（信号与信息处理专业论文）基于dsp的指纹锁的设计与实现.pdf

摘要 摘要 当今社会，某高档住宅因为门禁系统失控，致使财物人身损失的情 况经常发生，机械门锁、密码门锁、i c 卡门锁等传统门锁的安全性受到 了空前挑战，因此，人们把目光和希望更多的投向了生物识别技术。指 纹识别技术是一种重要的生物身份识别技术，也是目前生物识别技术发 展的最为成熟的个分支。作为一种飞速发展的技术，指纹识别己经在 刑侦领域大显身手，在身份认证等民用领域，这项技术也具有广阔的应 用空间。恰当地把指纹识别系统应用到门禁锁上去，能更有效地实现门 锁产品智能化和防盗的目标。 本论文结合指纹识别的应用情况，以指纹算法在门禁锁上实现的思 想为指导，运用成熟的指纹算法和嵌入式系统的技术，设计和实现了一 个高性能、低成本、低功耗、识别速度快的指纹锁系统。本文主要从阻 下几个方面进行了研究工作： 1 、针对生物识别技术进行分析，展望国内外指纹识别系统的发展状 况和市场需求，应用指纹识别算法和现有的软硬件条件，系统设计了一 个嵌入式指纹锁的方案，其中包括硬件平台的搭建和软件的设计实现。 2 、对现有的图像采集传感器进行比较选择，针对本课题中图像采集 的需求，选用c m o s 光学传感器作为采集头，并采用一种高速图像采集方 式；针对指纹锁的特点，在硬件设计方面，选择性价比高、功耗低的元 器件，并在软件设计上作了相应处理，降低了系统硬件成本和整体功耗。 3 、为了防止数据通信出错，系统设计了一个指纹识别模块和控制模 块的数据通信协议，该协议中包含物理层通信协议和数据链路层c r c 校 验，用以保证通信的正确、稳定性。 4 、针对指纹算法的特殊性，在电脑端对指纹识别算法进行验证，结 合本系统设计的嵌入式系统平台，利用一定的开发编译环境，进行算法 移植和优化。 5 、采用存储器扩展技术，对本系统设计所需要的资源，扩展了外部 s d r a m 和d a t af l a s h ，用于保存不同的数据。 最后对整个系统进行概括性总结，指出在开发调试阶段所遇到的问 广东二r _ 业大学丁学硕f 。学位论文 题，以及采用的解决方法，并展示了本系统的调试结果和实际性能参数， 指出其中仍可以改进的地方，并提出若干的改进方向。 关键字：指纹识别，指纹锁，d s p ，图像采集，低功耗 l l a b s t r a c t c u r r e n t l y , e v e ni ns o m ee x c l u s i v er e s i d e n c e ，t h ed i s f u n c t i o n a le n t r a n c eg u a r d s y s t e m sa l w a y s c a u s et h ep r o p e r t yl o s sa n dp e r s o n a ld a n g e r t h es e c u r i t yo f t r a d i t i o n a ll o c k s ，s u c ha sm e c h a n i s ml o c k ，p a s s w o r dl o c ka n di cc a r dl o c k ，a r e h i g h l yc h a l l e n g e d t h e r e f o r e ，t h eb i o l o g yr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yg e t sm o r ea n d m o r ee x p e c t a t i o n f i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yi sn o to n l yo n eo ft h em o s t i m p o r t a n tb i o l o g yr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g i e s ，i ti sa l s ot h em o s tm a t u r eo n e a saf a s t d e v e l o p i n gt e c h n o l o g y ，t h ef i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o ni sp l a y i n ga l li m p o r t a n tr o l ei nt h e a r e ao fp e n a ld e t e c t i v e i nc i v i lf i e l ds u c ha sb a n ki d e n t i t yr e c o g n i t i o n ，i ta l s oh a s h i ；1 1a p p l i c a t i o np o t e n t i a l h o wt oa p p l yf i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o ns y s t e mt ot h e e n t r a n c eg u a r dl o c kc a nh e l pt oi