指紋識(shí)別技術(shù)在高校食堂消費(fèi)系統(tǒng)中的應(yīng)用

吳桐 張青 王良記 孫雪梅 周登苗

摘要：本項(xiàng)目從高校學(xué)生食堂就餐存在的問(wèn)題以及校園一卡通丟失問(wèn)題入手，擬以當(dāng)前最熱門(mén)的生物射頻指紋識(shí)別技術(shù)為核心。該項(xiàng)技術(shù)對(duì)于困難手指的通過(guò)率高達(dá)99.5%，是目前已有技術(shù)中通過(guò)率最高的一種，而且它的防偽能力也是目前最好的之一，恰好解決了指紋識(shí)別速度慢的大問(wèn)題。在此基礎(chǔ)并結(jié)合嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)，綜合可編程控制技術(shù)，對(duì)所需軟、硬件的研究。該項(xiàng)目專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了指紋識(shí)別系統(tǒng)的程序，可用于付款，識(shí)別身份等領(lǐng)域，比如員工上班打卡、食堂用餐支付系統(tǒng)等等。

關(guān)鍵詞：指紋識(shí)別;個(gè)人消費(fèi);總體框架;身份識(shí)別;安全便捷

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）04-0180-03

收稿日期：2019-10-30

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目名稱(chēng)：基于“食堂”飯卡設(shè)備的研究;編號(hào)：201810959045）

作者簡(jiǎn)介：吳桐（1997—），男，安徽桐城人，學(xué)生，本科，研究方向?yàn)闄C(jī)器人工程;張青（1999—），女，安徽合肥人，學(xué)生，本科，研究方向?yàn)闄C(jī)器人工程;王良記（1998—），女，安徽淮南人，學(xué)生，本科，研究方向?yàn)闄C(jī)器人工程;孫雪梅（1998—），女，安徽阜陽(yáng)人，學(xué)生，本科，研究方向?yàn)闄C(jī)器人工程;周登苗（1999—），女，安徽淮南人，學(xué)生，本科，研究方向?yàn)闄C(jī)器人工程。

Application of Fingerprint Identification Technology in College Canteen Consumption System

WU Tong，ZHANG Qing，WANG Liang-ji，SUN Xue-mei，ZHOU Deng-miao

（School of Robotics Engineering，Anhui Sanlian University，Hefei 230031，China）

Abstract：This project starts with the problems existing in the dining hall of college students and the loss of campus all-in-one card，and plans to take the most popular biological radio frequency fingerprint identification technology as the core.The pass rate of this tech-ability is also one of the best at present，just solved the big problem of slow fingerprint identification speed.On this basis and combined with the embedded microcontroller system，integrated programmable control technology，the required software and hardware research.The project has designed the program of fingerprint identification system，which can be used for payment，identification and other fields，such as employee clock in，canteen meal payment system and so on.nology to difficult finger is as high as 99.5%，it is the highest pass rate in the existing technology at present，and its anti-counterfeiting

Key words：fingerprint identification;personal consumption;general framework ;identification;safe and convenient

如今越來(lái)越多的地方都需要識(shí)別身份，簡(jiǎn)單的利用照片、密碼、身份證等簡(jiǎn)單的身份識(shí)別方式無(wú)法滿(mǎn)足身份識(shí)別準(zhǔn)確度，例如政府機(jī)構(gòu)、重要會(huì)議、金融機(jī)構(gòu)、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、交通機(jī)構(gòu)等地方都需要。該項(xiàng)目涉及生物特征識(shí)別技術(shù)，采用人的生理特征或者行為特征，來(lái)進(jìn)行人物的身份鑒定，這種技術(shù)的安全性、方便性、唯一性、不變性都很好，能夠在很多特殊的場(chǎng)合得到更好的應(yīng)用。指紋是生物特征的一種，指紋識(shí)別技術(shù)從被發(fā)現(xiàn)時(shí)起，就在民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。因?yàn)槊總€(gè)指紋都是不一樣的，就算是雙胞胎的指紋，相似度很高，但是細(xì)節(jié)特征也會(huì)存在一定的差異。由于人體指紋具有終身穩(wěn)定性和唯一性，很早被用于刑事偵查，被稱(chēng)為“物證之首”。如今，目前，指紋識(shí)別已被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，在全球絕大多數(shù)的國(guó)家、地區(qū)都應(yīng)用到指紋識(shí)別，尤其是在軍隊(duì)、銀行政府、教育、企業(yè)、電子商務(wù)等領(lǐng)域中，指紋識(shí)別起到了不可小覷的作用，因此指紋識(shí)別系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)中具有重大的經(jīng)濟(jì)效益。

