基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计

基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计 I 摘要摘要 随着计算机的发展及网络技术的应用 当今社会经济的不断进步 各企事 业单位对员工的管理质量要求越来越来高 因此人事考勤管理也显得越来越重 要 而如何利用高科技做好考勤 比如指纹考勤 是我们需要深入研究的课题 指纹识别作为现代生物技术的一个重要分支 许多国内外的专业人事都已经从 事了这方面的研究 在这些专家研究的基础上 指纹识别的技术在考勤管理中 的应用成为了可能并得到了长足的发展 为企事业用工单位的工作提高了效率 论文介绍了国内外指纹识别技术的发展状况和背景 接着给出了指纹识别 的原理方法 识别的各个阶段的内容和注意事项 同时 设计并实现了基于指 纹识别技术的考勤系统 本篇论文的重点内容是对于系统的层次架构的设计 以及实现系统所需技术的学习与应用 关键词关键词 考勤系统 指纹识别 系统设计 基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计 II Abstract With the spreading of the computer and network technology and also the development of society and economy the requires of management quality for enterprises are more and more important so the personnel attendance management is more and more important too But how to use the high tech to check on work attendance well such as fingerprint attendance is what we need to study Fingerprint identification is a branch of modern biotechnology many professors and experts engaged in this area They have got many research achievement That s why we can use the fingerprint identification technology in the attendance management It improves the efficiency of enterprises and institutions This paper introduces the domestic and fingerprint recognition technology development status and background and then gives the principle of the fingerprint identification method content and precautions identified various stages Meanwhile the design and implementation of time and attendance system based on fingerprint recognition technology Focus on the contents of this thesis is the architecture of the system level design and application of the system to achieve the required learning and technology Keyword Time and attendance system fingerprint identification system design 基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计 III 目录目录 第一章 指纹识别的原理和方法 4 1 1 指纹识别的原理 4 1 1 1 指纹注册 4 1 1 2 指纹识别 4 1 2 指纹的采集方法 5 1 2 1 指纹采集 5 1 2 2 图像预处理 5 1 2 3 特征提取 6 1 2 4 特征数据存储 6 1 2 5 特征匹配 7 第二章 指纹识别考勤系统设计 8 2 1 系统设计思路及框架 8 2 1 1 C S 和 B S 的选择 8 2 1 2 系统总体框架 9 2 1 3 系统的结构 10 2 2 系统功能设计 11 第三章 系统硬件设计 13 3 1 硬件部分总体介绍 13 3 2 CPU 控制处理器 13 3 3 指纹识别模块 14 3 4 人机接口 15 3 5 大容量数据存储器 15 3 6 实时时钟 15 第四章 系统软件设计 15 4 1 系统软件结构设计 15 4 2 数据库设计 17 4 2 1 用户表 18 4 2 2 指纹表 19 4 2 3 请假记录表 19 4 2 4 加班记录表 19 4 2 5 考勤记录表 20 基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计 IV 4 2 6 考勤分析表 20 4 2 7 