基于ARM单片机的人身安检装置的设计

沈 毅，董浩明

（1武汉建筑设计院，湖北 武汉430014；2武汉市特种设备监督检验所，湖北 武汉430019）

由于中国人口数量庞大，每逢春运和国庆黄金周旅游高峰时，各地的车站和机场承受着极重的负荷，同时也给国内交通运输的安全性带来了极大的隐患.近年来，我国的交通安全管理水平已经得到了很大的提升，但仍然存在效率低下、服务态度差以及安保不力等各种问题［1，2］.对乘客的人身安检是保障乘车（机）环境安全的重要举措.人身安检主要包括对乘客是否携带金属物品的检测和对乘客身份的认证［1］.本检测系统针对目前我国车站主要靠人工挨个检查旅客身份的现状，将物联网射频识别技术和指纹识别等人工智能识别技术相结合，实现旅客身份识别智能化、高效化.

1 安检系统工作原理

1.1 金属探测器工作原理

金属探测利用电磁感应现象.当金属物靠近导电线圈时，使其周围的磁场发生变化；当继续靠近时，其内部会产生闭合的感应电流，即涡流效应［6］.金属探测器正是利用这种效应来探测金属物体，通常有差拍式、自激式和平衡式三种检测电路［5］.本探测设备采用平衡式检测方法.它相对于另两种方式具有更好的稳定性，而且便于结合前沿的控制技术.

接收线圈中产生的反相等幅的电动势使其相消平衡，当有金属物穿过线圈时，其磁场发生变化，从而产生出一个电势差［6］.接收线圈能检测出该电势差，该信号滤波和放大后，传送给控制核心，通过指示灯显示并发出报警.由于平衡式探测器有一个平衡补偿线圈，由闭环负反馈控制原理可知它能保证输出信号免受外界干扰.

平衡式金属探测原理见图1.其传感器部分主要包括发射线圈、接收线圈和一个平衡调节电路.该电路工作稳定，能有效避免电磁等干扰.

图1 平衡式金属探测器原理图

1.2 身份识别原理

1.2.1 二代身份证阅读器原理 目前国内使用的第二代身份证其实是一种非接触式IC智能卡.它具有高防伪性能、存储信息量大和功能性强等特点.非接触式IC卡主要由射频接口、存取控制器和存储器组成［7－9］.它成功地结合了射频识别和IC卡技术，解决了无电源和非接触的问题.该系统主要由寻呼和应答两部分功能组成，其中应答器是射频识别的关键.身份证阅读系统.通过发射器利用载波把无线激励信号发送给身份证，其内部IC卡相当于应答器.

非接触式IC卡工作原理见图2.读卡器发送载波信号，IC卡进入工作区接收发射过来的信号.IC卡内部的射频接口将其转换成电压信号，形成时钟和数据［8－9］.存取控制模块调制其内容至载波信号，送给读卡器，再通过解调后送至后台计算机，做出相应的处理和控制.

图2 非接触式IC卡工作原理图

1.2.2 指纹识别原理 由于指纹的唯一性决定了它更高的安全性，而且不需要记忆密码.指纹识别原理：通过图像采集器采集指纹信息，然后由后台计算机进行图像处理并提取其特征值，最后与二代身份证中的数据进行对比［10－11］.借助二代身份证和指纹的特殊性，可以实现对乘客身份认证的人物合一.

图3 指纹识别与身份验证流程

本装置将指纹采集和非接触式IC卡读卡功能集于一体，采用嵌入式系统，既可以脱离数据库和网络的支持现场自动验证身份，也可以联入后台计算机经互联网控制终端验证.指纹识别与身份验证流程见图3.

该方案的实施需要用户注册指纹，由统一的认证中心采集用户的指纹图像，经过增强和锐化等处理后，提取特征值数据存入到二代身份证中.与此同时给每个用户匹配一个ID号，将相应的数据存储到后台计算机中，便于联网控制.验证时，只需将现场采集的指纹信息与身份证中存储的信息对比匹配，如若身份不符，发出声光报警信号.

2 系统硬件设计

本系统以Cortex M3－LPC1768ARM嵌入式单片机为主要控制核心，工作频率高达100M，外围扩展了RAM和FLASH等存储芯片.该单片机采用3级流水线设计和哈佛指令结构，代码执行速度快.它有丰富的增强I／O端口和外设，通信能力强，功耗低.

控制系统硬件结构见图4.主要由非接触式IC卡接口电路与天线电路、指纹采集模块、金属检测模块、液晶显示与键盘模块、通信模块、复位和调试电路、蜂鸣报警和LED指示电路等组成.LPC1768微处理器作为系统的核心，控制整个系统.单片机的串口与指纹身份识别模块及金属检测模块相连，进行数据和指令的传送，从而完成指纹的比对、存储，金属物品的探测等功能.