指紋識(shí)別的大致過(guò)程是這樣的：首先要采集用戶(hù)指紋;然后計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)提取特征，將提取后的特征作為模板保存在數(shù)據(jù)庫(kù)或其他指定的地方。在識(shí)別或驗(yàn)證階段，首先要采集用戶(hù)指紋，然后計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)提取特征點(diǎn)，提取后的待驗(yàn)特征點(diǎn)將與數(shù)據(jù)庫(kù)中的模板進(jìn)行比對(duì)，輸出比對(duì)結(jié)果。在很多重要的場(chǎng)合，用戶(hù)除了要輸入指紋，還要輸入一些其他的輔助信息，以幫助系統(tǒng)進(jìn)行匹配，如賬號(hào)、用戶(hù)名、密碼等。整個(gè)識(shí)別的過(guò)程都是通用的，適用于所有的生物特征識(shí)別技術(shù)。

使用指紋識(shí)別個(gè)，人消費(fèi)的優(yōu)缺點(diǎn)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，我們面臨著個(gè)人隱私泄露的危險(xiǎn)和高效生活的挑戰(zhàn)。而指紋識(shí)別消費(fèi)就能同時(shí)解決這兩個(gè)問(wèn)題，但這種技術(shù)也有優(yōu)缺點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)：在人員密集的學(xué)校和公司等場(chǎng)所使用指紋識(shí)別只需直接在食堂窗口的終端設(shè)備按下手指就可以消費(fèi)，大幅度提升便攜性，并且也可以緩解擁堵問(wèn)題;傳統(tǒng)式的IC卡容易丟失，制作成本高，并且IC卡中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)容易丟失、篡改，而在使用指紋識(shí)別消費(fèi)時(shí)就不會(huì)出現(xiàn)這些問(wèn)題。

缺點(diǎn)：在對(duì)干、濕、臟的指頭或磨損嚴(yán)重的指紋采集時(shí)的變形是指紋采集消費(fèi)需要解決的主要問(wèn)題;而終端設(shè)備也完全依賴(lài)后端的服務(wù)器，不能在離線模式下使用;指紋識(shí)別不同于IC卡的芯片能儲(chǔ)存部分消費(fèi)者信息，即使在服務(wù)器因環(huán)境或設(shè)備自身等因素產(chǎn)生粗大誤差，使用戶(hù)信息丟失而追回的幫助作用。

1 平臺(tái)的搭建和原理

1.1 采用硬件的選擇

R305指紋識(shí)別模塊、電源模塊、S3C2440開(kāi)發(fā)板、WIFI模塊、LCD顯示屏。

相關(guān)軟件需要添加LCD顯示驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)卡程序、燒寫(xiě)軟件dnw、WIFI驅(qū)動(dòng)程序。

1.2 架構(gòu)的原理和方法

1）開(kāi)發(fā)板及各功能模塊介紹：

2）開(kāi)發(fā)板S3C介紹：三星公司的16/32位精簡(jiǎn)指令集（RISC）微處理器S3C2440A，基于ARM920T核心，0.13μm的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)器單元，它采用了新的總線架構(gòu)如先進(jìn)微控制總線構(gòu)架（AMBA）。

