基于ARM的指纹识别门禁系统的设计.docx
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基于ARM的指纹识别门禁系统的设计
基于ARM的指纹识别门禁系统的设计
学生姓名:
所在院系:
信息工程学院
所学专业:
信息工程
导师姓名:
基于ARM的指纹识别门禁系统的设计
摘要
随着数字化和网络化的进展,传统的门禁系统由于辨别方式、速度和性能等方面的限制,很难知足平安靠得住和网络化的操纵需求。
由于识别技术的不断成熟,基于人体生理特点的身份识别系统慢慢被人们开始采纳,目前,从有效的角度看,指纹识别技术要比其它生物识别技术更平安和方便,这是因为人的指纹具有唯一性、不变性和贴身性的特点。
传统的门禁操纵器常采纳单片机开发,利用串行通信接口向远程上位机传送数据,多个门禁操纵器一样组成RS485网络,通信线路专用且不易于实现网络操纵和远程操纵,而基于TCP/IP网络通信的门禁系统通过局域网传递数据,很容易实现远程操纵和散布式治理。
论文第一分析了门禁系统的研究背景、意义及国内外的进展现状,然后介绍
了指纹识别网络门禁系统的整体结构,论述了系统各个重要功能模块的硬件资源。
论文研究了指纹识别算法,包括指纹图像预处置和指纹图像的特点提取和匹配,重点分析了指纹图像分割法,利用灰度梯度和灰度方差的结合设置一个适合的局部阈值对指纹进行分割。
然后,论述了门禁操纵系统软件的整体设计,指纹图像搜集、GoAheadWebServer的应用和系统运用TCP/IP实现系统门禁操纵器和上位机PC之间的网络通信。
关键词:
嵌入式,门禁,指纹识别,Linux,TCP/IP
BasedontheARMoffingerprintidentificationentranceguard
systemdesign
Abstract
Withthedevelopmentofdigitalizationandnetwork,thetraditionalaccesscont-rolsystemisdifficulttomeetthereliabilityandnetworkcontrolrequirementsbecauseoftheidentificationmethods,speedandperformance.Thehumanphysiologychara-cteristic’sstatusrecognitioniswidelyusedbasedontheprogressoftherecognitiont-echnology.Atpresent,lookingfromthepracticalangle,thefingerprintrecognitiontechnologymustbesaferthanotherphysiologycharacterrecognition,thisisbecauseperson’sfingerprintisunique,invariableaswellasthenexttotheskin.Thetraditi-onalentranceguardcontrolleroftenusedtheSingle-ChipMicrocomputerandtheser-ialportfortransmittingdatatothepositionmachine.SomeentranceguardcontrollerscomposebytheRS485networkgenerally,itmakesit’snoeasytorealizethenetworkandtheremotecontrolbecauseofthecommunicationlink’sspecial-purpose,butnet-workingentranceguardsystembasedontheTCP/IPiseasytorealizetheremotecon-
trolandthedistributionalmanagement.
Firstly,thepaperanalyzedthedevelopmentoftheaccesscontrolsystemandit’s
backgroundandsignificance,andthenintroducedtheoverallstructureofthesystem,
listiedtheimportantfunctionmodulesofthehardwareresourcesanddrivers.Thirdly,thepaperstudiedthefingerprintrecognitionalgorithmwhichmainlyincludesthefin-gerprintimagepretreatmentandthefeatureextractionandmatches.Inthispaper,it’sfocuedonanalysisoffingerprintimagesegmentationalgorithm,usingofthegraygra-dientandthegrayvariancecombination,andthensetingupasuitablelocalthresholdforsegmentation.Atlast,thepaperelaboratedtheaccesscontrolsystem’ssoftwaredesignwhichisfocusoncollectingfingerprintimageacquisition,GoAheadWebSe-rver’sapplicationsandthecommunicationbetweentheaccesscontrolsystemcontro-ller,andtheclientPCbasedonTCP/IPprotocol.
