基于指纹识别技术的校园数字化信息管理系统

冯子衡，杨守良，廖长荣，邓 于

(重庆文理学院电子电气工程学院，重庆 永川 402160)

随着学校信息化建设的推进，数字化信息管理技术在教学、管理中的作用越来越大.市场上应用较普遍的一种校园数字化信息管理系统是借助于IC卡进行个人身份识别，并借助于有线网络进行数据传输.IC卡存在易丢失、易被盗、易消磁、易被折断、制造消耗资源等弊端;有线网络存在组建、运行、维护成本高，组网不灵活，改线、布线困难等缺陷.

指纹识别技术和无线局域网(Wireless Local Area Network)的兴起可以有效解决上述系统存在的缺陷.指纹识别技术属于模式识别的范畴，具有扫描速度快、价格低廉的优点;无线网络技术是对有线局域网的一种补充和扩展，被广泛应用于各种移动通讯领域，通信范围不受环境条件的限制，传输范围宽，相对于有线网络具有部署灵活、宽带宽、延展性强、组建、容易配置和维护等特点［1］.

1 系统总体设计

基于指纹识别技术的校园数字化信息管理系统主要由中心管理系统(Central Management System)、管理子系统和智能终端组成;中心管理系统及管理子系统安装在计算机服务器中.管理子系统包括学生、教职工管理子系统，图书馆管理子系统，宿舍管理子系统，电子消费、缴费管理子系统.学生、教职工管理子系统又包括学生上课、考试签到管理终端和教师管理终端等类型.图书馆管理子系统又包括图书借阅管理终端和职员管理终端两种类型.宿舍管理子系统又包括门禁管理终端、水电管理终端两种类型.电子消费、缴费管理子系统又包括餐厅、食堂消费终端，水、电、网缴费终端，校园超市消费终端、校园理发店消费终端等若干种类型.中心管理系统对校园内的各子系统进行统一管理和维护具有管理的最高权限，智能终端与上层各子系统间通过Wi-Fi或GPRS无线网络进行数据通讯.系统结构如图1所示.

2 上层管理系统的设计

上层管理系统由中心管理系统和各管理子系统组成，主要实现对用户个人信息进行保存更新和管理，其采用Java MVC分层设计模型，将PC管理系统GUI、数据库操作、后台逻辑处理、终端通信处理等进行分离，从而达到使系统结构清楚、修改容易、可扩展性强等目的.

图1 系统结构图

系统与终端间通信采用适用性更广的Socket网络通信，双方采用商定的协议进行数据交换.系统收到设备数据请求，即进行逻辑判断处理，如果请求合理，就进行相应的数据处理，并返回处理结果.其结构图如图2和图3所示.

图3 系统内部逻辑结构图

数据中心采用的开源免费SQL数据库是多用户的大型数据库，允许多个用户同时使用统一数据库而不会破坏其完整性，可以保证数据的安全.系统对用户实行分级授权管理模式，通过检查使用者的授权权限，赋予其相应的操作权.防火墙功能及完善的数据备份功能可以防备系统受到人为的恶意攻击，并可在系统硬件故障时，在新的硬件系统上数据无丢失地重启系统.

3 智能终端的设计

智能终端结构如图4所示，主要由微处理器模块、指纹识别模块、HMI触控彩屏模块、Flash存储器模块、无线Wi-Fi或透明传输GPRS模块和电源模块组成.

图4 智能终端结构

指纹识别模块用于对用户指纹特征的采集与处理，触控彩屏用于信息显示与触控操作，Flash存储器用于数据缓存与断点保存，Wi-Fi或GPRS模块主要是实现智能终端与上位机间的无线通信.

3.1 硬件设计

微处理器采用 STM32f103vet6单片机，STM32f103vet6作为无线片上系统(SoC)，硬件资源丰富，内含ARM 32位的Cortex-M3 CPU，丰富的I/O外设接口，最高工作频率达72 MHz.内置了3个同步/异步收发器(USART1、USART2和USART3)、2个通用异步收发器(USART4和USART5)、2个IIC总线接口和3个SPI接口.

USART接口提供异步通信，支持红外传输编解码、多处理器通信模式、单线半双工通信模式和LIN主/从功能.USART1接口通信速率可达4.5 Mbps，其他也可达2.25 Mbps.USART1、USART2和 USART3接口具有硬件的 CTS和RTS信号管理与兼容ISO7816的智能卡模式和类SPI通信模式，除了 USART5，其他都可使用DMA操作.IIC总线接口能工作于多主从模式，并支持标准和快速模式，内置了CRC发生器/和校验器，可以使用DMA操作，并支持SMBus总线和PMBus总线.其SPI接口在从或主模式下，全双工和半双工的通信速率可达18 Mbps，3位的预分频器可产生8种主模式频率，可配置每帧8位或16位.硬件的CRC产生/校验支持基本的SD卡和MMC模式.所有的SPI接口都可以使用DMA 操作［2］.