運(yùn)行時(shí)cpu執(zhí)行程序，首先將程序燒錄進(jìn)開(kāi)發(fā)板，程序在SDRAM中運(yùn)行，開(kāi)機(jī)程序不能直接運(yùn)行，但SRAM可以運(yùn)行，所以在SRAM中運(yùn)行一個(gè)小程序來(lái)初始化cpu、初始化內(nèi)存、初始化nandflash，就可以引導(dǎo)程序運(yùn)行起來(lái)。

3）指紋處理過(guò)程包含：指紋錄入和指紋匹配。指紋錄入時(shí)，首先對(duì)每一枚指紋錄入2～4次，再將多次錄入的圖像進(jìn)行處理，最后，合成模板存儲(chǔ)于模塊中。指紋匹配時(shí)，先通過(guò)指紋頭傳感器錄入要驗(yàn)證的指紋圖像并進(jìn)行處理，然后將剛錄入的指紋圖像信息與模塊中的指紋模板進(jìn)行匹配比較。為了方便用戶(hù)使用，在模塊內(nèi)部安裝手指探測(cè)電路。

4）液晶模塊接口設(shè)計(jì)：液晶模塊選用基于串口HMI（Hu-man Machine Interface，人機(jī)界面）的TJC4832T035_011X電阻式真彩觸摸液晶顯示模塊。HM I串口的接口特點(diǎn)為：①串口HMI的接口與MCU總線屏一樣對(duì)硬件沒(méi)有任何要求;②串口HMI的接口沒(méi)有速度瓶頸，因?yàn)榻缑娴娘@示是設(shè)備內(nèi)部自己實(shí)現(xiàn)的，并不需要底層驅(qū)動(dòng)。

1）第一層：這一層是硬件層，主要是指紋模塊，其中有指紋采集模塊，其主要功能是獲取指紋圖像像素信息和完成指紋識(shí)別中各種常用的功能，例如采集圖像、上傳圖像、生成特征點(diǎn)、保存特征點(diǎn)、注冊(cè)指紋、刪除特征點(diǎn)和注銷(xiāo)指紋等功能。在這個(gè)模塊中會(huì)有特定的通信協(xié)議和通信方式，可以采用USB和UART等，這些通信方式主要用于傳輸指紋模塊同處理器間的數(shù)據(jù)。

2）第二層：這一層是驅(qū)動(dòng)層，基本是通信方式的驅(qū)動(dòng)程序，因?yàn)橹饕侵讣y識(shí)別模塊在Linux中的驅(qū)動(dòng)程序，比如UART.USB等。對(duì)于采用USRT通信方式，在Linux內(nèi)核中，可以忽略集成UART控制器的處理器都已將驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)完畢。對(duì)于采用USB通信，則需要依據(jù)USB協(xié)議開(kāi)發(fā)出適用于指紋模塊的驅(qū)動(dòng)程序。

3）第三層：這一層是通信層，主要是處理器和指紋模塊間的通信程序，它的功能是將指令和數(shù)據(jù)在處理器和指紋模塊間進(jìn)行傳輸。因?yàn)樵贚inux系統(tǒng)中，所有的設(shè)備都是以文件的形式進(jìn)行操作的，所以傳輸數(shù)據(jù)就是讀寫(xiě)通訊設(shè)備節(jié)點(diǎn)。比如，如果使用串口通信，那么UART控制器對(duì)應(yīng)了Linux系統(tǒng)中/dev下相對(duì)應(yīng)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，在我們需要采集指紋圖像的時(shí)候，只要打開(kāi)/dev下對(duì)應(yīng)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)文件，寫(xiě)人指令，完成輸入指令后，在該節(jié)點(diǎn)中讀取數(shù)據(jù)，即可完成。

4）第四層：這一層為指紋識(shí)別算法層，這一層是為第一層而建立的，是具有指紋識(shí)別功能的模塊，主要是將采集到的指紋圖像像素信息按照指算法的流程，提取出指紋的特征點(diǎn)，并對(duì)比特征點(diǎn)。主要包括指紋圖像的歸一化、分割、方向場(chǎng)獲取、頻率獲取、增強(qiáng)、細(xì)化以及指紋圖像二值化、提取特征點(diǎn)，特征比對(duì)等算法。這一層直接關(guān)系到整個(gè)指紋識(shí)別系統(tǒng)運(yùn)行的效率，所以至關(guān)重要，既要高效率，還要能夠得到精度高的計(jì)算結(jié)果。