KeyWords:
EmbeddedSystem,AccessController,FingerprintRecognition,Linux,TCP/IP
1.绪论1
课题的研究背景及意义1
国内外研究现状和进展1
本文的研究内容2
2.系统硬件设计2
系统整体设计2
系统概述及设计原那么2
系统组成及功能3
嵌入式主控模块设计5
ARM微处置器与地址空间映射5
NANDFLASH单元5
SDRAM单元6
USB及USB摄像头单元7
界面显示接口模块设计8
指纹识别模块设计9
3.指纹识别算法研究及实现11
指纹识别的理论基础11
指纹图像的预处置12
背景分割12
指纹图像增强12
图像二值化13
细化及其后处置13
指纹图像的特点提取及匹配13
指纹图像的特点点提取13
指纹图像的特点匹配13
4.门禁操纵系统软件设计14
门禁操纵系统整体软件设计14
指纹图像搜集15
网络通信16
TCP/IP协议16
系统网络通信软件设计16
GoAhead嵌入式Web效劳器18
5.结论18
参考文献20
致谢21
1.绪论
课题的研究背景及意义
随着科学技术的不断进步,人们对现代化办公和生活场所提出了更高层次的平安治理需求,一般的门锁系统和手工出入治理已经不符合现代人的实际需求。
由于安防业的智能化和网络化,为顺应智能楼宇、智能小区的进展,门禁系统也必需实现更靠得住、更平安和更方便的智能系统。
现代门禁系统综合利用了传感技术、数字信息处置、运算机技术、多媒体技术和网络技术,以实现门禁系统信息的搜集、传输和处置。
目前智能门禁治理系统已普遍用于工厂、学校、写字楼宇、物业小区、商店、金融系统、电信系统、军事系统、宾馆等多种场合,大大提高了整体的工作效率、保障了系统平安,智能、平安和高效的现代化门禁系统已经成为社会进展的必然趋势,同时它也是现代化建筑的一个重要组成部份。
传统的机械钥匙、用户ID+密码和智能卡等的爱惜方法存在着丢失、遗忘、复制和被盗用的隐患,在这种情形下,最新进展的生物识别技术为上述方式的不足提供了一个专门好的解决方案。
由于指纹识别具有唯一性、不变性和贴身性的特点,成了众多生物识别技术中备受青睐的一个。
且随着生物识别技术和运算机技术的飞速进展,指纹识别算法已达到迅速、准确和靠得住的水平,已愈来愈多的应用在现代智能门禁系统的前端信息搜集部份。
目前利用较多的是指纹单机门禁系统,其搜集、处置和识别都在一个操纵系统中完成,只适用于小系统和安装位置集中的单位,且通信线路专用,安装好后不易于改换治理中心的位置。
在大系统和安装位置分散的单位,单机门禁系统必然花费较大且效率不高。
因此有必要采纳TCP/IP的网络型门禁操纵系统,实现网络操纵和远程操纵。
系统采纳指纹搜集作为门禁系统的前端部份,由于指纹识别具有唯一性、不变性和贴身性的特点,使它成为一种平安有效的身份验证方式。
另外,系统采纳基于TCP/IP协议的网络型门禁操纵器是通过局域网传递数据的,治理中心随时能够变更,不需要从头布线,很容易实现网络操纵和远程操纵,而且指纹的处置和识别能够在运算速度更快的治理中心实现,如此操纵器功能简单,而且多个操纵器能够连接到一个效劳器,提高了门禁系统操纵和治理的效率。
国内外研究现状和进展
据考古学家证明,公元前7000年-6000年,指纹作为身份辨别的工具已经在叙利亚和中国开始应用。
可是由于缺乏专门性研究,未能将指纹识别技术上升为一门科学。
20世纪初期,指纹识别正式成为身份识别的方式并被法律部门用作身份鉴定的依据,并开始活着界范围内成立指纹识别机构和罪犯指纹档案。
指纹识别的有关技术,包括指纹搜集技术、指纹分类技术和指纹匹配技术都取得了较快进展。
例如美国联邦调查局在1924年库存样本指纹就达到了81万枚。
20世纪80年代,个人电脑、光学扫描等技术革新使得他们作为指纹取像的工具成为现实,从而使指纹识别能够在其他领域中得以应用。
随着取像设备的引入及其飞速进展,生物指纹识别技术的慢慢成熟,靠得住的比对算法的发觉都为指纹识别技术提供了更广漠的舞台。
目前,利用运算机进行指纹识别的技术在国外已很成熟,而且已经开始大规模广。
智能安防的日趋流行关于楼宇治理自动化和平安监控提出了更高的平安性和靠得住性要求,基于指纹识别的智能门禁治理系统应用得愈来愈普遍,在一些发达国家已取得普遍的应用。