n t e l l i g e n t i z et h el o c k sa n dp r e v e n ts t e a l i n g b a s e do nt h ea p p l i c a t i o no ff i n g e r p r i mr e c o g n i t i o n ，d i r e c t e db yt h ei d e ao f f i n g e r p r i n ta l g o r i t h ma p p l i e di ne n t r a n c eg u a r dl o c kb a s e do nt h em a t u r ef i n g e r p r i n t a l g o r i t h ma n de m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y , t h i st h e s i sp r e s e n t st h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no ff i n g e r p r i n tl o c k ss y s t e mw i t hh i l g hp e r f o r m a n c e ，l o wc o s t ，l o w p o w e rw a s t ea n df a s tr e c o g n i t i o n t h em a i np o i n t so ft h i st h e s i sa r e p r e s e n t e da sb e l o w ： 1 b a s e do nt h ea n a l y s i so fb i o l o g yr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y , t h ed e v e l o p m e n t a n dm a r k e td e m a n do fd o m e s t i ca n do v e r s e a sf i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o ns y s t e m ，t h e a p p l i c a t i o no ff i n g e r p r i n ta l g o r i t h m ，t h ee x i s t i n g s o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，w e d e s i g n e da ne m b e d d e df i n g e r p r i n tl o c k ，w h i c hi n c l u d e st h ed e s i g no fh a r d w a r ea n d t h ei m p l e m e n t a t i o no fs o f t w a r e 2 a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do fi m a g ea c q u i s i t i o n ，w ec h o s ei m a g es e n s o rf r o m t h ee x i s t i n gs e n s o r s t h i st h e s i ss e l e c t e dac m o s o p t i c si m a g es e n s o rf o rt h ei m a g e a c q u i s i t i o n ，a p p l i e dt h ef a s tw a yo fi m a g ea c q u i s i t i o n ，s e l e c t e dl o wp o w e rw a s t e c o m p o n e n t s f o r t h eh a r d w a r ed e s i g n ，a n d s p e c i a lm e t h o d sf o r t h es o f t w a r e i m p l e m e n t a t i o n i nt h ee n d ，w er e d u c e dt h ec o s ta n dp o w e rw a s t eo ft h eh a r d w a r e s y s t e mf a r t h e s t 3 t oe n s u r et h ea c c u r a c yo fd a t at r a n s m i s s i o n ，ap r a c t i c a lc o m m u n i c a t i o n i i i 圣：! 些垒兰：! 