基于樹莓派的指紋識(shí)別門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

賀振宇+廖真+葛華森+王鵬

摘要：本文綜述了指紋識(shí)別技術(shù)，系統(tǒng)地分析了將樹莓派、手機(jī)APP、門鎖結(jié)合的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，最后就這種門禁系統(tǒng)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了討論。在不改變現(xiàn)有門鎖結(jié)構(gòu)的前提下，通過軟件、硬件的高度結(jié)合，研究開發(fā)一套基于樹莓派的指紋識(shí)別門禁系統(tǒng)，高效匹配指紋庫控制開關(guān)門，實(shí)時(shí)檢測門鎖狀態(tài)并通過手機(jī)APP向用戶報(bào)告門鎖信息和警報(bào)信息，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的計(jì)算機(jī)警戒，大大增強(qiáng)門鎖的安全性。

關(guān)鍵詞：樹莓派；指紋識(shí)別；門禁；手機(jī)APP

中圖分類號(hào)：TP393.1 文獻(xiàn)識(shí)別碼：A 文章編號(hào)：1001-828X（2017）007-0-02

引言

在科技的不斷進(jìn)步浪潮下，把人體特征碼和信息管理系統(tǒng)結(jié)合的安防受到不少企業(yè)的喜愛。樹莓派是只有信用卡大小、大部分裝載的是Linux操作系統(tǒng)、具備一般電腦的所有功能的卡片式電腦。據(jù)悉目前國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)利用單片機(jī)配合人臉識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)的門禁裝置，有的甚至能夠采用郵件將門鎖的實(shí)時(shí)狀態(tài)發(fā)送到遠(yuǎn)程客戶手中。指紋識(shí)別較人臉識(shí)別有著較低的成本和更廣泛的應(yīng)用，指紋作為人體特征，具有唯一性、穩(wěn)定性和不易盜用等特點(diǎn)。 手機(jī)APP因?yàn)榫哂惺褂煤啽?、反?yīng)迅速、通用性高等特點(diǎn)，在當(dāng)今科技潮流下備受追捧，特別是針對于一些文化程度不高的人。以前使用電腦才能進(jìn)行的功能諸如購物、轉(zhuǎn)賬、視頻通訊等，現(xiàn)在利用手機(jī)APP都能夠完成。

本系統(tǒng)考慮到人臉識(shí)別具有很大的不確定性，不能夠保證識(shí)別的準(zhǔn)確率，加之手機(jī)APP對于處于中老年人的管理人員來說可能比收發(fā)郵件更輕便簡潔，同時(shí)還考慮到系統(tǒng)后期可能會(huì)有特殊的拓展。所以最終決定使用樹莓派這種功能強(qiáng)大的微型電腦，配合指紋識(shí)別模塊，通過簡單的外部電路設(shè)計(jì)，以及可以實(shí)時(shí)獲取反饋信息的手機(jī)APP，組合成為一套安全高、穩(wěn)定好、可深度擴(kuò)展的指紋識(shí)別門禁系統(tǒng)。

一、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)涉及到的硬件大致有FPM10A AS608光學(xué)指紋識(shí)別模塊、樹莓派2代B型、SY-P801 12V/3A門禁專用電源、LY-03 DC12V/24V電磁鎖、SRD-05VDC-SL-C小型功率繼電器，同時(shí)還配有一個(gè)8歐0.5w小揚(yáng)聲器，另外還用到杜邦線若干、網(wǎng)線若干。

1.指紋識(shí)別模塊的原理與設(shè)計(jì)

（1）指紋識(shí)別模塊的基本原理

指紋雖然只是人體皮膚中極小的一部分，但是它卻包含了大量的信息。人體不同指紋的結(jié)構(gòu)與紋路信息是獨(dú)一無二的，這些信息被稱為“指紋特征”。若將這些指紋特征與個(gè)人信息對應(yīng)起來就形成了指紋庫，這時(shí)候就可以通過比對指紋庫里面的信息來進(jìn)行用戶的身份鑒定。一般的指紋識(shí)別系統(tǒng)都主要有以下幾個(gè)過程：指紋獲取、指紋圖像預(yù)處理、指紋特征提取、指紋特征對比。指紋特征匹配是將兩枚指紋進(jìn)行比較，以確定它們是否來自于同一根手指頭。指紋匹配是屬于模糊識(shí)別的，需要將指紋細(xì)節(jié)特征點(diǎn)的數(shù)量、位置和所在區(qū)域的脊線方向這些等參數(shù)進(jìn)行比較。

（2）指紋識(shí)別模塊的介紹與使用

FPM 10A使用標(biāo)準(zhǔn)的串口與外界通信，默認(rèn)的波特率為57600，可以與任何單片機(jī)，ARM，DSP等帶串口的設(shè)備進(jìn)行連接。模塊系統(tǒng)提供了大量資源給用戶系統(tǒng)使用。同時(shí)，模塊也定義了一套通信協(xié)議，無論硬件上是采用UART還是USB接口，都共用相同的一套通信協(xié)議和指令集。