考勤规则表 21 第五章 指纹指标考勤系统的实现 21 5 1 客户端 21 5 1 1 层次结构 21 5 1 2 数据通信 23 5 1 3 模块化 24 5 1 4 客户端 UI 25 5 2 业务逻辑 25 5 2 1 登录业务 25 5 2 2 日常考勤 26 5 2 3 信息查询 30 5 3 服务端 31 5 3 1 Web 服务 32 5 3 2 AMFPHP 及其服务 32 5 3 3 PHP 与 MySQL 的接口 33 5 3 4 数据缓存 33 总结 35 参考文献 36 致谢 38 基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计 1 绪论绪论 一 研究背景一 研究背景 传统的身份识别方法已经远远不能满足这种要求 人类必须寻求更为安全 可靠 使用方便的身份识别新途径 于是 生物识别技术悄然兴起 并应运而 生为一种新的身份识别技术 生物识别技术 Biometric Identification Technology 是利用人体生物特征进行 身份认证的一种技术 是将人类特有的物理 生理和行为特性进行提取 利用 计算机技术与物理学 生物学等高科技技术相融合 从而达到个体特征唯一性 识别的鉴定技术 从目前已有的分类情况来看 按照生物识别技术应用的广泛程度 我们大 致可将生物识别分为三大类应用 第一类应用是指纹识别 指纹是指分布生长在手指末端正面表皮的乳突纹 我们人类的每一枚指纹都具有差异的特定性 终生基本不变的稳定性 触物留 痕的客观性 认定人身的直接性和排列有序的规律性等等 因此 我们可以通 过对比指纹特征来鉴定个人身份 目前来说 指纹识别应用最为广泛 技术也 相应最成熟 比如说公司企业通过指纹识别进行考勤 银行金融重要领域通过 指纹识别严格人员进出 人们个人使用电脑也有使用指纹识别进行开机等等 这都比打卡 设定密码等来的更安全有效 第二类应用是人脸识别 多应用于刑事办案 辨认 门禁系统 人脸识别 技术有人脸图像采集 人脸定位 身份确认查找等 实际应用中主要有以下几 个方面的应用 比如说公安机关的监控系统 例如路面视频监控 店面柜台的 金融报警监控 门禁系统 隐私和重要的地区进行人脸识别身份 摄像监视 系统 网络应用等 第三类是其他方面 包括了经脉识别 虹膜识别 语音识别等 其中第一类应用的指纹识别目前应用的最为广泛 在各个领域如企业考勤 门禁 金融 公安和网络安全中都有应用 二 研究目的和意义二 研究目的和意义 以指纹为代表的生物识别技术的发展和应用 不仅可以开发相关的系列产 品 获得巨大的经济效益 还可以带动图像处理 模式识别 光学 电子 生 理学和计算机应用等相关学科的发展 具有很高的学术价值 会产生巨大的社 会效益 以指纹为代表的生物识别技术的发展和应用已被公认将会给身份识别 领域带来一场革命 并已经成为各国学术界和工业界研究的热点之一 基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计 2 指纹识别技术在实际使用过程中 它的技术系统涉及的不但有采集需求技 术 细节识别对比算法 模式识别理论 还涉及到计算机 数据库 网络和安 全测试技术等 1 如果我们能较好的运用指纹识别算法 那么 它不仅能帮助 更多领域 比如酒店等特业场所的日常考勤管理 公安刑侦部门破案指纹对比 银行保险箱开启等等 达到准确认定个体身份的目标 还能代替老一代的认证 方式 如插卡 密钥等 从而服务社会 颇具意义 三 三 国内外研究现状国内外研究现状 1 国外研究现状 国外研究现状 经查证 人类早在 1684 年就对指纹识别技术进行了研究 关于人类指纹 识别技术的文章在这一年刊登于世 这篇文章阐述了人类指纹的形态结构 类 型和特征等科学知识 开创了指纹识别技术研究的新篇章 1880 年 10 月 全球最早指纹理论学说问世 科学家福尔茨 识别犯罪的 第一步 一文中写道 每个人的指纹终身不变 且没有一个是相同的 1963 年 美国首先开展了计算机指纹自动识别系统 Computer Automated Fingerprint Identification System CAFIS 的研究 2 3 从此以后 越来越多的学者和专家对指 纹识别进行了深入的研究 当时 在许多发达国家的警察局 已经开始废除纸 质档案 建立了指纹信息存储管理系统 并存储有上千万人的信息资料 使指 纹信息识别应用到了一个新阶段 在进入到了 21 世纪 国外许多大公司划出专门机构从事指纹识别鉴定技 术的研究 开发 应用 包括 IBM INTEL MICROSOFT 等 这些市场都较 为集中在欧美地区 在亚洲地区甚少 但从 2002 年迄今 国外生物识别产业 经过优胜劣汰和合并重组 许多关于指纹识别技术衍生的产品以及原有的开发 商和供应商呈巨幅减少趋势 而大规模的重点大中型企业更是屈指可数 4 2 国内研究现状国内研究现状 中国的科学家对生物识别技术尤其是指纹识别技术的研究比较于其他发达 国家起步比较晚 是在 20 世纪末 到了 1998 年以后 中国在指纹识别的技 术方面发展趋势较快 在技术上 我国的大公司不仅从高校引进高学历人才 培养实力干将 还从国外引进先进和相对已经成熟的指纹识别技术 在此基础 上进行自主研发 强大该项技术 而在中国市场和科研方面的应用上 中国的 许多大公司如北大中控等都将利用指纹识别技术所开发出来的考勤系统 公安 司法系统犯罪嫌疑人指纹比对 个体鉴定系统等作为大规模推广产品进行应用 5 6 7 四 本论文研究的主要内容四 本论文研究的主要内容 本课题的研究涉及到生物识别技术 信息安全技术 软件工程理论等 