!基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無線指紋識(shí)別系統(tǒng)

1、48 信息安全摘 要 :本 文 介 紹 了 一 種 基 于 DSP 和 MCU 的 雙 片 結(jié) 構(gòu)的 無 線 指 紋 識(shí) 別 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 實(shí) 現(xiàn)。 本 系 統(tǒng) 由 AES2510和 TMS320VC5507構(gòu)成指紋圖像采集模塊,由 PIC18LF4620和 MRF24J40構(gòu)成基于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的指紋認(rèn)證信息的無線傳輸模 塊。該系統(tǒng)相對(duì)傳統(tǒng)的嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)更適合于人員多和 指紋采集地點(diǎn)發(fā)散的場合,可以作為大型考勤系統(tǒng)的一種解決 方案。關(guān)鍵詞 :指紋傳感芯片 ; 指紋識(shí)別系統(tǒng) ; ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò) 1、 引言目前廣泛應(yīng)用的嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)主要由指紋識(shí)別傳 感器和嵌入式處

2、理器完成指紋信息的采集、分析和比對(duì)來實(shí)現(xiàn) 身份認(rèn)證,進(jìn)而通過串口與上位機(jī)通信實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證信息的 綜合管理,是一種集中式指紋采集系統(tǒng)。本文將提出一種基于 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)的指紋識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),其原理如圖 1所示 1。本系統(tǒng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)為一個(gè)獨(dú)立的嵌入式指紋識(shí)別設(shè)備, 各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過 ZigBee 協(xié)議進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)連接,每個(gè)節(jié)點(diǎn)的指紋 身份認(rèn)證信息通過 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)傳到 ZigBee 中心節(jié)點(diǎn)最后 通過 RS232由上位機(jī)進(jìn)行身份認(rèn)證信息的綜合處理。本系統(tǒng)適 合于指紋采集分散的場合,例如人數(shù)多和采集地點(diǎn)分散的考勤 系統(tǒng)可以采用這種模式。圖 1 基于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的無線指紋識(shí)別

3、系統(tǒng)2、 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議ZigBee 是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率、低 成本、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)包含協(xié)調(diào)器、路 由器和終端設(shè)備三種協(xié)議設(shè)備,可構(gòu)成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò) 23。ZigBee 技術(shù)數(shù)據(jù)速率最大達(dá) 250 Kbps。為了最大限度地延伸電池使 用壽命,功耗必須特別低,使堿性或鋰電池實(shí)現(xiàn)幾個(gè)月甚至 幾年的使用壽命 (通常相當(dāng)于電池的貨架壽命 。從理論上講, ZigBee 技術(shù)最多可支持 65,000個(gè)節(jié)點(diǎn)。對(duì)于指紋采集系統(tǒng)的 身份認(rèn)證信息可由 ZigBee 節(jié)點(diǎn)以接力方式傳送到 ZigBee 中心 節(jié)點(diǎn)進(jìn)而傳給上位機(jī)進(jìn)行綜合處理。3、 指紋識(shí)別節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

4、3.1指紋識(shí)別節(jié)點(diǎn)的工作原理本系統(tǒng)的指紋識(shí)別節(jié)點(diǎn)采用雙片結(jié)構(gòu) 4,是由兩片嵌入式 處理器構(gòu)成的兩個(gè)小系統(tǒng)結(jié)合而成。一個(gè)系統(tǒng)是以高性 DSP 為 核心配以存儲(chǔ)器、指紋傳感器構(gòu)成,完成指紋信息采集、算法 處理、模板存儲(chǔ)等需要較大運(yùn)算量和存儲(chǔ)量的功能的指紋識(shí)別 模塊 ; 另一個(gè)系統(tǒng)以 MCU 為核心配以 ZigBee RF無線收發(fā)器和 天線構(gòu)成的身份認(rèn)證信息無線傳輸模塊,MCU 通過 SPI 總線和 ZigBee RF收發(fā)器連接,MCU 作為 SPI 主控器件實(shí)現(xiàn) ZigBee 協(xié)議層,ZigBee RF收發(fā)器作為從動(dòng)器件和天線共同實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間 信號(hào)的傳輸。兩個(gè)系統(tǒng)間以串行接口來完成狀態(tài)和信息的傳輸,