面对规模已经愈来愈大的门禁操纵系统,一般的单机门禁系统已经不适合,比如智能小区、景点门禁系统等。
因此必需要开发进行远距离传输的TCP/IP的网络型门禁操纵系统,由于网络型门禁操纵系统很容易实现远程操纵和散布式治理,还能够方便往后扩容和保护,日趋变得重要。
本文的研究内容
论文的研究内容分为指纹识别的算法研究和ARM门禁操纵器硬件实现两个部份。
在以往算法的研究基础上,利用指纹图像灰度梯度和方差的结合对指纹分割方式进行改良,仿真实验证明本文中的改良算法鲁棒性好。
论文在以ARMS3C2410为核心和嵌入式操作系统Linux的基础上,设计开发了基于指纹识别的以太网门禁操纵系统。
本文具体内容要紧有以下几个方面:
(1)系统整体方案概述和设计:
依照系统功能要求,设计指纹识别以太网门禁系统,重点论述了其中关键模块的硬件设计。
(2)指纹识别算法的理论分析和仿真:
研究了指纹识别算法,要紧包括指纹图像预处置和指纹图像的特点提取和匹配两部份。
(3)系统软件整体设计:
论述了门禁操纵系统软件的整体设计,然后对各模块进行应用编程,要紧包括视频搜集、指纹搜集和TCP/IP网络应用编程。
(4)最后,对全文进行了总结,并对指纹识别以太网指纹门禁操纵系统的以后进展趋势做出展望。
2.系统硬件设计
系统整体设计
系统概述及设计原那么
门禁治理系统是新型现代化的平安治理系统,要紧用于治理重要部门出入口,是实现平安防范治理的有效方法,适用于各类重要部门,如企业、政府、银行、宾馆、金融贸易楼和综合办公楼等。
门禁系统一样分为独立型和联网型,联网型门禁系统通信方式常见的有RS232、RS485、CAN和TCP/IP,采纳TCP/IP通信方式的联网型门禁系统简称为TCP/IP网络门禁系统。
相对其它通信方式,基于TCP/IP网络通信的门禁系统通过局域网传递数据,更易实现远程操纵和散布式治理。
从门禁锁的操纵方式来看,要紧有钥匙、密码、磁卡、IC卡等。
随着现代生活对安防水平要求的提高,从目前已有的门禁锁具的操纵方式来看,存在着必然的平安隐患,钥匙、密码和磁卡容易复制、窃取;IC卡的平安性较高,但也容易丢失。
因此,此刻人们心目中的门禁锁具必需具有方便、平安,美观等特点。
随着运算机技术的飞速进展,基于人体生理特点的身份识别系统慢慢被人们开始采纳,目前,从有效角度看,指纹识别技术要比其它生物识别技术更平安和方便。
基于指纹识别的TCP/IP网络门禁系统方案设计的前提是知足用户的各类需求,利用系统壮大的功能和良好的性价比,让用户取得最好的效劳和最大的利益。
方案的设计原那么:
有效性、稳固性、平安性、可扩展性和易保护性。
系统组成及功能
一样RS485门禁操纵器只支持128台或256台设备联网,而TCP/IP门禁操纵器理论上能够支持无穷多台门禁设备。
因此TCP/IP网络型门禁操纵器是最适合大型大面积的门禁系统联网的。
例如供电部门的变电站门禁的联网治理、银行储蓄所的门禁治理等都适合这种模式。
互联网的门禁系统结构如图2-1所示。
图2-1互联网的门禁系统结构图
基于指纹识别的TCP/IP门禁系统方案大体组成:
(1)治理中心:
一台连接到门禁操纵器或网络的PC机,通过局域网或广域网与其它门禁操纵器或PC机连接,实现门禁操纵器搜集信息的处置和分析,并发送操纵指令,和对相应的软件治理。
(2)门禁治理软件:
治理工作站通过治理软件远程监控效劳器和各门禁操纵器的工作状态,实现各类治理功能。
(3)门禁操纵器:
用于前端信息的搜集、传输和处置,并操纵门禁的电控锁和门铃,执行处置器下达的开门、报警、启动门铃等指令和提供通信多机连接端口等。
(4)电子门锁:
门禁系统的执行机构和关键设备,用于对物理通道的操纵。
(5)电力设备:
采纳直流电源作为整个门禁系统的运行电源和门锁电源(一样采纳内部电源)。
(6)联动设备:
可与门禁操纵器所有输入、输出节点进行联动,实现防盗报警、消防报警等大型系统的联动,一样在门禁治理软件中对联动设备进行相关的编程设置。
(7)通信设备:
包括互换机设备、路由器和MODEM等,实现设备的网络连接。
指纹识别门禁系统的要紧功能特点:
(1)采纳高效的指纹识别模块,可使指纹直接开锁,利用方便快捷,具有很高的平安性。