FPM10A模塊共有23條指令，應(yīng)用程序通過指令的不同組合，可以實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別功能。我們將這23條指令和衍生出來的操作封裝成類，從而可以很方便地操控該模塊，快速實(shí)現(xiàn)需要的功能。

2.樹莓派的開發(fā)與設(shè)計(jì)

樹莓派的操作系統(tǒng)選擇上，我們采用較新的CentOS7 for ARM（Linux的一個(gè)分支系統(tǒng)）。該系統(tǒng)和樹莓派的硬件十分契合，甚至于可以說是專為樹莓派定制的，可以最大限度發(fā)揮樹莓派的功用。

本系統(tǒng)使用了10800毫安容量的小米充電寶為樹莓派供電，同時(shí)，使用了樹莓派上的以太網(wǎng)口用于保障和服務(wù)器端的通信，指紋模塊和樹莓派的連接通過一根TTL轉(zhuǎn)USB線接在樹莓派的USB口上。

樹莓派通過GPIO口輸出控制信號(hào)，本系統(tǒng)只使用了21/22/23/24/25號(hào)針腳。發(fā)出的是3.3V的控制信號(hào)。

3.開鎖機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)還可以使用了LY-03 DC12V/24V電磁鎖通過SY-P801 12V/3A門禁專用電源供電，因?yàn)闃漭奢敵龅目刂菩盘?hào)不足以驅(qū)動(dòng)電源繼電器的開關(guān)，故加裝了一個(gè)SRD-05VDC-SL-C小型功率繼電器。從而實(shí)現(xiàn)樹莓派發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁鎖開鎖這一流程。其中SRD-05VDC-SL-C小型功率繼電器的VCC和GND均使用樹莓派針腳提供的，另外繼電器的高電平控制端接一個(gè)GPIO針腳（OUTPUT模式）。在程序的設(shè)計(jì)上，我們可以很方便地控制門鎖開關(guān)。

對于門狀態(tài)的監(jiān)聽，我們采用的方法是：從樹莓派GPIO針腳引出一個(gè)1信號(hào)，門鎖和門擋之間嵌一塊銅片，之后再放回GPIO輸入針腳。通過監(jiān)聽這個(gè)輸入針腳，當(dāng)門處于閉狀態(tài)時(shí)，該信號(hào)為1，當(dāng)門處于開狀態(tài)時(shí)，該信號(hào)為0。

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)涉及到軟件（程序）編寫的地方有：樹莓派、服務(wù)端、客戶端。樹莓派上主要寫入的是偏向于門鎖的控制、監(jiān)聽程序；服務(wù)端是服務(wù)器上運(yùn)行的服務(wù)于客戶端的程序，同時(shí)也作為樹莓派的上位機(jī)；客戶端是直面用戶的，主要為用戶提供信息查詢服務(wù)的程序。

1.樹莓派上的程序設(shè)計(jì)

樹莓派主控程序由C語言編寫，主要作用如下：

（1）監(jiān)聽門的開閉狀態(tài)

在前文開鎖機(jī)制的實(shí)現(xiàn)中提到，對于門狀態(tài)的監(jiān)聽是通過門鎖和門擋之間嵌入銅片實(shí)現(xiàn)的，樹莓派上設(shè)計(jì)了一個(gè)線程，專門用于監(jiān)聽這個(gè)信號(hào)。同時(shí)，如果門的狀態(tài)由閉變成開，程序會(huì)發(fā)送驗(yàn)證請求到服務(wù)器，由服務(wù)器判斷此次開門動(dòng)作的合法性（即是否由用戶輸入指紋而發(fā)生）。如果服務(wù)器反饋正常，打開揚(yáng)聲器播報(bào)歡迎語音（可設(shè)置取消），監(jiān)聽程序等待門重新閉合，重新開始新的監(jiān)聽工作；如果服務(wù)器反饋異常，則打開揚(yáng)聲器播報(bào)警告。

（2）硬件控制

這一部分主要用于對指紋識(shí)別模塊和門鎖開關(guān)驅(qū)動(dòng)的控制，綜合運(yùn)用了指紋識(shí)別模塊的23條指令來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的核心需求——指紋開鎖。同時(shí)，該部分還與通信程序結(jié)合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開鎖、開鎖日志等功能。

以遠(yuǎn)程開鎖流程為例，當(dāng)用戶在遠(yuǎn)程手機(jī)端點(diǎn)擊開鎖按鈕后，手機(jī)APP發(fā)送請求至服務(wù)器，服務(wù)器解析出手機(jī)APP發(fā)送的數(shù)據(jù)包，先把操作記錄到數(shù)據(jù)庫中，然后按照樹莓派與服務(wù)器的約定，等待樹莓派讀取服務(wù)器上的開鎖指令。樹莓派讀取到指令后，開啟一個(gè)讓GPIO第21號(hào)針腳變高電平并持續(xù)1.5秒的線程。此時(shí)，電磁鎖通電，鎖舌縮進(jìn)，即開鎖。