对 基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计 3 指纹识别的考勤系统进行了总体设计 详细设计 数据设计以及测试等方面的 内容 还包括一些软件工程实践技术的研究和对指纹识别的相关理论研究 本系统的硬件部分采用了目前比较流行的网络指纹考勤机 软件部分 考 虑到了系统部署的便捷性 采用 B S 和 C S 相结合的体系结构 系统客户端采 用了 Flash 技术实现 服务端采用了 Apache 作为 web 服务和 MySQL 数据 库作为数据存储服务 并借助 PHP 语言来实现业务逻辑 主要的研究内容如下 1 指纹识别技术研究 对该技术的历史 发展 背景进行初步阐述后 对其具体的采集 识别 应用等方式和基本原理进行进一步研究 最终采取一 种最为适合的实施意见 2 软件层次结构研究 本系统经过前期分析 B S 和 C S 两种结构的优 缺点后 决定采用了 B S 和 C S 相结合的体系结构来设计和实现指纹识别考 勤系统 B S 是用来进行内容表现的 而 C S 主要处理相关业务逻辑请求 3 服务器技术 服务端主要提供逻辑业务和数据处理 存储 同时还得 保证后台数据的安全 业务逻辑成为前段浏览器和后台数据的桥梁 基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计 4 第一章第一章 指纹识别的原理和方法指纹识别的原理和方法 1 1 指纹识别的原理指纹识别的原理 指纹识别技术主要有五大功能 它们分别是 指纹采集 指纹图像预处理 指纹特征提取 特征数据保存和指纹匹配 8 1 指纹采集 即是通过指纹采集设备采集人体指纹 从而读取到指纹图像 2 图像预处理 在对 1 采集到的图像进行一系列的预处理 消去大量的噪 声信号 获得纹理清晰的图像用于后续的特征提取 3 特征提取 即提取指纹图像中的特征数据 为了保证特征提取的唯一性 它仅仅只能从指纹图像转化为特征数据 而不能反方向转换 4 数据保存 数据保存是指在指纹录入阶段 将 3 提取的特征数据存入指 纹数据库 用于指纹对比 作为识别的基础数据 5 指纹对比 把两枚指纹的特征数据用计算机模糊匹配的方式进行对比 最终匹配出两枚指纹的相似程度 从而判断是否为同一指纹 9 10 1 1 1 指纹注册指纹注册 指纹注册一共有四个步骤 依次为指纹采集 图像预处理 特征提取 数 据存储 具体流程如图 1 1 所示 图 1 1 指纹注册的过程 1 1 2 指纹识别指纹识别 指纹识别一共有五个步骤 依次为指纹采集 图像预处理 特征提取 与 数据库指纹进行特征匹配 输出结果 其中前三个步骤跟指纹注册过程的前三 个步骤是一致的 都是通过指纹采集设备将指纹信息提取生成特征数据 第四 步是将提取的特征数据与特征数据库中的数据进行匹配和识别 最后输出识别 的结果 这五个步骤的详细过程如下图 1 2 所示 基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计 5 图 1 2 指纹识别的过程 1 2 指纹的采集方法指纹的采集方法 1 2 1 指纹采集指纹采集 每个人的指纹质量都不相同 而且指头的采集触物面积不比掌纹来的大 再加上指纹质量的好坏极易受到手指油脂 水分 脱皮 磨损的影响 因此指 纹采集技术和采集到的指纹质量在指纹识别考勤系统中有着关键意义 而指纹 采集的工作又是非常复杂和繁琐的 目前 指纹采集方式有三大类 即模糊指 纹 捺印指纹 活体指纹 这三类指纹中 质量最好的为活体指纹 11 当今世界上 指纹采集技术每日益进 现在使用最多的方式则是主要是通 过固态阵列传感器或光学扫描仪来实施 固态阵列传感器的使用方法是用大量 的敏感元件组成固态阵列芯片 它们采用电容传感器 热敏传感器等技术 通 过传感器来确定个体指纹捺印时所产生的压力 压强和热度等来获取指纹 而 光学扫描仪的使用方法则更为方便 它是用特殊的激光照在手指上 然后用 CCD 阵列摄取激光照在指纹上的反射光 因为这些反射光会伴随指纹的乳突纹 线的深浅产生不同的图像 从而得到可靠的指纹图像 12 14 1 2 2 图像预处理图像预处理 这个步骤在指纹识别技术中是非常重要的 因为在实际操作中 我们不管 用先进的技术和设备对指纹进行采集 最终采集到的原始指纹总存在着或多或 少的噪音 这样 容易导致很多问题 影响到指纹后续的处理效果 所以 我 们必须对前期采集到的指纹图像进行噪声消除 然后再从处理过的指纹图像中 提取细节和进一步再处理 以致于为后续的指纹识别操作提供更好的清晰指纹 指纹纹理由相间的脊线和谷线组成 每条脊线和谷线的间距 粗细和流向 都是大不相同的 而且 每一枚指纹图像各个区块的纹理所含的信息都是不同 的 且存在着较大的差异性 所以它们所具备的信息可以为指纹识别提供坚实 的基础和有力的保证 指纹图像的预处理算法就是在区块差异信息的基础上进 行的 因此 该阶段的初期需要对指纹图像进行一次非常严格的分块处理 然 基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计 6 后 继续对分块处理后的每个子图像的局部特征信息进行处理 15 在这里 我们先定义一枚指纹图像为 G 为一个二维矩阵 X Y G x y 是坐 标 x y 处像素点的灰度值 其中 0 x X 0 y Y 将 G 划分为互不重叠 大小为 W W 的子块 设 G 共被分为 M N 个子块 则定义 M X W N Y W 预处理过程总体分成 5 个步骤 如下图 1 3 所示 1 指纹图像分块规格化 指纹通过指纹采集设备进行图像采集后 为 了去除噪声 