基于ZigBee网络的无线指纹识别系统的设计与实现

科技创新

数字技术与应用

基于ＺｉｇＢｅｅ网络的无线指纹识别系统的设计与实现

潘伟

（山东大学计算机科学与技术学院　　山东济南　　２５０１０１）

［摘　要］本文介绍了一种基于ＤＳＰ和ＭＣＵ的双片结构的无线指纹识别系统的设计实现。本系统由ＡＥＳ２５１０和ＴＭＳ３２０ＶＣ５５０７构成指纹图像采集模块，由ＰＩＣ１８ＬＦ４６２０和ＭＲＦ２４Ｊ４０构成基于ＺｉｇＢｅｅ网络的指纹认证信息的无线传输模块。该系统相对传统的嵌入式指纹识别系统更适合于人员多和指纹采集地点发散的场合，可以作为大型考勤系统的一种解决方案。

［关键词］指纹传感芯片　　指纹识别系统　　ＺｉｇＢｅｅ无线网络

［中图分类号］ＴＰ３９　　　　　　　　　　　　　　　　［文献标识码］Ａ　　　　　　　　　　　　　　　　［文章编号］１００７－９４１６（２０１０）０３－００４３－０２

Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ　Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ

Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＺｉｇＢｅｅ　Ｎｅｔｗｏｒｋ

Ｐａｎ　Ｗｅｉ

（ＳｈａｎＤｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）

［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂｙ　ａ　ＤＳＰ　ａｎｄＭＣＵ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｗｏ－ｐｉｅｃｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．　Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ　ｓｅｎｓｏｒ　ＡＥＳ２５１０　ｗｉｔｈ　ＤＳＰ　（ＴＭＳ３２０ＶＣ５５０７）　ａｓｔｈｅ　ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ　ｉｍａｇｅ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅ　ａｎｄ　ＰＩＣ１８ＬＦ４６２０　ｗｉｔｈ　ＭＲＦ２４Ｊ４０　ａｓ　ｔｈｅ　ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ　ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｗｉｒｅｌｅｓｓｍｏｄｕｌｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＺｉｇＢｅｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ．　Ａｓ　ｔｏ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｍｏｒｅｓｔａｆｆ　ａｎｄ　ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ　ｓｉｔｅｓ　ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ’ｓ　ｏｃｃａｓｉｏｎｓ．　Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ａ　ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ　ｃｈｅｃｋｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ’ｓ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ．

［Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ］ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｃｈｉｐ；　ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ；　ＺｉｇＢｅｅ’ｓ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｎｅｔｗｏｒｋ

1 引言

目前广泛应用的嵌入式指纹识别系统主要由指纹识别传感器和嵌入式处理器完成指纹信息的采集、分析和比对来实现身份认证，进而通过串口与上位机通信实现身份认证信息的综合管理，是一种集中式指纹采集系统。本文将提出一种基于ＺｉｇＢｅｅ无线网络的指纹识别系统的设计与实现，其原理如图１所示［１］。本系统每个节点为一个独立的嵌入式指纹识别设备，各个节点通过ＺｉｇＢｅｅ协议进行无线网络连接，每个节点的指纹身份认证信息通过ＺｉｇＢｅｅ无线网络传到ＺｉｇＢｅｅ中心节点最后通过ＲＳ２３２由上位机进行身份认证信息的综合处理。本系统适合于指纹采集分散的场合，例如人数多和采集地点分散的考勤系统可以采用这种模式。

2 ZigBee无线网络协议

ＺｉｇＢｅｅ是一种新兴的短距离、低功耗、低数据传输率、低成本、低复杂度的无线网络技术。ＺｉｇＢｅｅ网络包含协调器、路由器和终端设备三种协议设备，可构成网状网络，最多可支持６５５３６个节点，ＺｉｇＢｅｅ网状网络如图２所示［２］。ＺｉｇＢｅｅ网络可以工作在２．４ＧＨｚ、９１５ＭＨｚ和８６８ＭＨｚ三个工作频带，工作在２．４ＧＨｚ频带的数据传输率为２５０Ｋｂ／Ｓ，节点间传输距离可以达到１００米的范围。与其他无线协议相比，ＺｉｇＢｅｅ无线协议的复杂度低，降低了资源要求，ＺｉｇＢｅｅ协议栈一般为４ＫＢ－３２ｋＢ，由网络协调器节点

容纳网络内所有节点的设备信息、数据包转发表、设备关联表、与安全有关的密钥存储等，各节点可由８位微控制器实现ＺｉｇＢｅｅ协议层。对于指纹采集系统的身份认证信息可由ＺｉｇＢｅｅ节点以接力方式传送到ＺｉｇＢｅｅ中心节点进而传给上位机进行综合处理。