5、 其結(jié)構(gòu)如圖 2所示。圖 2 指紋識(shí)別節(jié)點(diǎn)工作原理圖3.2 指紋識(shí)別節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計(jì)3.2.1 指紋識(shí)別模塊采用 AuthenTec 公司的 AES2510為指紋傳感器,該傳感 器采用超小型 48腳 BGA 封裝。其體積僅為 13. 5mm×5mm×1.3mm, 其 感 應(yīng) 區(qū) 為 9.7mm×0.81mm,192×16陣 列。 電壓為 2.5V 時(shí),工作在圖像采集模式下該傳感器的電流消耗 為 35mA ; 工作電壓為 2.43.6V,壽命可達(dá) 100萬次。傳感 器還能夠每秒捕獲多達(dá) 240幀圖像,分辨力為 500ppi。多種 接口方式,由 IO

6、SEL0和 IOSEL1引腳決定所處的接口方式。 并可自動(dòng)檢測手指的狀態(tài) 5。 采用 TMS320VC5507-200(BGA 封裝作為指紋識(shí)別的處理單元,TMS320VC5507-200是 TI 公司生產(chǎn)的高性能、低功耗 DSP,最高時(shí)鐘頻率為 200MHz, 具 有 64K×16-Bit片 內(nèi) RAM(64KB的 DARAM+64KB的 SARAM 和 32K×16-Bit片 內(nèi) ROM, 最 大 可 支 持 8M ×16-Bit片 外 SDRAM 和 4M×16-Bit片 外 Flash 擴(kuò) 展。 C5507-200還具有豐富的片內(nèi)外設(shè),這些特點(diǎn)足

7、以勝任指紋 識(shí)別算法的高性能要求。當(dāng) AES2510配置為 192×16陣列、 500ppi 和 4bit 灰度等級(jí)時(shí)指紋采集圖像約 1.5KB,考慮到諸 如指紋考勤系統(tǒng)類型的應(yīng)用要求存儲(chǔ)指紋模板多的情況,應(yīng)擴(kuò) 展片外 Flash 進(jìn)行存儲(chǔ),本系統(tǒng)采用 3片 K8P1615UQB Nor Flash 擴(kuò)展 3M×16-Bit片外 Flash 擴(kuò)展,大約可以存儲(chǔ) 4000個(gè)指紋模板。由于指紋識(shí)別算法的固件程序大約 100KB 左右, 指紋圖像約為 1.5KB, C5507-200有 128KB 片內(nèi) RAM 故無 需擴(kuò)展片外 SRAM 或者 SDRAM。指紋識(shí)別模塊電路原理圖

8、如 圖 3所示。基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無線指紋識(shí)別系統(tǒng) 文/郭協(xié)潮49 圖 3 指紋識(shí)別模塊電路原理圖指 紋 傳 感 器 AES2510的 IOSEL0和 IOSEL1引 腳 接 低 電 平,使其工作在并口模式下,C5507片選 AES2510后對(duì)其進(jìn) 行復(fù)位或初始化操作,AES2510開始自動(dòng)進(jìn)行指紋檢測,當(dāng) AES2510檢測到手指在傳感器有動(dòng)作后就向 C5507發(fā)出中斷, C5507通過低 8位數(shù)據(jù)線對(duì) AES2510掃描的指紋信息進(jìn)行采 集,DSP 獲取指紋信息后進(jìn)行比對(duì)和身份認(rèn)證,最后通過串 口將身份認(rèn)證信息傳給身份認(rèn)證信息無線傳輸模塊。C5507對(duì) AES2510有指紋信息的讀取和