获取更完美的指纹 需要先对图像进行有序的分块规格化 得到 相对统一的子块 指纹图像之后的各个处理步骤均在此规格化后的指纹图像上 操作 2 脊线域方向图 指纹图像分块规格化完成后 需要计算求取每个子 块的局部脊线方向 该脊线域方向的运用将影响于整个指纹图像的识别过程 十分重要 图 1 3 指纹图像预处理步骤 3 脊线频率图 指纹图像分块规格化完成后 除需要计算求取每个子 块的局部脊线方向外 随后还需要求取子块的局部脊线频率即密集程度 与脊 线间距成反比 就好比是频率和间距成反比 4 第二阶段指纹图像分割 该次图像分割有两个步骤 第一分割步骤 是分离已处理指纹图像的指纹和背景区域 第二分割步骤从已经分割出的指纹 区域中提取出清晰的指纹区块和受噪声影响但仍可复原的区块 基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计 7 5 图像增强 在第二次图像分割提取到质量较高的有效指纹区域后 将使用 Gabor 滤波器和方向滤波器对指纹图像进行动态增强 1 2 3 特征提取特征提取 采集到的指纹图像进过预处理后 由于受到噪声及其他各种环境因素的影 响而发生了畸变 所以在指纹特征提取环节主要工作是将这些畸变去除 去掉 大量的伪特征点 同时 对指纹图像的全局和细节特征进行提取后 才能进行 下一个环节 如特征数据存储或者特征匹配 工作 不然 噪声和伪特征未去 除 将直接影响到指纹匹配的准确度 从而影响到指纹识别考勤的最终结果 1 2 4 特征数据存储特征数据存储 在指纹进行注册和识别的过程中 员工的指纹图像经过采集但未处理 即 原始指纹图像 和经过特征提取的指纹图像 即可以匹配识别的指纹图像 后 将存储到数据库中 每一枚指纹图像经过存储后 需要与相对应的每一名员工 的姓名 工号等信息进行映射核对 映射必须是 一对一 映射 不能是 一 对多 或是 多对一 映射 16 这是进行特征匹配 指纹识别的前提和保障 数据库的具体设计和存储 1 2 5 特征匹配特征匹配 特征匹配 指的是经过前期指纹注册阶段 通过采集 预处理等技术得到 的特征指纹与已经保存在数据库中的指纹数据进行匹配 来查看是否为同一指 纹 然而 由于采集技术 噪声处理等影响 即便是同一枚指纹的几种不同表 现方式 其提取的特征数据也可能会不一样 因此 特征匹配显得尤为重要和 关键 它的算法的好坏将直接影响到指纹匹配的结果 速度和准确率 指纹识别技术的特征匹配分为验证模式和辨识模式两大类 1 验证模式 它是用来判断 此枚指纹是否为该人的 它是将一枚提取 到的指纹和一枚已经经过具体标识 比如学号 的指纹进行 一对一 匹配 从 而鉴定人员身份的过程 2 辨识模式 它是用来判断 此枚指纹是谁的 它是将刚刚采集到的指 纹图像同数据库内的指纹信息通过一一比对 从而发现特征形态匹配的指纹 17 18 基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计 8 第二章第二章 指纹识别考勤系统设计指纹识别考勤系统设计 2 1 系统设计思路及框架系统设计思路及框架 2 1 1 C S 和和 B S 的选择的选择 80 年代中期 随着计算机技术和网络技术的发展 出现了客户机和服务器 结构即 C S Client Server 分布式软件体系结构 C S 软件体系结构中的客户 机和服务器都可以处理应用程序 它们之间相互依赖 相辅相成 随着计算机 和软件科技技术的普及 C S 模式的软件体系结构应用的越来越广泛 但该模 型仍然存在着异种网络协议和异种数据支持不良 系统的性能问题 对数据关 键性应用不能很好地支持等缺陷 为了能更好的解决以上这些问题 为大型经济 社会 商业用户提供更灵 活 更快速 更完善的应用软件 一种适应新时代新环境的体系结构应运而生 这就是我们所知的三层软件体系结构 以下就是具体三层体系结构的主要功能 及其典型的应用 1 客户层 即为用户接口和请求的发出地 如网络浏览器 2 应用服务器层 这一层次主要是用来实现业务逻辑 如 Web 服务器 3 数据库层 为第二层即应用服务器层提供数据 如关系型数据库 因此需要对 C S 和 B S 进行选择 其主要的区别如表 2 1 所示 表 2 1 C S 与 B S 区别 C SB S 硬件环境不同建立在局域网环境中建立在广域网上 对安全要求不同 一般面向的用户群较固定 对信息安全的控制能力很强 一般高度机密的信息系统采 用 C S 结构适宜 可以通 过 B S 发布部分可公开信 息 一般面向的用户群都是不固 定的 且非建立在局域网上 因此 安全性较弱 对程序架构不同 程序可以更加注重流程 可 以对权限多层次校验 对系 统运行速度可以较少考虑 对安全性要考虑 对访问速 度要考虑 需要建立在更加 优化的基础之上 要求更高 更成熟 系统维护不同 由于它的程序具有整体性 如果需要进行升级 就必须 由于整个系统是由构件组成 构件的更换较为方便可无缝 基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计 9 整体进行维护或重新开发系 统 较困难 并且维护费用 较高 升级 且安装维护可自行网 上下载操作 维护费用小 用户接口不同 建立于 Window 平台上 对 用户素质和操作要求高 表 现方式具有局限性 多是建立在浏览器上 表现 方式更多 用户交流更方便 难度和开发成本都有所降低 信息流不同信息流交互性相对低信息流向可变化 C S 与 B S 模型结构 各有各的特点 也各有优缺点 并不是某一种模式 一定好于另一种模式 而是根据不同的应用软件需求 选择合适的体系结构 