兰竺! ；耋些丝兰 p r o t o c o l ，w h i c hc o n n e c t st h em o d u l eo ff i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o nt ot h em o d u l eo ft h e c o n t r o ls y s t e m ，i si n t r o d u c e dt ot h es y s t e m i ti n c l u d e st h ep h y s i c sl a y e r1 2 cp r o t o c o l a n dt h ed a t a - l i n kl a y e rc r c p r o t o c 0 1 4 a c c o r d i n gt ot h ep a r t i c u l a r i t yo ft h es y s t e m ，w ef i r s tv a l i d a t e dt h ef i n g e r p r i n t a l g o r i t h mi np c ，t h e nw et r a n s p l a n t e da n do p t i m i z e dt h ea l g o r i t h mt ot h es y s t e m ， b a s e do nt h ee m b e d d e d s y s t e m h a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t 5 a p p l y i n gt h ee x t e n d e dm e m o r yt e c h n o l o g y , w ed e s i g n e dt h ee x t e n d e d m e m o r ys d r a m a n dd a t af l a s ht os a v ed i f f e r e n tk i n d so fd a t af o rt h er e s o u r c e t h es y s t e mn e e d e d ， f i n a l l y , t h et h e s i ss u m m a r i z e st h ew h o l es y s t e m ，p o i n t so l l tt h ep r o b l e m sd u r i n g t h ed e v e l o p m e n ta n dt h ew a yt or e s o l v e a tt h ee n d ，w ep r e s e n tt h er e s u l to ft h e s y s t e ma p p l i c a t i o na n ds o m ep e r f o r m a n c e ，m a k es o m es u g g e s t i o n sf o rf u r t h e r r e s e a r c h k e yw o r d s ：f i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o n ，f i n g e r p r i n tl o c k ，d s p ，i m a g ea c q u i s i t i o n ，l o w p o w e rw a s t e 广东_ t = 业大学t 学顾士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了中文特别 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果， 不包含本人和其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的， 论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 匕 ： 指导教师签名： ! ：0 论文作者签名 场伟该 2 0 0 8 年5 月2 2 日 第章绪论 1 1 课题的来源和意义 第一章绪论 1 、课题来源 纵观当前整个安防市场，我们可以看到，锁具市场上有各式各样的产品， 如传统的机械锁、识别卡和密码锁等。这些锁具款式齐全、功能各异，但是， 却总存在许多不足之处，总是给不了人们真正踏实的安全感。具体缺陷表现在： 首先使用的不方便，遗失钥匙或忘记密码的情况总会给人带来不可避免的麻烦； 其次是安全性能较差，加了几把锁的房间同样会遭受入室盗窃，技术超凡的“开 锁专家”更是令人不寒而栗。 正是因为传统锁具存在种种缺陷，人们一直期待并努力寻找着一种更完美 的锁具，这时指纹锁w 便应运而生。指纹锁是利用人体指纹存在唯一性和稳定性 的特征，将指纹识别技术与电控技术完美地结合，从而有效地、彻底地解决钥 匙互开、钥匙丢失、钥匙偷配等直接影响锁具安全性的问题，而这些问题正好 是传统锁具( 包括智能卡式等现代技术的电控锁具) 所不能避免、也是无法根本 解决的问题。在这里，指纹锁表现了其不可替代的独到的安全性和便利性，因 此人们对于指纹锁产生了强烈的需求，也正是本课题研究内容的来源。 2 、课题的研究意义 随着生物识别技术的深入研究与应用，指纹技术不断成熟，指纹锁开始进 入人们的视野。国外最早研发这类指纹产品，国内现在也有从事指纹研究的知 名企业，包括长春鸿达，深圳中控，深圳爱笛尔，长沙金手指，杭州锦江集团， 已经研发并生产了脱机模式的指纹识别平台。