相關(guān)c程序：控制背光：sbit jidianqi=P3^6;sbit RS=P22;sbitRW=P2^1;

sbit E1=P2^O;sbit LEDK=P3^4。

5）第五層：這一層是指紋識(shí)別功能層，主要是實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別中各個(gè)功能的函數(shù)，如采集指紋圖像提取指紋特征點(diǎn)、比對(duì)指紋特征點(diǎn)、刪除注冊(cè)的指紋、清空指紋數(shù)據(jù)庫(kù)、搜索和清除指紋庫(kù)等。這一層就是實(shí)現(xiàn)算法層和通信層的封裝，以便上層的控制：顯示層不用再考慮到下面幾層是如何實(shí)現(xiàn)算法的，便于系統(tǒng)移植。

相關(guān)程序：①頭文件：#include、#inelude#define uchar unsigned char、#define uint unsigned int、#define Dbus PO #define buffer1ID 0x01.#define buffer2ID Ox02、#define queren 0x88 #define tuichu 0x84 .#define shanchu0x82。

②錄入指紋圖像：

void SFG_getimage（）

{

uchar i;

SBUF=0xef;

while（TI==0）;

TI=0;

SBUF=0X01;

while（TI==0）;

TI=0;

SBUF=0XFF;

while（TI==0）;

TI=0;

SBUF=0XFF;

while（TI==0）;

TI=0;

SBUF=0XFF;

while（TI==0）;

TI=0;

SBUF=0XFF;

while（TI==0）;

TI=0;

SBUF=0X01;

while（TI==0）;

TI=0;

SBUF=0X00;

while（TI==0）;

TI=0;

SBUF=0X03;

while（TI==0）;

TI=0;

SBUF=0X01;

while（TI==0）;

TI=0;

SBUF=0X00;

while（TI==0）;

TI=0;

summaf=0x05;

SBUF=summaf;

while（TI==0）;

TI=0;

for（i=0;i《9;i++）

while（RI==0）;

RI=0;）

while（RI==0）;

RI=0;

querenma=SBUF;

while（RI==0）;

RI=0;

sum[1]=SBUF;

while（RI==0）;

RI=0;

sum[0]=SBUF;.

summas=（sum[1]<<8）+sum[0];

③向LCD寫(xiě)命令：

void WriteCommand（uchar command）

ReadBusy）;

RW=0;

Dbus=command;

E1=1;

E1=0;

}

6）第六層：這一層是指紋識(shí)別的控制顯示層，主要是用戶(hù)控制指紋識(shí)別系統(tǒng)，和系統(tǒng)對(duì)用戶(hù)操作的反饋。這一層是由下面的幾個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)整個(gè)指紋識(shí)別系統(tǒng)的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，不依賴(lài)于特定的指紋模塊，能在更換指紋模塊時(shí)能不影響完善的系統(tǒng)功能。

2 總結(jié)和展望

隨著全球信息化和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，人們的生活日新月異，大學(xué)生在校園里能深刻地體會(huì)到信息化生活的便捷，同樣也愈發(fā)意識(shí)到安全與便捷地進(jìn)行信息交換的重要性。近年來(lái)，隨著智能手機(jī)，智能支付，網(wǎng)上購(gòu)物的發(fā)展，指紋識(shí)別技術(shù)在圖像處理、識(shí)別和算法研究方面都得到了發(fā)展，同時(shí)指紋識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用本身具有較好的安全性和高效性，使得指紋識(shí)別個(gè)人消費(fèi)越來(lái)越受歡迎。指紋識(shí)別消費(fèi)IC卡代替學(xué)生、員工在學(xué)校、公司消費(fèi)也會(huì)成為必然趨勢(shì)。

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[通聯(lián)編輯：梁書(shū)]