这才是最重要的 19 21 随着网络的飞速发展 提高互联网用户体现的需求越来越强烈 富互联网 应用程序随之诞生 它将传统的桌面式应用程序的丰富用户体验和方便快捷的 操作与传统的 Web 程序向结合 通俗的说 就是在浏览器中体验 C S 架构的桌 面级应用 在进行上述 B S 和 C S 结构的各个特点分析后 将这两者相结合 可以 得到如下五方面的优势 1 不需要安装客户端 2 不需要太大的硬盘容量 3 只需要一个网址的快捷方式 4 速度快 交互性强 减少对刷新的依赖 5 用户体验丰富 人性化交互 6 可以用双方的优势弥补对方的不足 2 1 2 系统总体框架系统总体框架 本系统采用了三层的软件架构的体系结构的软件设计思想 这三层体系结 构的三层分别是 UI 表现层 业务逻辑层 数据服层 数据服务层由数据库访 问接口和数据库两部分组成 详细情况如下图 2 1 所示的三层结构 基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计 10 图 2 1 三层系统结构图 各个层次的主要作用介绍 1 考勤 UI 表现层 该层为最上层 它主要实现图形用户接口 只需要 将业务逻辑的数据在 UI 层实现 展示业务内容 2 考勤业务逻辑层 该层处于中间位置 位于 UI 层和数据服务层的中 间 该应用服务层专门实现考勤的业务逻辑 3 考勤数据服务层 该层主要负责对数据的存储 读取和修改等 同时 它也为考勤业务逻辑层提供数据服务 具体如下图 2 2 所示 基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计 11 图 2 2 网络结构图 2 1 3 系统的结构系统的结构 本系统将采用 B S 和 C S 相结合的模式 集两者优势互补 本系统 B S 结构方面主要是对内进行展示 浏览器与 Web Service 进行通讯 仅对数据的 传输和安全性等相关功能负责 通常 在浏览器中我们会嵌入一个 SWF 客户 端 这个客户端能够借助 HTTP 协议和远程的服务端 也就是 Server 进行传 输和通讯 而 C S 模式结构主要处理实际的业务逻辑功能的请求与响应 这个 请求响应时被包含在 Web 通信内部 从架构设计的前后端来看 后端服务器采用的是 Apache 作为 web 服务 AMFPHP 则作为应用服务的框架 并以 MySQL 作为持久化的数据存储服务 另有一个 Memcache 数据缓存服务 提高数据访问速度的服务 AMFPHP 以其 良好的框架结构 能方便的与前端的 Flash 客户端进行信息通讯 又能与后端 的 MySQL 完成数据交互 系统的总体结构详细情况如图 2 3 所示 图 2 3 系统总体结构 2 2 系统功能设计系统功能设计 本文中所设计的指纹识别考勤系统除了要完成总体架构设计外 同样需要 对系统的功能模块设计进行详细的规划 以便于更好的为实际应用服务 在指 纹识别考勤系统的功能设计方面 论文对它进行了大模块和子模块的分割 一 共将系统功能分成了三大块 而每一大功能模块中含有若干个子模块 详见图 2 4 基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计 12 指纹考勤 系统 考勤管理请假模块 请假申请 请假审批 考勤分析 日常考勤 指纹注册 指纹识别 考勤分析 加班模块 加班申请 加班审批 考勤分析 系统管理 权限管理 系统设置 系统维护 用户管理 用户认证 用户添加 用户修改 用户删除 图 2 4 系统功能结构图 基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计 13 第三章第三章 系统硬件设计系统硬件设计 3 1 硬件部分总体介绍硬件部分总体介绍 指纹考勤系统的硬件是以 CPU 中央处理器为中心进行设计的 CPU 根据 用户的指令 在控制软件的指挥下 统一管理各模块或设备 使整个指纹考勤 机有序地运行 图 3 1 是指纹考勤机的硬件结构框图 LCD 液晶显示器 4 4 键盘 蜂鸣器 CPU 中央 处理器 485 联网通信接口指纹识别模块 电源供电实时时钟大容量存储器 图 3 1 指纹考勤机硬件结构框图 指纹考勤系统除了核心的 CPU 及其控制软件外 主要有指纹识别模块 液 晶显示器 4 4 键盘 大容量存储器 实时时钟 通讯接口等设备模块 指纹 识别模块是指纹考勤机与其他类型考勤机最不同的特征 指纹识别模块通过指 纹采集传感器采集指纹图像 对指纹图像进行锐化等预处理后 从指纹图像中 提取指纹特征 然后压缩存储在模块中 指纹识别时 同样是采集 预处理 提取指纹特征等步骤 之后与已经存储在模块中的所有指纹特征进行比对 根 据设置的识别率 判断是否有相同或相似的指纹 并返回识别结果 4 4 键盘 大屏幕 LCD 液晶显示器和蜂鸣器是指纹考勤机的人机交互接口设备 用户通过 键盘输入用户信息 液晶显示器可显示当前日期 时间 以及识别的用户编号 错误代码等信息 蜂鸣器可以给用户提示操作状态和识别结果 大容量存储器 用来存储考勤记录和设备参数 由于采用大容量 掉电不丢失数据的存储器 指纹考勤机可以同时存储 6000 多条考勤记录 省去频繁读取和清除考勤记录的 麻烦 实时时钟用于实时产生系统时间 即使停电也不会影响实时时钟的运行 提高考勤记录的准确性 485 通讯联网接口是指纹考勤机与管理 PC 机通讯的通 道 通过联网接口 指纹考勤机可以将考勤记录或指纹数据上载到管理 PC 机 管理 PC 机也可以设置指纹考勤机的各项参数 下载新的指纹等 3 2 CPU 控制处理器控制处理器 STC89C52 