2.服務(wù)器端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)中，服務(wù)器與樹莓派之間的業(yè)務(wù)聯(lián)系都是通過Socket連接，使用Java語言和MySQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，與手機(jī)APP之間的業(yè)務(wù)聯(lián)系都是通過HTTP協(xié)議，采用JSON數(shù)據(jù)格式，使用PHP語言和MySQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。服務(wù)器端主要起到以下兩個(gè)作用：

（1）接收并存儲(chǔ)樹莓派發(fā)來的安全信息：

樹莓派每1.5秒攜帶樹莓派的相關(guān)信息（如：樹莓派的工作狀態(tài)、指紋識(shí)別模塊的工作狀態(tài)、門的開閉狀態(tài)等）訪問一次服務(wù)器，服務(wù)器端接收這些信息后，根據(jù)分類，把這些信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫里面。同時(shí)還讀取數(shù)據(jù)庫里面存儲(chǔ)的發(fā)送到樹莓派的指令隊(duì)列（這些指令主要由用戶從APP端發(fā)送過來），并返回給樹莓派。此時(shí)，如果手機(jī)APP端沒有特殊的指令要求，一般返回讓樹莓派正常工作的指令。這一部分從Java語言，通過Socket實(shí)現(xiàn)，使用了JDBC連接MySQL數(shù)據(jù)庫。

（2）讀取信息并反饋給手機(jī)客戶端：

這一部分可以看作微型的信息服務(wù)系統(tǒng)，整個(gè)流程大致如下：由手機(jī)APP發(fā)送查詢請求，接口程序從數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)里面找到相應(yīng)的條目，然后加工處理成JSON數(shù)據(jù)返回給手機(jī)APP。手機(jī)APP讀取到這些數(shù)據(jù)后，加載到界面上顯示給用戶看。其中，手機(jī)APP采用Java語言，基于安卓系統(tǒng)編寫，接口程序使用PHP語言編寫。

3.手機(jī)APP的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

手機(jī)APP的開發(fā)基于當(dāng)前最流行的安卓平臺(tái)的，軟件分成前臺(tái)頁面、數(shù)據(jù)處理、業(yè)務(wù)邏輯、獨(dú)立工具四層結(jié)構(gòu)。限于篇幅，涉及到的軟件工程中開發(fā)實(shí)施過程中的技術(shù)細(xì)節(jié)，本文不詳加介紹。功能上，該APP具有查詢門鎖開關(guān)信息（如：門編號(hào)、開門人、開門所使用的指紋編號(hào)、詳細(xì)時(shí)間等）、查詢門鎖異常狀態(tài)（如：發(fā)生時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、門編號(hào)等）、查詢樹莓派端硬件狀態(tài)（如：系統(tǒng)時(shí)間、指紋模塊工作狀態(tài)、監(jiān)聽模塊工作狀態(tài)）等功能。

出乎意料的是，我們還很容易地就額外做出遠(yuǎn)程開鎖這一功能，這也進(jìn)一步說明了這種系統(tǒng)架構(gòu)具有很強(qiáng)的可拓展性。

三、發(fā)展趨勢

指紋技術(shù)這些年不斷成熟與進(jìn)步，同時(shí)也一步步擴(kuò)大了民用市場。因?yàn)槊裼弥讣y識(shí)別技術(shù)是“可知主體”的，“比對”速度較快，準(zhǔn)確率高，較之刑偵應(yīng)用更易普及，所以具備了大規(guī)模推廣和市場的基礎(chǔ)。本文設(shè)計(jì)的基于樹莓派的指紋識(shí)別門禁系統(tǒng)，可以定時(shí)檢測門鎖狀態(tài)并采用無線通訊方式向用戶的手機(jī)APP里發(fā)送信息以及警報(bào)信息，還大大增強(qiáng)了門鎖的安全性。隨著社會(huì)的發(fā)展，普通的單機(jī)門禁系統(tǒng)已經(jīng)越來越跟不上小區(qū)以及景點(diǎn)的智能化發(fā)展，依賴樹莓派這部功能強(qiáng)大的電腦進(jìn)行改進(jìn)不失為一個(gè)好的解決方案。

四、結(jié)語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于樹莓派的指紋識(shí)別門禁系統(tǒng)。與樹莓派巧妙結(jié)合，并應(yīng)用與智能手機(jī)等移動(dòng)終端，增強(qiáng)了與用戶之間的互動(dòng)性，用戶體驗(yàn)效果好，加強(qiáng)了門禁系統(tǒng)的安全性，具有更好地應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]王瑩.基于指紋識(shí)別技術(shù)的智能門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].指紋識(shí)別技術(shù)，2014.

[2]陳偉利，韓成浩.基于指紋識(shí)別技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)式門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].指紋識(shí)別技術(shù).安防科技，2008，29（6）：78-80.

[3]指紋識(shí)別技術(shù)的發(fā)展前景及四大類型.http：//project.21csp.com.cn/c172/201408/73604.html.

基金項(xiàng)目：2016年江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（scx1601）