息安全技術，系利用用戶的指紋、耳紋、聲音、視網膜、DNA等生物特征進行身份認證 。

    在眾多的身份特征認證中，指紋識別的應用比較成功，近年來已得到快速的發展和普及。其原因主要有：① 指紋是獨一無二的，世界上不存在相同的指紋，這樣就保證了被認證與需要驗證的身份之間嚴格的一一對應關系。② 指紋的細節特征和輔助特征在人的一生中永不會改變，保證用戶安全信息的長期有效性 。③ 使用指紋認證技術，免除了記憶1：3令的負
擔。彌補了智能卡的可替代性。

    本研究所要介紹的是基于光學指紋模塊、結合C8051F020處理器的指紋考勤終端，并將它用于考試學生的身份特征認證。

1 系統總體結構要求 

    指紋考勤終端不是孤立的，聯合其他部分后可組成功能強大的指紋考勤系統 ，不僅能適應一般的考勤任務，還可用于學校考試中。指紋考勤系統的總體結構框圖，如圖1所示。它由指紋考勤終端、上位機、數據庫服務器組成。 

圖1 指紋考勤系統的總體結構框圖

    指紋考勤終端是該系統的核心部分(以下簡稱終端)，它有單機工作模式和聯網工作模式之分。單機工作模式下，可實現指紋采集并與終端已有指紋數據庫進行比對、用戶的刪除、添加等功能，同時把相應的用戶指紋數據保存到光學指紋識別模塊數據庫中，其他信息存到CAT24CW256內；聯網工作模式下，能完成單機模式中所有的數據庫操作、比對操作和取圖像值操作，不同的是所涉及的數據存取都通過數據庫服務器進行。 

    只有在終端工作于單機模式時，才需要上位機的支持。上位機的功能是：把已有的學生用戶指紋特征數據導入終端，為終端提供在單機模式下指紋數據庫的支持，同時也承擔了把終端數據傳送到上位機的任務。當終端工作于聯網模式時，數據庫服務器才能發揮其應有的作用，它允許多臺指紋考勤機與其聯網，使學生指紋特征數據庫得以實現共享，并且充當了指紋數據庫的日常管理服務角色，如不同的班級在某個時刻同時進行考試，服務器就把相應的學生數據庫權限分配給不同的終端。

    單機模式下的指紋比對工作過程如下：首先把上位機已有的學生指紋數據庫導入到終端的指紋識別模塊中；當身份認證對象接近指紋傳感器時，終端自動檢測手指，并提取相應的指紋特征值與模塊數據庫進行比對操作；最后把比對結果顯示于LCD并存儲于CAT24CW256內，或上傳上位機。而聯網模式下，比對結果顯示于LCD，并把相應的數據傳送到數據庫服務器上。

2 終端系統硬件組成及設計 

    終端系統硬件結構示意圖，如圖2所示。C8051F02處理器是完全集成的混合信號系統級8位MCU芯片，具有高速、流水線結構的8051兼容的CIP一51內核(可達25 MIPS)，及全速、非侵入式的在線系統調試接口等新特性 。它通過UART0、UART1分別與上位機和光學指紋識別模塊進行數據交換，自帶SMBUS(兼容I C)控制器接口實現CAT24CW256 和PCF8563T的數據訪問，而通過以太網模塊、LCD顯示模塊和外部RAM與處理器外部總線接口(EMIF)可實現數據通信。

圖2 指紋考勤終端系統硬件結構示意圖

    光學指紋識別模塊是上海一維科技有限公司的產品。它采用高速DSP(TI)處理器，可以獨立完成全部的指紋識別工作，擁有異步通信接口 ，與C8051F020處理器的UART1直接連接，波特率設置為115 200bps，其產品規格指標，如表1所示。

表1 光學指紋識別模塊產品規格

    實時時鐘PCF8563T可提供具體至秒的信息，而EEPROM(CAT24CW256)提供了32 k×8 bit的存儲空間，它們與處理器以SMBus串行接口相連，由于處理器晶振頻率為22．118 4 MHz，為了保證數據傳送的快速性和可靠性，設置了320 kbps數據傳輸。而LCD顯示模塊(4線觸摸屏，通過SPI與處理器連接)是清達圖形液晶顯示模塊AHG3202401-B·LWH，采用SED1335控制器，具有320×240點陣，LED背光，8位并行總線接口，5 V工作電壓 。由于C8051F020、網絡模塊和外部RAM(IS62LV256)采用3 V工作電壓(能兼容5 V信號電平)，LCD顯示模塊與處理器之間所有的連接線都添加上拉電阻(1．5 k)，經調試證明運行良好。LDC工作于圖形和文本混合模式。


3 終端系統軟件功能實現 

    為了使系統易于維護與功能擴展，軟件采用模塊化設計，在uVision3開發平臺上使用C語言開發。軟件部分主要由主程序和中斷服務程序組成，主程序流程圖，如圖3所示。主程序開啟后，對外圍設備和通信端13進行初始化，并選擇相應的程序運行方式，除了傳送各自的指紋識別數據之外，還要配合LCD顯示數據、更新相應的網形界面，而LCD顯示數據(文本模式)在計時中斷中刷新。

圖3 主程序流程圖

    中斷程序流程圖，如網4所示。中斷服務程序共有5個：計時中斷通過T0實現，每隔3 s檢測手指，每隔1 s更新LCD顯示數據；四線觸摸屏由外部中斷0 觸發，通過SPI二次采集獲得穩定坐標數據，并執行相應操作；光學指紋識別模塊中斷用于獲取指紋采集、比對結果；上位機中斷和以太網中斷負責數據傳輸或確定通信狀態。 

圖4 中斷服務程序

    軟件編程_T作量比較大，而且無論是LCD、觸摸屏部分還是網絡通信部分，在設計上都有一定的難度。就本系統軟件設計和指紋模塊使用中遇到的幾個問題，舉例如下：

  (1)處理器與光學指紋識別模塊之間的數據傳輸 

    方式是采用異步傳輸的數據塊，數據塊由前導碼、后導碼組成。系統開始調試時，波特率為9 600 bps，能夠接收到數據，但數據經常出錯。經查證，計時中斷中更新LCD數據占用了35 ms左右時間。后來把波特率改為ll5 200 kbps，在接收指紋識別模塊數據塊期間，屏蔽其他中斷源，該問題基本解決。 

    (2)在指紋采集和比對過程中，由于比對等級設 

    置比較高、手指汗睹、嚴重脫皮、指紋采集過程中抖動等原因，拒識率比較高。為了保持較高的安全性，在未調整比對等級的情況下，對一個帳戶分配了l0個指紋數據，每個手指對應一個，只要一個能夠匹配成功即認為比對成功，在使用過程中也注意了落實操作規范和保持手指清潔干燥。經過實踐，效果明顯，同時也避免產生因某個手指受傷破損而無法實現身份認證的情況。

4 結束語 

    本研究介紹的指紋考勤系統采用人體指紋生物特征，可提高身份認證的安全性，最大程度地減少學生代考、冒名頂替等情況出現。同時，該終端擁有網絡接口，具有組網方便、容易組成分布式的考勤系統等特點，適合大規模的考試場合。如能集成其他無線網絡接口，其適應環境的能力將得到極大提高。

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作者簡介：王芳(1971-)，女，浙江杭州人，浙江機電職業技術學院電子信息工程系,主要從事電子技術方面的研究。