是一种低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 具有 8K 在系统 基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计 14 可编程 Flash 存储器 在单芯片上 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash 使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活 超有效的解决 方案 具有以下标准功能 8k 字节 Flash 512 字节 RAM 32 位 I O 口线 看门狗定时器 内置 4KB EEPROM MAX810 复位电路 三个 16 位 定时器 计数器 一个 6 向量 2 级中断结构 全双工串行口 另外 STC89X52 可降至 0Hz 静态逻辑操作 支持 2 种软件可选择节电模式 空闲模式下 CPU 停止 工作 允许 RAM 定时器 计数器 串口 中断继续工作 掉电保护方式下 RAM 内容被保存 振荡器被冻结 单片机一切工作停止 直到下一个中断或硬 件复位为止 最高运作频率 35Mhz 12T STC89C52 具体介绍 主电源引脚 2 根 VCC Pin40 电源输入 接 5V 电源 GND Pin20 接地线 外接晶振引脚 2 根 XTAL1 Pin19 片内振荡电路的输入端 XTAL2 Pin20 片内振荡电路的输出端 控制引脚 4 根 RST VPP Pin9 复位引脚 引脚上出现 2 个机器周期的高电平将使单片机 复位 ALE PROG Pin30 地址锁存允许信号 PSEN Pin29 外部存储器读选通信号 EA VPP Pin31 程序存储器的内外部选通 接低电平从外部程序存储器读 指令 如果接高电平则从内部程序存储器读指令 可编程输入 输出引脚 32 根 STC89C52 单片机有 4 组 8 位的可编程 I O 口 分别位 P0 P1 P2 P3 口 每个口有 8 位 8 根引脚 共 32 根 P0 Pin39 Pin32 8 位双向 I O 口线 名称为 P0 0 P0 7 P1 Pin1 Pin8 8 位准双向 I O 口线 名称为 P1 0 P1 7 P2 Pin21 Pin28 8 位准双向 I O 口线 名称为 P2 0 P2 7 P3 Pin10 Pin17 8 位准双向 I O 口线 名称为 P3 0 P3 7 基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计 15 图 3 2 CPU 模块 1 I O 口 输入 输出口经过特殊处理 很多干扰是从 I O 进去的 每个 I O 均有对 VCC 对 GND 二级管箝位保护 2 电源 单片机内部的电源供电系统经过特殊处理 很多干扰是从电源进去的 3 时钟 单片机内部的时钟电路经过特殊处理 很多干扰是从时钟部分进去的 4 复位电路 单片机内部的复位电路经过特殊处理 很多干扰是从复位电路部分进去的 工作流程 当读取主函数时定时器 0 开中断设 17ms 的初值 只对液晶进 行写操作 不进行读操作 液晶初始化 串口初始化 UART 方式 1 8 位 UART REN 1 允许接 SMOD 0 波特率不加倍 T1 方式 用于 UART 波特 率 UART 波特率设置 9600 打开定时器 0 中断 0 低电平中断 中断 1 低 电平中断 开中断 0 开中断 1 开始握手 6 次 如果没有一次成功 表示模块通信不正常 只要成功就跳 出此循环 与模块握手通过 绿灯亮起 进入识别模式 录入一个指纹 如果 仍为低电平 表示按键有效 此时等待松手与模块握手通过 采集两次 生成 基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计 16 1 个指纹模板成功 保存也成功 进入录入指纹模式 循环一结束 模式转换 其中用 modeflag 来标志 默认从第 1 个指纹开始录入 如果仍 为低电平 表示按键有效 等待松手 0 表示录入指纹 1 表示识别指纹 3 3 指纹识别模块指纹识别模块 本课题的指纹识别模块采用 FM 180 模块 该模块有指纹处理模块和光学 指纹采集头组成 其结构框图如图 3 3 所示 光学指纹 采集头 PLD 解码 32 位高性能 RISC CPU 外围 I O 接口 RS232 接口 1M RAM 存储器 8M Flash 存储器 电源 供电 指纹识别模块 图 3 3 FM 180指纹识别模块结构框图 指纹处理模块带有高性能的 32 位 RISC CPU Intel 的 StrongARM 1110 工作在约 150 170MHz 主频上 模块板上还带有 1MB 的 DRAM 和 8MB 的 FlashROM 闪存 以及与光学采集头及接口的 PLD 解码单元和外围 I O 接口单 元 指纹处理模块通过 PLD 解码单元控制光学指纹采集头采集指纹图像 然后 经过性能优异的指纹算法提取出无畸变的指纹图像特征值用于完成指纹比对功 能 指纹特征值经数据加密后 保存在 FlashROM 闪存中 FlashROM 闪存由于不受掉电影响 可以保存指纹采集识别算法和指纹数 据管理软件 同时还可以保存 640 枚指纹数据 但是 FlashROM 闪存的存取速 度比较慢 因此实际上 指纹采集识别算法 管理软件以及指纹数据都是先传 送到 DRAM 中 然后在速度较快的 DRAM 中运行 指纹处理模块通过 RS232 串行通讯接口与外围控制器通讯 外部控制器根 