这些平台识别程度高、反应快、 性能稳定，已经在不少高档的场所门禁系统、考勤系统上使用。但由于平台的 规模、算法技术的独创性保密性、价格成本因素的限制，这类指纹识别产品多 数只为商业用途，价格一般比较昂贵，使其民用领域暂时未能普及。随着电子 商务的发展，家庭数字化的需求和消费类电子产品的普及，越来越多的家居民 用领域需要指纹门禁系统。因此，开发高性能、低成本、安全可靠的民用指纹 锁具有很强的现实意义和广阔的市场空间。 广东t 业大学t 学硕【学位论立 1 2 国内外的研究现状 本课题主要涉及到的专业知识主要有生物识别技术、指纹识别和指纹锁设 计技术，下面对它们的研究现状分别进行介绍。 1 2 1 生物识别技术及相关理论 ( 1 ) 生物识别的概念和目的 生物特征识别技术是指通过计算机利用人类自身的生理或行为特征进行身 份认定的一种技术。生物特征的特点是人各有异、终生不变( 几乎) 、随身 携带。这些身体特征包括指纹、虹膜、掌纹、面相、声音、视网膜和d n a 等人 体的生理特征，以及签名的动作、行走的步态、击打键盘的力度等行为特征。 之所以能够作为个人身份鉴别的物证，是因为它们具有人人都有的普遍性、每 人不同的唯一性以及不随年龄而变化的稳定性。 人体生物特征是唯一的( 与他人不同) ，可以测量或可自动识别和验证的生 理特性或行为方式，分为生理特征和行为特征。生物识别系统对生物特征进行 取样，提取其唯一的特征并且转化成数字代码，并进一步将这些代码组成特征 模板进行对比，以确定是否匹配，从而决定接受或拒绝该人。生物识别技术是 目前最为方便与安全的识别技术，它不需要记住复杂的密码，也不需要随身携 带钥匙，智能卡之类的东西。生物识别技术认定的是人本身，没有什么比这种 认证方式更安全，更方便了。由于每个人的生物特征具有与其他人不同的唯一 性和在一定时期内不变的稳定性，不易伪造和假冒，所以利用生物识别技术进 行身份认定安全，可靠，准确。此外，生物识别技术产品均借助于现代计算机 技术实现，很容易配合电脑同安全，监控，管理系统整合，实现自动化管理。 杭州锦江集团生产的指纹锁、指纹保险柜系列产品，将传统的机械制造和现代 电子技术与生物识别技术有机融合在一起，适应了生物识别技术的商用趋势， 满足了生物识别技术走进千家万户的市场需求，大大提高了人们生活的方便度， 安全度和自由度。由于指纹锁是一种具有革命性突破意义的高科技新产品，市 场有一个认识接受的过程，因而从事这一产品的经营具有极大的风险。长沙金 手指科技公司率先将指纹锁，指纹保险柜系列产品投向市场，在湖南地区开创 了将生物识别技术产品推向千家万户的先河。 弟一荦绪论 ( 2 ) 生物识别的分类 目前已经出现了许多生物识别技术，如指纹识别、手掌几何学识别、虹膜 识别、视网膜识别、面部识别、签名识别、声音识别等，但其中一部分技术含 量高的生物识别手段还处于实验阶段。我们相信随着科学技术的飞速进步，将 有越来越多的生物识别技术应用到实际生活中。 指纹识别 实现指纹识别有多种方法。其中有些是仿效传统的公安部门使用的方法， 比较指纹的局部细节；有些直接通过全部特征进行识别；还有一些使用更独特 的方法，如指纹的波纹边缘模式和超声波。有些设备能即时测量手指指纹，有 些则不能。在所有生物识别技术中，指纹识别是当前应用最为广泛的一种。 指纹识别对于室内安全系统来说更为适合，因为可以有充分的条件为用户 提供讲解和培训，而且系统运行环境也是可控的。由于其相对低廉的价格、较 小的体积( 可以很轻松地集成到键盘中) 以及容易整合，所以在工作站安全访 问系统中应用的几乎全部都是指纹识别。 手掌几何学识别 手掌几何学识别就是通过测量使用者的手掌和手指的物理特征来进行识 别，高级的产品还可以识别三维图像。作为一种已经确立的方法，手掌几何学 识别不仅性能好，而且使用比较方便。它适用的场合是用户人数比较多，或者 用户虽然不经常使用，但使用时很容易接受。如果需要，这种技术的准确性可 以非常高，同时可以灵活地调整性能以适应相当广泛的使用要求。手形读取器 使用的范围很广，且很容易集成到其他系统中，因此成为许多生物识别项目中 的首选技术。 声音识别 声音识别就是通过分析使用者的声音的物理特性来进行识别的技术。目前， 虽然已经有一些声音识别产品进入市场，但使用起来还不太方便，这主要是因 为传感器和人的声音可变性都很大。另外，比起其他的生物识别技术，它使用 的步骤也比较复杂，在某些场合显得不方便。很多研究工作正在进行中，我们 相信声音识别技术将取得重大进展。 视网膜识别 视网膜识别使用光学设备发出的低强度光源扫描视网膜上独特的图案。有 3 广东。 业大学t 学积l 学位论文 证据显示，视网膜扫描是十分精确的，但它要求使用者注视接收器并盯着一点。 这对于戴眼镜的人来说很不方便，而且与接受器的距离很近，也让人不太舒服。 所以尽管视网膜识别技术本身很好，但用户的接受程度很低。因此，该类产品 虽在2 0 世纪9 0 年代经过重新设计，加强了连通性，改进了用户界面，但仍然 是一种非主流的生物识别产品。 虹膜识别 虹膜识别是与眼睛有关的生物识别中对人产生较少干扰的技术。它使用相 当普通的照相机元件，而且不需要用户与机器发生接触。另外，它有能力实现 更高的模板匹配性能。因此，它吸引了各种人的注意。以前，虹膜扫描设备在 操作的简便性和系统集成方面没有优势，我们希望新产品能在这些方面有所改 进。 