指纹采集模块采用SM-621指纹采集模块.该系列指纹采集模块采用光学指纹传感器，由高性能DSP处理器和Flash等芯片构成，具有指纹图像处理、模板提取、模板存储等功能.指纹图像读取过程中，采用自适应参数调节机制，使干湿手都有较好的成像质量，其优异的算法对变形和质量差的指纹均有较好的校错和容错性能，使用人群广泛;指纹录入时间小于250 ms，认假率小于0.001﹪，拒真率小于1.5﹪，适用于从低端到高端的所有指纹系统.电路接线如图5所示，为了提高芯片输入信号的噪音容量并增强其抗干扰能力，采用上拉电阻的方式，分别将其第2(TXD)、3(RXD)脚通过10 K上拉电阻R3、R4接引脚VCC.

图5 指纹识别模块

无线Wi-Fi模块采用USR—Wi-Fi232—2系列的RS232/RS485转以太网模块，通过该模块实现指纹识别智能终端与各子系统之间的数据通讯.USR—Wi-Fi232—2系列的 RS232/RS485转以太网模块是用来将TCP网络数据包或UDP数据包与RS232或RS485接口数据实现透明传输的设备.它内部集成了TCP/IP协议栈，用户利用它可以轻松完成嵌入式设备的网络功能，将原有串口设备升级成网络功能.串口服务器集成10/100 M自适应以太网接口，串口通信最高波特率高达230.4 Kbps，具有TCP Server，TCP Client，UDP以及UDP server工作模式.

电路接线如图6所示.第1脚(VCC)接+5 V直流电压，第4脚(GND)接 G1.USR—Wi-Fi232—2系列的RS232/RS485转以太网模块的第2脚(TXD-232)、第3脚(RXD-232)分别接9针串口的第2脚(PC_RX)、3脚(PC_TX).

图6 无线Wi-Fi模块

3.2 软件设计

智能终端采用基于ARM 32位的Cortex-M3 CPU的实时操作系统(RTOS)，具有实时性强、源码开源、向上兼容性强等优点，完成的主要功能包括用户指纹特征提取、数据封包、人机交互、数据运算和传输等.

智能终端第一次上电时，执行冷启动(Cold Boot).之后系统初始化，加载Flash中的程序，然后智能终端应用网络协议栈进行无线WLAN连接.智能终端联网成功后，应用程序连接配置服务器，并注册本节点的相关信息，同时允许此服务器向智能终端发送配置信息.智能终端完成参数配置后，执行用户程序.为了节省电能，节点无需一直处于活跃状态，当外部有Alarm触发信号时，唤醒节点，进行相关应用程序的操作［3］.

智能终端应用程序包括初始化程序、主程序和中断子程序3个部分.为了提高程序的通用性和较好的移植性，在编程时采用模块化编程.主程序主要完成硬件和软件初始化，开启外部中断，定时器中断.中断子程序主要用于对指纹识别模块、HIM触控彩屏模块和无线Wi-Fi模块控制操作.智能终端首先初始化应用程序的运行环境，并启动实时操作系统RTOS，完成Cortex-M3内核、终端和串口模块的初始化，在RTOS启动后完成Flsah驱动和定时器等模块的初始化，然后应用程序启动内核.当用户在智能终端上进行身份确认时，智能终端中的指纹采集模块对用户的指纹特征进行提取，并通过Wi-Fi无线网络传送到各子系统数据库中，进行搜索、对比.如果匹配成功，系统便调取此人的相关信息到智能识别终端，在对数据进行相关操作后，重新输送回相应子系统的数据库中覆盖掉旧的数据信息.整个系统工作流程如图7所示.

图7 系统工作流程

4 结语

本文提出的一种基于指纹识别技术的校园数字化信息管理系统，不仅能有效解决现行的基于IC卡身份识别技术和利用有线网络进行数据传输的校园数字化信息管理系统存在的缺陷，并且能够实现对用户的个人信息、宿舍门禁系统管理与权限控制、图书馆图书借阅、学生签到等信息的管理;并能有效解决学生缺勤、考试作弊的身份识别等问题.本系统抗干扰能力强、易于管理、组网灵活，系统运行和维护成本低，具有推广应用价值.

［1］自动化低功耗 GPRS［EB/OL］.(2013-09-27)［2013-10-16］.http://baike.baidu.com/view/1307.htmJHJrefIndex_1_1307.

［2］STM32F101xx和STM32F103xx ARM内核32位高性能微控制器［EB/OL］.(2007-10-13)［2013-12-10］.http://www.st.com/stonline/products/literature/rm/13902.pdf.

［3］吴静然，李季凤，吴倩.基于Wi-Fi的煤矿井下智能终端设计［J］.工矿自动化，2013，39(4):5-8.

［4］董立羽.现代生物特征识别技术发展综述［J］.电脑与信息技术，2007，10(5):11-13.

［5］黄永康.指纹识别技术在图书馆管理中的应用［J］.科技情报开发与经济，2007，17(33):35-36.

［6］曾建一.指纹识别技术的研究［J］.自动化技术与应用，2007，26(8):74-76.

［7］曹国平.基于FPS110的智能指纹识别系统设计［J］.网络安全技术与应用，2011(11):53-54.

［8］吴成枫，赵振华.基于指纹识别技术的智能门禁系统研究［J］. 微型电脑应用，2012，28(6):45-47.

［9］吴作好.几种人体生物特征的生物识别技术比较［J］.现代电子技术，2007(14):121-124.