据规定的通讯协议和指令模式 通过串行接口 向指纹处理模块发送控制指令 并接受返回的状态或数据 从而完成所有指纹识别处理功能 外围控制器是通过一个 15 脚的连接器与 FDA01 指纹识别模块实现两者之 间的命令和数据的串行传输 基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计 17 3 4 人机接口人机接口 键盘 显示器和蜂鸣器是指纹考勤机的人机交互接口设备 用户通过键盘 输入指令 如登记 修改 识别等 液晶显示器可显示当前日期 时间 以及 识别的用户编号 错误编号 错误代码等信息 蜂鸣器可以给用户提示操作状 态和识别结果 键盘采用行列式的接口设计 由 4 个 I O 线组成 4 行输入口 令 4 个 I O 线组成 4 列输出口 在行列线的每个交点上 设置一个按键 共组成 4 4 16 个有效按键 读键值方法采用扫描方式 即 4 个输出口按位轮流输出低电平 同时从输入口读入 4 位按键信息 最后用软件方法获得按键码值 这种方法占 用的 I O 口线比较少 并且需要采用位操作 因此在单片机系统中是最为常用 的 3 5 大容量数据存储器大容量数据存储器 大容量数据存储器主要用来保存考勤记录 由于考勤记录必须在一段时间 内有效保存 并且不能因断电而丢失数据 因此选用 E2PROM 芯片作为存储器 3 6 实时时钟实时时钟 指纹考勤机中的实时时钟是所有考勤记录的时间基准 实时时钟不仅要满 足时间的准确性 同时还要求在停电时仍能正常计时 作者选用 DALLAS 公司 的 DS1302 芯片作为实时时钟 3 7 液晶显示模块液晶显示模块 液晶模块 如图 3 4 包括液晶初始化 命令的输入 显示数据的输入 其 中命令是用于控制液晶状态是否显示光标 光标是否闪烁 是否清除原来数据 以及显示的具体位置 数据显示主要是将要显示的信息按需要准时显示出来 按键电路 其按键共有三个 K1 复位 K2 指纹录入 K3 指纹读出 按下 k1 系统处于复位状态 将清空之前的所有操作 按下 k2 键后 FM 180 指纹识别模块开始处于工作状态 工作灯闪亮 此时可以进行指纹录入工 作 将所需录入的指纹置于识别区 1 2 秒 显示 test finger1 2 3 表示录入成功 按下 k3 键后模块处于识别工作模式 将之前多录入的指纹体置于识别区 3 5 秒 显示 finger1 2 3 表示读取成功 模式指示灯 共有两个灯 一红一绿 与模块握手通过 绿灯亮起 进入 识别模式 红色灯亮 进入录入指纹模式 电源与指示灯 该模块使用 USB 供电 使用拓展的 5V 电源接口 当与计 基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计 18 算机接通后 按下开关 电源指示灯亮起 图 3 4 液晶显示模块 第四章第四章 系统软件设计系统软件设计 4 1 系统软件结构设计系统软件结构设计 系统的软件部分 从整个系统软件的业务需求来看 考勤系统的用户大概 分为系统管理用户 考勤管理用户 普通用户 他们在实际工作中有着不同的 分工 各自有不同的行为和责任 因此 考勤系统中也体现了这点 在系统中 拥有的操作和功能权限各不相同 系统的管理员可以灵活的设置用户的权限 因此在设计的过程中 给每个用户一个权限标识 该标识决定了拥有什么 功能的权限 代表了可以做什么事情 系统管理员拥有修改这个权限标识的权 力 几类用户的功能结构图 详细功能结构如下图 4 1 所示 基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计 19 指纹考勤 系统用户 功能 考勤管理 员 请假报表生成 加班报表生成 考勤结果统计 个人考勤 用户登录 指纹信息录入 考勤规则设定 考勤报表生成 用户登录 加班申请 加班审批 考勤分析 普通员工 个人考勤查询 请假申请与审批 加班申请与审批 系统管理 员 用户登录 个人信息修改 用户信息修改 用户权限分配 图 4 1 用户功能结构图 考勤管理员拥有考勤相关所有的管理权限 如指纹信息录入 考勤规则设 定 考勤报表生成 请假报表生成 加班报表生成 考勤结果统计等功能 普 基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计 20 通员工拥有的权限相对简单 普通用户可以分为基层员工和管理者 基层员工 拥有的功能是 查询个人信息 个人考勤 个人考勤结果查询 休假申请 加 班申请等 而中高层管理者除了拥有基层员工的功能之外 还有请假审批 加 班审批等审批功能 系统管理员的特殊性是其拥有普通用户和考勤管理用户没 有的个人信息修改功能 用户信息修改功能 用户权限分配功能 系统设置功 能等等 当然 它还具备前两类用户所包含的全部权限 4 2 数据库设计数据库设计 数据库 Database 是按照数据结构组织起来并存储起来的数据的集合 另一种说法它就是数据的仓库 随着网络和计算机技术的快速发展 数据库技 术在各个方面都得到了广泛的发展和应用 本指纹识别考勤系统将用 MySQL 作为数据库 因为它集聚了体积小 速度快 总体拥有成本低 开放源码 兼 容性较好 能提供多个应用程序的编程接口 API 等诸多先天优势 不失为 一个较好的关系型数据库 22 与此同时 MySQL 还提供了简单有效地安全机 制 数据库管理员 MySQL 设置的授权表 确保了相对的安全性 23 本系统的数据为 db attendance 它由用户表 tbl user 指 纹表 tbl fingerprint 请假记录表 tbl vacation 加班记录表 