签名识别 签名识别在应用中具有其他生物识别所没有的优势，人们已经习惯将签名 作为一种在交易中确认身份的方法，它的进一步的发展也不会让人们觉得有太 大不同。实践证明，签名识别是相当准确的，因此签名很容易成为一种可以被 接受的识别符。但与其他生物识别产品相比，这类产品目前数量很少。 面部识别 这是一种相当引人注意的技术，它的性能也经常被误解。关于面部识别， 经常有一些夸张的言论，但实际是很难实现的。比较两个静态图像是一回事， 在人群中发现和确认某个人的身份而不引起别人的注意，就是完全不同的另一 回事了。有些系统宣称能做到后一点，但它们实际上做的是前一种事，这实际 并不是生物识别。从用户的角度很容易理解面部识别的吸引力，但人们对这种 技术的期望应该比较现实。到目前为止，面部识别在实际应用中还很少成功。 但一旦克服了技术障碍，它将成为一种重要的生物识别方法。 基因识别 随着人类基因组计划的开展，人们对基因的结构和功能的认识不断深化， 并将其应用到个人身份识别中。因为在全世界6 0 亿人中，与你同时出生或姓名 一致、长相酷似、声音相同的人都可能存在，指纹也有可能消失，但只有基因 才是代表你本人遗传特性的、独一无二、永不改变的指征。据报道，采用智能 卡的形式，储存着个人基因信息的基因身份证已经在我国四川、湖北和香港出 4 第一荦绪论 现。 制作这种基因身份证，首先是取得有关的基因，并进行化验，选取特征位 点( d n a 指纹) ，然后载入中心的电脑储存库内，这样，基因身份证就制作出来 了。如果人们喜欢加上个人病历并进行基因化验的话，也是可以的。发出基因 身份证后，医生及有关的医疗机构等，可利用智能卡阅读器，阅读有关人的病 历。 基因识别是一种高级的生物识别技术，但由于技术上的原因，还不能做到 实时取样和迅速鉴定，这在某种程度上限制了它的广泛应用。 除了上面提到的生物识别技术以外，还有通过气味、耳垂和其他特征进行 识别的技术。但它们目前还不能走进日常生活。 ( 3 ) 生物识别技术的发展 生物特征识别作为新兴的身份鉴别技术，有其不可替代的优越性。可能的 风险与机会主要来自政策的导向，从目前的局势看，尤其是“9 l l ”以后，它 将是国际上新世纪十大最具前景的高新技术之一；对于国内来说，基于生物特 征的身份鉴别也将是国家重点鼓励及发展的关键技术之一。 根据国际生物认证集团( i b g ) 的预测：美国生物认证市场2 0 0 2 年将突破 7 亿美元，其中指纹识别占近5 0 ，虹膜识别占8 。 美国生物认证市场到2 0 0 5 年则将达到1 9 亿美元，指纹识别将占4 0 ，虹 膜识别将占1 0 左右；美国生物认证市场在未来几年中仍然将保持高速增长的 趋势，指纹保持在3 0 左右，虹膜将保持在5 0 左右。 另据一家全球权威市场调研机构对中国市场的调查：中国指纹识别2 0 0 2 年市场收入突破1 0 亿元，保持5 0 左右的增长速度，2 0 0 5 年突破3 5 亿元； 虹膜识别市场收入，2 0 0 5 年突破5 亿元，未来5 年内将保持8 0 的增长率。 中国正成为继美国、日本之后最具潜力的发展中市场，预计未来j 年内， 生物认证市场收入将达到3 0 0 亿人民币。指纹产品的安全性比”用户i d + 密码” 方案的安全性高得多。例如采用四位数字密码的系统，不安全概率为万分之一， 如果与采用误判率为百万分之一指纹识别系统相比，由于不诚实的人可以在一 段时间内试用所有可能的密码，因此四位密码并不安全，但是他绝对不可能找 到1 0 0 万个人都试遍。正因为如此，权威机构认为，在应用中1 的误判率就 可以接受。f r r 实际上也是系统易用性的重要指标。由于f r r 和f a r 是相互矛 广东1 ：业大学t 学顾上学位论文 盾的，这就使得在应用系统的设计中，要权衡易用性和安全性。一个有效的办 法是比对两个或更多的指纹，从而在不损失易用性的同时极大地提高了系统安 全性。 1 2 2 指纹识别技术及应用 要说指纹最早的使用，最终还是要追溯到古老的中国。据相关资料显示， 我国古代最早的指纹应用可追溯至秦朝。至唐朝，以“按指为书”为代表的指 纹捺印已经在文书、契约等民用场合被广泛采用。自宋朝起，指纹则开始被用 做刑事诉讼的物证。 在欧洲，1 7 8 8 年，梅耶( j m a y e r ) 首次提出没有两个人的指纹会完全相同； 1 8 8 9 年，亨利( e r h e n r y ) 在总结前入研究成果的基础上，提出了指纹细节特 征识别理论，奠定了现代指纹学的基础。 指纹识别技术从被发现时起，就被广泛地应用于契约等民用领域。由于人 体指纹具有终身稳定性和唯一性，很快就被用于刑事侦查，并被尊为“物证之 首”。但早期的指纹识别采用的方法是人工比对，效率低、速度慢，不能满足 现代社会的需要。2 0 世纪6 0 年代末，在美国开始有人提出用计算机图像处理 和模式识别方法进行指纹分析以代替人工比对，这就是自动指纹识别系统( 简 称a f i s ) 。 因为成本及对运行环境的特殊要求，开始时其应用主要限于刑侦也叫警用 领域。随着计算机图像处理和模式识别理论以及大规模集成电路技术的不断发 展与成熟，指纹自动识别系统的体积不断缩小，其价格也不断降低，因而被应 用到民用领域。 指纹识别是目前最为广泛应用、最成熟的生物特征识别技术。