图4 系统硬件结构图

2.1 通信设计

由于指纹图像的数据量很大，需要高速的通讯接口来实现指纹图像的上传，以提高指纹图像的采集速度.

USB总线是一种基于网络思想的串行数据通讯方式，其总线上可同时挂接多个USB设备，具有较高的通讯速率，能满足大量数据高速传输的要求，并且可以提供500mA的电流，无需外接电源适配［11－12］.因此，本装置选用 USB接口作为通讯接口.为了提高指纹采集数据及通讯速度，可采用双节点提高通讯效率，通信接口设计见图5.

图5 通信接口原理图

2.2 天线电路设计

读写器的天线主要用于产生磁通量向二代身份证提供电源并能够发射信号传输数据信息.天线藕合电路见图6.图中电容C23、C24、C26、C27的值是由天线决定的，需要根据实际调整.它们电容值的大小密切影响读卡器的读写距离［11］.

为使读卡器处于最佳性能状态，可以通过示波器观察输出的波形来调整并确定这些电容的值.经过多次实验和调整，该装置选用的电容参考值如下：C23，150pf；C24，18pf；C26，150pf；C27，22 pf.

图6 天线藕合电路图

3 软件控制

3.1 数据采集流程

数据采集过程主要包括金属探测数据和指纹采集数据，通过外电路的调理直接利用单片机内部AD转换器进行采样.采集流程见图7.首先单片机初始化设定初值，然后开启总中断开关并选取中断通道.将连续采样到的多个数值通过平均取值滤波后保存，采集完毕置位标志位，并将偏离平均值较大的数值剔除，以保证采样的准确性.

图7 数据采集流程图

3.2 指纹识别流程

该部分完成指纹图像的采集和处理，以及读／写IC卡等功能.指纹识别过程需要保证采集到的指纹特征值明显，易于辨识.每个指纹至少要采集4次以上，然后根据这些采集数据通过数字图像处理方法提取共同特征点，再将这些特征值存入到身份证IC卡中.指纹识别流程见图8.

图8 指纹识别流程图

4 结论

将手持式金属探测器与身份识别技术相结合，采用了非接触式IC卡与指纹识别技术，通过ARM嵌入式微处理器综合控制，设计出了手持式一体化安检装置，极大地提高了安检的工作效率和智能化程度.

人身安全检查是保障乘客安全的最重要的手段.随着科学技术的进步和发展，不法分子的犯罪手段也越来越趋于高科技化，作案装置愈加隐蔽.手持式金属探测与身份识别一体化简易安检装置只能检测由金属做成的物体，而炸药、毒品等化学物品尚不能探测.随着物联网传感器技术和人工智能识别技术的发展，人身安检与行李物品的安检将趋向一体化，省去了乘客上下行李的过程，使安检过程更加智能化，便捷化.

当前射频技术的安全性问题仍然值得关注，如数据在通信过程容易被截取而泄漏，另外还需要解决多卡和多证件之间的数据干扰问题.除了技术因素，在安检实际工作中，它还受人为因素的影响和制约，因此提高工作人员的防范意识和安保技能也将充分有效地发挥高科技的优势［1］.

［1］李 琳.提高人身安检现场安全系数问题讨［J］.中国人民公安大学学报（自然科学版），2007，3（3）：90－94.

［2］曾俊杰.机场安检设置与优化［J］.知识经济，2009（12）：173－174.

［3］李福会，高瑞峰.首都防爆安检装备发展现状［J］.警察技术，2007（4）：47－50.

［4］潘韶腾.客运班车智能安检系统及其创新［J］.科技信息，2007（4）：23－24.

［5］常 谦，李宝贵.金属探测器的现状与发展前景［J］.中国安防产品信息，2002（4）：45.

［6］刘慧娟.一种新型智能金属探测器［J］.北方交通大学报，2007，25（1）：55－56.

［7］凌 捷.非接触式指纹智能卡的关键技术研究［J］.计算机工程与应用，2001：14－16.

［8］范 恒.非接触式IC卡的设计与研究［D］.上海：中国科学院上海冶金研究所，2002.

［9］安静宇.基于非接触式IC卡门禁系统的设计［D］.西安：西安科技大学图书馆，2006.

［10］梁 珊.自动指纹识别技术研究［D］.长沙：中南大学图书馆，2011.

［11］许 建.嵌入式指纹识别硬件系统平台的设计［D］.沈阳：中北大学图书馆，2010.

［12］周立功.ARM微控制器基础与实践［M］.北京：航空航天出版社，2002.