9、狀態(tài)寄存器的配置操作,C5507的 A0引腳與 AES2510的 A0引腳相連,當(dāng) A0為 0時(shí) C5507通過總線讀取 AES2510掃描的指紋信息,當(dāng) A0為 1時(shí) C5507通過總線對(duì) AES2510的狀態(tài)寄存器進(jìn)行讀取和配置。C5507對(duì) AES2510初始化主要包括對(duì) AES2510寄存器的初始化、傳 感器采集方式、A/D、Gain 等的設(shè)置。3.2.2身份認(rèn)證信息無線傳輸模塊該 模 塊 采 用 Microchip 公 司 的 PIC18LF4620單 片 機(jī) 和 MRF24J40無線收發(fā)器構(gòu)成,身份認(rèn)證信息無線傳輸模塊硬件 結(jié)構(gòu)如圖 4所示。圖 4身份認(rèn)證信息無線傳輸模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

10、如圖中所示,PIC18LF4620通過 SPI 總線和一些離散控 制信號(hào)與 RF 收發(fā)器相連。PIC18LF4620充當(dāng) SPI 主控器件, MRF24J40收發(fā)器充當(dāng)從動(dòng)器件?？刂破鲗?shí)現(xiàn) IEEE 802.15.4 MAC 層 和 ZigBee 協(xié) 議 層,MRF24J40和 天 線 相 連 完 成 RF 信 號(hào) 的 收 發(fā)。TMS320VC5507完 成 指 紋 信 息 比 對(duì) 后, 向 PIC18LF4620發(fā)送中斷(通過 INT1 ,將比對(duì)信息通過串口發(fā) 送到控制器后經(jīng)身份認(rèn)證信息無線傳輸模塊傳送到上位機(jī)進(jìn)行 后處理。3.2.3 指紋識(shí)別節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)無線指紋識(shí)別節(jié)點(diǎn)主要由 DSP+A

11、ES2510的指紋識(shí)別模塊 和 MCU+MRF24J40 的無線傳輸模塊的雙片系統(tǒng)構(gòu)成,以無線傳輸模塊作為主模塊,指紋識(shí)別模塊每獲得比對(duì)結(jié)果后 就向無線傳輸模塊發(fā)送 INT1中斷請求信號(hào),無線傳輸 模塊響應(yīng)中斷后將 DSP 比對(duì)指紋的認(rèn)證信息取走,進(jìn) 而啟動(dòng)無線傳輸將身份認(rèn)證信息傳向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。無線 傳輸模塊在收到上一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳來的信息后由 RF 收發(fā)器 通過向自己節(jié)點(diǎn)的控制器發(fā)出 INT0中斷請求,控制器 響應(yīng)后根據(jù)路由信息選擇下一個(gè) ZigBee 節(jié)點(diǎn)并啟動(dòng)無 線傳輸,直至將身份認(rèn)證信息發(fā)送到上位機(jī)。其軟件工 作流程如圖 5所示。圖 5指紋識(shí)別節(jié)點(diǎn)軟件流程圖4、 結(jié)束語本文的基于 ZigBe

12、e 網(wǎng)絡(luò)的無線指紋識(shí)別系統(tǒng) 采用雙片系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由 TMS320VC5507+ AES2510構(gòu)成的指紋識(shí)別模塊進(jìn)行指紋信息的采集、比對(duì) 等,本系統(tǒng)的 AES2510采集圖像約 1.5KB 共可以 存儲(chǔ) 4000多個(gè)指紋模板,適合采集人員多和采集地 點(diǎn)分散的情形,指紋認(rèn)證信息經(jīng)由 PIC18LF4620+ MRF24J40構(gòu)成的無線傳輸模塊在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中傳 輸,ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)具有低成本和低功耗的特點(diǎn), 傳輸距離最大可達(dá) 100米,適合人員多和采集地點(diǎn) 分散的應(yīng)用場合。故本系統(tǒng)可以作為大中型企事業(yè)單位考勤系統(tǒng)的解決方案。參考文獻(xiàn) :1 順舟科技Z-BEE無線產(chǎn)品技術(shù)手冊 2 AN965 Microchip ZigB