(2)应用ARM处置器和Linux操作系统,能够专门好的保证门禁系统独立持续工作,稳固性好。
(3)系统采纳指纹与密码的结合,能够依如实际需要设置多种认证模式,支持多用户,多组别组合开门,具有良好的灵活性。
(4)系统配以科学化治理软件,能够实现门禁系统的科学化治理。
(5)应用TCP/IP以太网模块,能够方便实现网络操纵和远程操纵。
(6)系统采纳分级治理,分为治理者和用户,采纳逐级权限治理,将用户的指纹搜集并存储在中央治理主机上,依照用户的开门权限,将用户指纹下传至相应的子门禁系统中。
(7)系统有视频监控和报警等一些相应的辅助功能,提高系统的平安性。
本文基于ARM9(S3C24lO)设计和实现了一种指纹识别的网络型门禁操纵器。
采纳指纹识别器为前端信息的搜集,用以太网操纵器实现门禁操纵器与上位PC机间的通信,并利用LCD来实时显示状态,并能够提供一些其它的辅助功能,如语音提示、报警和摄像监控等。
指纹型网络门禁操纵系统框架如图2-2所示。
图2-2门禁系统框图
嵌入式主控模块设计
ARM微处置器与地址空间映射
本系统选择了韩国三星公司的高性能ARM9微处置器芯片S3C241O作为主处置器,S3C2410芯片是基于ARM920T内核,五级流水线和哈佛结构,内核工作电压为,输入输出电压为,具有180MHZ/200MIPS性能,是高性能和低功耗的硬宏单元。
ARM920T内核具有全性能的MMU、指令和数据Cache和高速AMBA总线接口。
S3C2410内部结构比较复杂,可提供很多可扩展的功能模块,要紧有MMU虚拟内存治理单元,LCD操纵器(支持上到4k色的STN和256k色的TFT),3通道UART,4通道DMA,4通道具有PWM功能的按时器,I/O口,具有日历功能的RTC(实不时钟),8通道10bit精度ADC和触摸屏操纵器,IIC总线接口,IIS数字音频总线接口,两个全速主设备及一个从设备,SD/MMC卡操纵器,2通道SPI及内置lQ/100M的网络接口等。
NANDFLASH单元
Flash是一种可在系统(In-System)进行电擦写、掉电后信息不丢失的存储器。
它的高集成度和低本钱使它成为市场主流。
Flash芯片具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程(烧写)、擦除等特点,而且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作,因此在各类嵌入式系统中取得了普遍的应用。
作为一种非易失性存储器,Flash在系统中通经常使用于寄存程序代码、常量表和一些在系统掉电后需要保留的用户数据等。
经常使用的Flash为8位或16位的数据宽度,编
程电压为单。
Flash技术依照不同的应用处合也分为不同的进展方向,有擅长存储代码的NORFlash和擅长存储数据的NANDFlash。
同时,S3C2410内部集成了NANDFlash操纵器,为了支持系统从NANDFlash中启动,S3C24lO内部有一块被称为垫脚石(Steppingstone)的SRAM缓存。
若是选择从NANDFlash中启动,在启动时S3C2410会自动的将NANDFlash存储器中最前面的4KB数据拷贝到S3C24lO内部的SRAM中并自动执行。
若是这4KB寄存的是启动代码,那么启动代码就能够够从S3C241O内部的SRAM中执行,启动代码初始化系统和外部SDRAM后将存储在NANDFlash中的操作系统和应用程序拷贝到外部SDRAM中,这时整个系统就能够够启动了。
在本系统中,采纳的是三星公司的K9F5608U芯片,其电路原理图如图2-3所示。
图2-3NANDFLASH原理图
SDRAM单元
SDRAM具有容量大、存取速度快、本钱低的特点,取得了普遍的应用。
与Flash存储器相较,SDRAM不具有掉电维持数据的特性,但存取速度高于Flash存储器,且具有读/写属性,因此SDRAM在系统中要紧用作程序的运行空间、数据和堆栈区,是系统启动以后进行存取操作的存储器。
S3C2410在片内具有独立的SDRAM刷新操纵逻辑,可方便地与SDRAM连接。
同时,由于S3C24lO片内的存储空间不大,大量的数据都要通过SDRAM临时寄存和互换,即动态存储区。