指纹识别常 用的识别特征是指纹纹路出现的断点、分叉点和转折点等细节特征m 。目前，指 纹识别技术己日趋成熟，其识别的速度已大大提高并且识别的误识率也已大大 降低了。由于指纹识别产品具有体积小、识别精度高等优点，所以，至2 0 0 6 年， 指纹识别产品就占所有生物识别产品的4 4 的市场分额”。2 0 0 7 年，台北市政 府民政指纹便民系统就结合了指纹、脸型两种识别技术，民众只要通过指纹和 脸型识别就可以补领身份证、领取户口簿等；在日本，用户可以使用指纹手机 第一章绪论 来进行手机钱包付款功能，让用户享受安全便利的消费过程。但随着应用推广， 指纹识别也显示出不足。由于目前指纹识别技术主要是利用指纹的细节特征来 进行特征识别，故此其要求指纹采集设备要具有较高的精度，并且其系统对指 纹质量较高的手指有较好的识别率。 12 3 指纹锁市场的发展 科技的进步给酒店业的发展、高档别墅家居智能化带来了直接的发展动力， 使酒店服务和高档别墅的生活品质取得了巨大提升。其给酒店业带来的不仅是 效率化、数字化的管理，更为客人带来了丰富多样的便捷服务，为家居智能化 带来的不仅是高档智能，更主要是方便，快捷和安全。科技发展的影响更多的 是在硬件设备上的革新，九十年代的房锁随着科技的发展已经历了一次大的变 革从手动锁改换了电脑制( i c ) 卡锁、密码锁，进入二十一世纪后，随着人们对 服务快速化及安全化的要求越来越高，酒店业和家居智能化在不久的将来，以 更加安全高效的门禁系统替代目前的电脑制( i c ) 卡锁、密码锁是一个势在必行 的措施。随着人们对门禁安全性能要求的提升，指纹锁的市场大门正慢慢敞开 理论研究( t h e o r yr e s e a r c h ) 据国际权威的生物识别行业分析机构i b g 预测： 近五年指纹锁将形成近百亿元的市场发展空间，并将在五年内取代i c 卡和感应 式门锁，占据电控锁具市场的最大份额，指纹锁销售额在二十年内将保持4 0 的增长速度。同时，带有生物识别技术的智能卡已经从2 0 0 2 年的2 6 0 万张发展 到2 0 0 6 年的2 2 0 0 多万张，从而占据智能卡市场5 至1 0 的份额，其中指纹技 术占据这部分市场接近5 0 。指纹锁目前已经被一些发达国家用在了进出入管 理和智能操作控制中，如机要部门、银行存放现金保险地的进出入i z l 、汽车 的启动控制以及重要武器设备的安全保护，而且在欧洲、北美和比较发达的亚 洲国家中的一些酒店，已经不再用钥匙，而是用手指上的指纹来开门，这种锁 就叫指纹锁。那么在我国高星级酒店和高档别墅应用指纹锁作为门锁的前景又 如何呢? 下面对指纹锁在我国高星级酒店和高档别墅应用前景做个初探”1 。 初步探讨指纹锁在我国高星级酒店应用的前景，根据国内一专业机构所作 定量，调查时间为2 0 0 6 年8 至1 0 月份，调查共发放2 8 0 份调查表( 中英文各 1 4 0 份) ，最后收回有效中文调查表13 6 份、英文调查表1 0 9 份。 广东t 业人学t 学顾 学位论文 调查显示，我国高星级酒店消费者的性别以男性为主一一国内和国外消费 者中男性分别占6 0 3 和6 9 7 ；年龄以中青年为主；学历以高等学历为主 一一国内和国外消费者中大专及以上的分别占8 9 7 和9 8 1 ；职业方面，国 内消费者以职员、主管和企业中高层管理人员居多，共占6 6 9 ，而国外消费 者以企业中高层管理人员居多，占4 5 o ；月收入以中高等收入为主。从调查 结论分析出：大部分我国高星级酒店消费者听说过指纹锁国内的消费者高 达9 3 4 ，国外消费者也占到了7 7 1 ；但在使用经历上，大部分消费者则没 有国内消费者只有2 5 的使用过，国外消费者也只有3 3 9 的使用过，由 此也可比较出国外消费者相对国内消费者来说，使用过指纹锁的比例稍高一些， 这与国外科技和信息化较发达相关；在指纹锁的应用方面，国内外消费者认为 应用指纹锁最多的行业为金融机构比例分别达到7 2 1 和5 8 7 ，对指纹 锁应用在高星级酒店的比例分别为2 8 7 和2 6 6 ，相对指纹锁应用在其它方 面的比例要偏少，由此可得出，目前指纹锁在高星级酒店应用还较少；国内外 消费者大部分认为自己知道指纹锁应用的好处国内外消费者的比例分别高 达7 6 5 和7 8 9 ，并且国内外消费者都认为其应用的最大好处是保障安全， 其次是省时和方便，而认为其应用的最大不好之处是昂贵( 2 0 0 7 年4 月调查) ， 其次是国内外消费者在其他中提出的“涉及个人隐私”的问题；大部分消费者 对指纹锁在生活中的应用是有兴趣的国内消费者比例高达6 6 9 ，国外 消费者也占到了5 3 2 。指纹锁在我国高星级酒店应用前景的分析：我国高星 级酒店的国内外消费者听说过指纹锁作为酒店客房锁的比例都不高一比例分别 只有3 4 6 和4 4 0 ，但国内外消费者对入住应用指纹锁作为客房锁的酒店 大有兴趣比例都高达6 0 以上，由此可得出高星级酒店应用指纹锁作为客 房锁还是有较大的潜在市场；大部分国内外消费者在使用指纹进行入住登记时 都有顾虑，最大的顾虑是不安全，其次是不习惯，同样国内外消费者在这里的 其他选项中也提出“涉及个人隐私”的问题，消费者形成这些顾虑的主要原因 一方面指纹技术的应用目前发展还不成熟及在人们日常生活中的应用还没得到 推广，另一方面我国在与指纹相关方面的法规还没正式出台；对于未来高星级 酒店的客房锁应用指纹锁的必要性方面国内外消费者还持观望的态度。