tbl overtime 考 勤记录表 tbl record 考勤分析表 tbl analyse 考勤规则表 tbl regulation 构成 整个系统中表与表之间的关联关系可以通过 E R 图 图 4 2 表示出来 基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计 21 图 4 2 数据库表的 E R 图 4 2 1 用户表用户表 用户表 tbl user 的结构如下表 4 1 所示 其中 id 和 user 为索引 id 是数据库自增编号以下所有的表的 id 都是自增的且是唯一索引 各个字段的 意义都在备注中有解释 下面所有表也一样 对一些特殊的字段做必要的解释 user 用户名 为方便查询 给 user 也建立了唯一的索引 passwd 密码 其存储内容为密码的 md5 校验后的值 group 用户组 level 权限等级 group 和 level 共同决定该用户的功能权 限 表 4 1 用户表结构 字段变量数据类型数据长度是否允许空备注 idInt 自动编号 11否ID 主键 userVar Char50否用户名 passwdVar Char50否密码 groupInt4否用户组 levelInt4否权限等级 基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计 22 nameVar Char20否姓名 sexInt4否性别 birthVarChar30是 joinDate 否进入公司时间 scheduleInt4否所属班次 phoneVarChar20是 4 2 2 指纹表指纹表 指纹表 tbl fingerprint 的结构如下表 4 2 所示 它主要用于记录注册的 指纹和指纹匹配过程中用到的数据 指纹表与用户表有关联关系 指纹表中的 userId 对应于用户表中的 id 进行关联 表 4 2 指纹表结构 字段变量数据类型数据长度是否允许空备注 idInt 自动编号 11否ID 主键 userIdInt11否tbl user 表对应的 id dataBlob 否指纹数据 timeDate 否指纹注册时间 4 2 3 请假记录表请假记录表 请假记录表 tbl vacation 的结构如下表 4 3 所示 其中 id 和 userId 为 索引 applyTime 为请假申请时间 type 为请假的类别 如带薪年假 病假 产假 丧假等 请假起始时间 请假时长和请假原因都是每一位请假申请人需 要填写的项目 请假记录表与用户表有关联关系 请假记录表中的 userId 对应 于用户表中的 id 进行关联 表 4 3 请假记录表结构 字段变量数据类型数据长度是否允许空备注 idInt 自动编号 11否请假流水编号 主键 userIdInt11否tbl user 表对应的 id applyTimeDate 否请假申请时间 typeInt4否请假类型 beginTimeDate 否起始时间 endTimeDate 否结束时间 hourDobule4否请假时长 reasonVarChar300否 approveInt4否审批情况 approveTimeDate 否审批时间 基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计 23 4 2 4 加班记录表加班记录表 加班记录表 tbl overtime 的结构如下表 4 4 所示 其中 id 和 userId 为索引 applyTime 是加班申请的时间 type 为加班的类型 如平常加班 周 末加班和节假日加班等 在设定了加班审批栏目的同时还记录加班原因 加班 的起始时间以及每次加班的具体时长 同样 加班记录表与用户表有关联关系 加班记录表中的 userId 对应于用户表中的 id 进行关联 表 4 4 加班记录表结构 字段变量数据类型数据长度是否允许空备注 idInt 自动编号 11否加班流水 ID 主键 userIdInt11否tbl user 表对应的 id applyTimeDate 否加班申请时间 typeInt4否加班类型 reasonVar Char300否加班原因 availInt4否加班审批 beginTimeDate 否起始时间 endTimeDate 否结束时间 hourDobule4否加班时长 4 2 5 考勤记录表考勤记录表 考勤记录表 tbl record 的结构如下表 4 5 所示 它主要用于记录员工日 常的考勤记录 该表的值是由考勤模块对考勤的指纹识别出结果的记录 表 4 5 考勤记录表结构 字段变量数据类型数据长度是否允许空备注 idInt 自动编号 11否Id 流水编号 主键 userIdInt11否tbl user 表对应的 id beginTimeDate 否考勤签到时间 endTimeDate 否考勤退勤时间 hourDouble4否工时 4 2 6 考勤分析表考勤分析表 考勤分析表 tbl analyse 的结构如下表 4 6 所示 它主要用于分析并记 录员工每天的考勤结果 该表是每天凌晨结分析前一天的考勤记录 利用考勤 规则的设定 为每位员工生成考勤分析记录 该记录有如下信息 表 4 6 考勤分析表结构 字段变量数据类型数据长度是否允许空备注 idInt 自动编号 11否ID 主键 userIdInt4否用户 Id 基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计 24 userNameVar Char50否用户名字 dateDate 否考勤日期 timeDate 否记录