系统启动时,CPU第一从起始地址读取启动代码进行系统初始化,在完成系统初始化后,程序代码一样调入SDRAM中运行以提高系统的运行速度。
SDRAM存储单元犹如一个电容,老是偏向于放电,为幸免数据丢失,必需按时充电刷新。
图2-4SDRAM外围接口
USB及USB摄像头单元
USB(UniversalSerialBus)即通用串行总线,是此刻超级流行的一种快速、双向、廉价、能够进行热插拔的接口。
随着嵌入式技术的快速进展,USB的应用已经慢慢从PC机扩展到了嵌入式技术中,而且发挥着重要的作用。
USB设备之因此会被大量应用,要紧具有以下优势:
(1)能够热插拔,利用方便。
(2)系统总线供电,并可提供5V/500mA电源,具有独立供电特点。
(3)支持设备众多,支持多种设备类,例如鼠标,键盘,摄像头等。
(4)连接灵活,能够连接多个设备,最多可扩127个,连接的方式也超级灵活,既能够利用串行连接,也能够利用集线器Hub把多个设备连接在一路再与PC的USB口相连。
(5)速度快,支持高速数据传输,是12Mb/s,高达480Mb/s
S3C2410带有两个USB主设备操纵器和一个USB从设备操纵器,如此能够
方便USB设备的利用。
在设计开发一个USB外设的时候,要紧需要编写三部份
的程序:
固件程序、USB驱动程序和客户应用程序。
USB的电路连接图如图2-5
所示。
图2-5USB电路连接图
USB接口的设备能够方便应用到嵌入式系统中,具有USB接口的优盘因为存储容量大,价钱低,在嵌入式系统中一样能够用来存储数据。
在门禁操纵器中,能够用来存储初始化的资料数据也能够存储搜集到的重要数据,方便用户的保留和修改。
另外,本系统中应用到的视频监控就用到了USB接口的摄像头。
界面显示接口模块设计
LCD(LiquidCrystalDisplay)称为液晶。
LCD显示器的大体工作原理是通过给不同的液晶单元供电,操纵其光线的通过与否,从而达到显示的目的。
因此,LCD的驱动操纵器是对每一个液晶单元的通电的操纵。
液晶工作时利用的是外部的光线,其光线照明方式有两种:
传送式和反射式。
由于液晶自己本身并非发光,因此与CRT相较,液晶显示器的耗电量较低。
本系统选用传送式背光(CCFL)彩色STN液晶屏,LCD的操纵器利用S3C2410的内部集成的操纵器。
系统选用寸、320×240像素、256色的彩色LCD屏。
其可提供4/8/12/16位颜色模式,电源操作范围宽,低功耗设计可知足系统省电的要求。
为了保证LCD正常工作,必然要保证硬件正确连接,S3C2410与STN-LCD屏的关键电路连接如2-6图所示。
S3C2410STN-LCD
图2-6S3C2410与LCD连接图
(1)S3C2410上液晶数据线VD[19:
23]、VD[10:
15]、VD[3:
7]别离对应R、G、B的三色信息。
一个R、G、B共16bits的组合代表了一个像素的信息。
(2)S3C24lO上液晶电压操纵信号VM.VDEN与LCD的ENAB信号连接,保证数据的有效指示。
(3)S3C2410液晶的位时钟信号VCLK与LCD的时钟信号CK连接。
在VM-VDEN信号有效的情形下,LCD操纵器送出的数据在VCLK的上升沿送出,在下降沿时被LCD驱动器采样。
(4)S3C2410的液晶帧时钟信号VF-VS与LCD的帧同步信号连接,LCD操纵器在一个完整帧显示完成后当即插入一个VFRAME信号,并开始新的一帧。
(5)S3C24lO的液晶线时钟信号VL.HS与LCD的行同步信号连接,LCD操纵器在整个水平线数据移入LCD驱动器后插入一个VLINE信号。
指纹识别模块设计
指纹搜集器搜集到指纹图像后,才能被运算机进行识别、处置,指纹图像的质量会直接阻碍到识别的精度和指纹识别系统的处置速度,因此指纹搜集技术是指纹识别系统的关键技术之一。
因为指纹的表面积相对较小,日常生活中手指常常会受到磨损,因此取得优质的指纹细节图像是一项十分复杂的工作。
目前要紧利用的指纹搜集技术有光学指纹搜集技术,半导体指纹搜集技术和超声波指纹搜集技术。
光学指纹搜集是历史久远、利用最普遍的技术,它是将手指放在光学镜片上,手指在内置光源照射下,用棱镜将其投射在电荷耦合器件(
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