总结以 上研究发现可分析出我国高星级酒店的国内外消费者对指纹锁的了解及应用方 面并不存在明显的差异，随着指纹技术研究的发展成熟以及应用上的推广，未 8 幕一苹缔论 来指纹锁在我国高星级酒店的应用存在很大的潜在市场，前景较乐观。 1 3 主要研究内容与论文结构 1 、主要研究内容 本课题主要是以指纹识别技术为基础，利用指纹识别算法，图象采集技术和 嵌入式技术相结合，将电脑p c 端验证的可靠指纹识别算法移植到嵌入式系统 上，采用特定的协议与电机驱动模块通讯，控制机械锁开关，设计了稳定可靠， 快速识别的指纹锁。该指纹锁能快速的实现1 ：n 的指纹匹配，可靠性高，功耗 低，基本能应用在星级酒店和高档住宅的门禁上。本论文围绕这一系列相关的 理论和实际应用问题展开研究，首先对指纹识别硬件平台进行原理设计、制作 p c b 电路板、焊接和调试；其次在p c 机端验证可靠的指纹算法，不断的提高指 纹识别速度，降低拒识率和误识率；然后针对b s p 专用语言，在指纹识别平台 上作嵌入式系统移植和优化，并对通讯协议进行调试；最后对整体系统的稳定 性进行测试，对电机驱动进行调试，对整体功耗作最后的限定，本课题最终给 出了实际运行效果和实测数据。 2 、需要解决的关键问题 概括起来，本文研究的课题中拟解决的关键问题如下： ( 1 ) 指纹锁硬件的整体设计与实现。其中包括指纹识别算法核心模块的硬 件设计和控制电路部分的硬件驱动。 ( 2 ) 图像传感器快速采集指纹图像的实现。 ( 3 ) 指纹比对数据和特征数据的存储，以及指纹算法程序的存储方式。 ( 4 ) 指纹锁硬件电路整体低功耗的设计。 ( 5 ) 指纹算法在嵌入式系统的移植。 3 、论文结构 第一章提出本课题的研究重点，然后在课题的背景中给出了生物识别的相 关理论，分析了最成熟的生物识别指纹识别技术的发展和应用情况，同时 展望了指纹识别技术产品指纹锁的市场发展，在此基础上介绍了本论文的所在 意义和创新之处，并对本文结构作了说明。 第二章简介了嵌入式系统发展状况和d s p 技术，为本文硬件设计作概念性 9 广东工业人学t 学硼 学位论文 的铺垫；概要介绍了指纹识别产品基本构件，根据指纹锁的技术需求进行了整 体硬件方案的设计，并对组成方案，系统工作流程，以及硬件的每一组成部分 进行具体分析。本章详细地介绍了指纹锁系统的实现方案，并说明指纹识别技 术、嵌入式技术如何在系统中得到实现的。 第三章详细地介绍了本文创新之处：指纹图像高速采集方式，指纹锁最低 功耗设计，以及自定通信协议实现。另外在文中对选用的各种芯片，传感器等 进行了描述，说明了相应设计的合理性。 第四章首先介绍了指纹识别的基本实现方法，进一步介绍指纹识别算法移 植到嵌入式系统使用的软件，硬件系统启动方式和存储方式等，最后详细分析 了d s p 专用汇编语言移植指纹算法的过程。 第五章对整个系统进行总结，提出调试过程中遇到的问题，总结对系统调 试所做的工作，展示了系统的最终硬件平台，实际运行效果和各项性能数据， 并提出了可以继续改进的方向。 最后是结论部分。对本文的工作进行总结和分析，并且提出若干进一步研 究工作的方向。 1 4 本课题的创新之处 本文的创新之处主要有以下几点： ( 1 ) 结合指纹图像传感器和选用d s p 芯片的特点，采用特殊的采集方式， 使得图像采集速度得到了极大的提高。 ( 2 ) 根据芯片和扩展存储器特点，采用特殊的图像存取方式，解决了指纹 算法移植到嵌入式系统中容量和速度的瓶颈问题。 ( 3 ) 从硬件芯片的选取，整体方案的布局，软件休眠状态保持，d s p 低功 耗运行等多方面的综合设计，将本系统指纹锁功耗降到最低。 ( 4 ) 基于选取芯片现有硬件物理层通讯基础上，采用白行约定的数据链路 层协议，建立了d s p 算法模块和m c u 控制模块的通讯，保证了指纹锁运行的快 速稳定性。 1 5 本章小结 1 0 第一苹绪论 本章首先提出了本课题的来源和意义，其次介绍了生物识别技术以及相关 的理论，分析了国内外对于生物识别的研究状况，展望了生物识别中最成熟的 指纹识别技术的发展前景，并对当今指纹识别技术的重要应用指纹锁市场 的发展进行了探讨。最后对本文研究内容和结构作了简单的概括，并点出了本 课题的几个创新之处。 广东工业火学t 学顾l ：学位论文 第二章系统整体方案的设计 基于嵌入式平台的指纹识别系统的设计，首先要明确项目的整体需求，针 对具体需要的部分功能作详细的需求分析；设计时，在芯片运用上作最优的选 择，同时兼顾性能和价格等因素；布局上，考虑相应系统的体积、容量和位置 等因素，实现整体布局一个比较全面合理的设计。下面首先对本课题运用的嵌 入式技术作简单的介绍： 2 1 嵌入式系统及d s p 技术 2 1 1 嵌入式系统简介 1 、嵌入式系统的发展 继桌面计算机之后，最重要的i t 技术产业莫过于嵌入式系统了。为了区别 于原有的计算机系统，人们把嵌入到对象体系中，为了实现对象体系智能化控 制的计算机系统，称为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。 嵌入式系统是面向特定应用，以硬件设计和软件开发为基础的专用计算机 系统，广泛应用于工业、控制、通讯、消费类产品等领域。纵观嵌入式技术的 发展，大致经历了以下三个阶段： 第一阶段：嵌入式技术发展的早期，以功能简单的专用计算机或单片机为 核心的可编程控制器形式存在。一般没有操作系统的支持，通过对系统进行直 接控制。这一阶段的系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，内存容量小， 几乎没有用户接口。 第二阶段：后来出现了以嵌入式c p u 和嵌入式操作系统为标志的嵌入式系 统。这一阶段系统的主要特点是：计算机硬件出现了高可靠、低功耗的嵌入式 c p u ，嵌入式系统能运行于各种不同类型的微处理器上；操作系统内核小、效 率高；具备文件和目录管理、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功 能；具有大量的应用程序接口( a p i ) ，开发应用程序简单。 第三阶段：现阶段是以芯片技术和网络技术标志的嵌入式系统。s o c 片上 系统使嵌入式系统越来越小的同时功能却越来越强。目前大多数嵌入式系统还 孤立于网络之外，但随着网络技术的发展以及与信息家电、工业控制技术等结 第二市系统整体方案的设计 合的日益密切，嵌入式技术与网络技术的结合正推动嵌入式技术的快速发展。 2 、嵌入式处理器的分类 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。根据现状，嵌入式处理器可分成下 面几类： ( 1 ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o le d s p ) ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 2 1 2d s p 技术 d s p 芯片，是d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 的缩写。自2 0 世纪7 0 年代微处理器 产生以来，就一直沿着通用c p u 、微控制器m c u ( 即通常所说的单片机) 、和 d s p 三个方向在发展。三类微处理器虽然在技术上不断相互借鉴，但应用领域 各自有所不同。d s p 处理器是专门用来进行高速数字信号处理的微处理器。与 通用c p u 和m c u 相比，d s p 在结构上采用了许多专门技术和措施来提高处理 速度，主要特点如下： ( 1 ) 哈佛结构 通用微处理器的程序代码和数据一般共用一个公共的存储空间和单一的 地址、数据总线，这样的结构称为冯诺依曼结构。而d s p 则将程序和数据的 存储空间分开，各有自己的地址与数据总线，即哈佛结构。这样以并行地进行 指令和数据处理，极大地提高运算的速度。在此基础上，又加以改进，使程序 和数据存储空间可以进行数据的传送，称为改进的哈佛结构。 ( 2 ) 流水技术 微处理器执行一条指令时，要经过取指、译码、执行等步骤，需要几个指 令周期才能完成。流水技术是将各指令的各步重叠起来执行。即当第n 条指令 取指时，其前一条指令( n 1 ) 在译码，而n 一2 在执行。采用流水技术后，尽管每 一条指令的执行仍然需要经过这许多步骤，仍然要耗费同样多的指令周期数， 但从一段指令来看，每一个指令周期就可以执行一条指令，从而大大提高了程 序执行效率。 广东丁业大学工学硕上学位论文 ( 3 ) 硬件乘法器及乘加单元m a c 通用计算机的乘法是用软件来实现的，一次乘法常需多个机器周期才能完 成。而d s p 处理器都设置了硬件乘法器或组合的乘加单元( m a c ) ，可以在单周 期内完成两个操作数的相乘及累加任务。 ( 4 ) 独立的d m a 总线及控制器、多执行单元 d s p 处理器为d m a 单独设置了完全独立的总线和控制器，在数据传输时 完全不影响c p u 及相关总线的工作。有的d s p 处理器具有相当多的d m a 通道， 为多d s p 之间进行数据传输提供了方便。d s p 处理器常包含若干个独立的执行 单元，可以进行并行处理，提高了速度。 ( 5 ) 数据地址发生器d a g 在通用c p u 中，数据地址的产生和数据的处理都由a l u 来完成。而d s p 处理器设置了专门的数据地址发生器( 有的有多个) 。数据地址的产生与c p u 的 操作并行，从而提高信号处理的速度。 ( 6 ) 专门的指令集 d s p 指令集“j 的设计有两个指标。首先是最大限度地使用处理器的基本硬 件，以提高效率。于是，一般都允许在单个指令里并行完成若干个操作。其次 是使程序所使用的存储空间减到最小，以便节约成本。这样就使指令尽可能短， 用最少的存储单元，尽量用寄存器完成操作，并将多个操作合并在一条指令中。 这样就使d s p 的指令集高度集成化，复杂而且不规则。 2 1 3 单片机技术 嵌入式微控制器，又称单片机，就是将整个计算机系统的主要硬件集成到 一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型 的应用，在芯片内部集成了各种必要的功能部件和外设。微控制器的片上外设 资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制