3 指纹识别节点的设计

3.1 指纹识别节点的工作原理

本系统的指纹识别节点采用双片结［３］构，是由两片嵌入式处理器构成的两个小系统结合而成。一个系统是以高性ＤＳＰ为核心配以存储器、指纹传感器构成，完成指纹信息采集、算法处理、模板存储等需要较大运算量和存储量的功能的指纹识别模块；另一个系统以ＭＣＵ为核心配以ＺｉｇＢｅｅ　ＲＦ无线收发器和天线构成的身份认证信息无线传输模块，ＭＣＵ通过ＳＰＩ总线和ＺｉｇＢｅｅ　ＲＦ收发器连接，ＭＣＵ作为ＳＰＩ主控器件实现ＺｉｇＢｅｅ协议层，ＺｉｇＢｅｅ　ＲＦ收发器作为从动器件和天线共同实现节点间信号的传输。两个系统间以串行接口来完成状态和信息的传输，其结构如图３所示。

3.2 指纹识别节点的硬件结构与软件设计

３．２．１　指纹识别模块

采用ＡｕｔｈｅｎＴｅｃ公司的ＡＥＳ２５１０为指纹传感器，该传感器采用超小型４８脚ＢＧＡ封装。其体积仅为１３．　５ｍｍ×５ｍｍ×１．３ｍｍ，其感应区为　９．７ｍｍ×０．８１ｍｍ，１９２×１６阵列。电压为２．５Ｖ时，工作在图像采集模式下该传感器的电流消耗为３５ｍＡ；工作电压为２．４～３．６Ｖ，寿命可达１００万次。传感器还能够每秒捕获多达２４０帧图像，分辨力为５００ｐｐｉ。多种接口方式，由ＩＯＳＥＬ０和ＩＯＳＥＬ１引脚决定所处的接口方式。并可自动检测手指的状态［４］。采用ＴＭＳ３２０ＶＣ５５０７－２００（ＢＧＡ封装）作为指纹识别的处理单元，ＴＭＳ３２０ＶＣ５５０７－２００是ＴＩ公司生产的高性能、低功耗ＤＳＰ，最高时钟频率为２００ＭＨｚ，具有６４Ｋ×１６－Ｂｉｔ片内ＲＡＭ（６４ＫＢ的ＤＡＲＡＭ＋６４ＫＢ的ＳＡＲＡＭ）和３２Ｋ×１６－Ｂｉｔ片内ＲＯＭ，最大可支持８Ｍ×１６－Ｂｉｔ片外ＳＤＲＡＭ和４Ｍ×１６－Ｂｉｔ片外Ｆｌａｓｈ扩展。Ｃ５５０７－２００还具有丰富的片内外设，这些特点足以胜任指纹识别算法的高性能要求。当ＡＥＳ２５１０配置为１９２×１６阵列、５００ｐｐｉ和４ｂｉｔ灰度等级时指纹采集图像约１．５ＫＢ，考虑到诸如指纹考勤系统类型的应用要求存储指纹模板多的情况，应扩展片外Ｆｌａｓｈ进行存储，本系统采用３片Ｋ８Ｐ１６１５ＵＱＢ　Ｎｏｒ　Ｆｌａｓｈ扩展３Ｍ×１６－Ｂｉｔ片外Ｆｌａｓｈ扩展，大约可以存储４０００个指纹模板。由于指纹识别算法的固件程序大约１００ＫＢ左右，指纹图像约为１．５ＫＢ，　Ｃ５５０７－２００有１２８ＫＢ片内ＲＡＭ故无需扩展片外ＳＲＡＭ或者ＳＤＲＡＭ。指纹识别模块电路原理图如图４所示。

指纹传感器ＡＥＳ２５１０的ＩＯＳＥＬ０和ＩＯＳＥＬ１引脚接低电平，使其工作在并口模式下，Ｃ５５０７片选ＡＥＳ２５１０后对其进行复位或初始化操作，ＡＥＳ２５１０开始自动进行指

纹检测，当ＡＥＳ２５１０检测到手指在传感器有动作后就向Ｃ５５０７发出中断，Ｃ５５０７通过低８位数据线对ＡＥＳ２５１０扫描的指纹

数字技术与应用４３

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信息进行采集，ＤＳＰ获取指纹信息后进行比对和身份认证，最后通过串口将身份认证信息传给身份认证信息无线传输模块。Ｃ５５０７对ＡＥＳ２５１０有指纹信息的读取和状态寄存器的配置操作，Ｃ５５０７的Ａ０引脚与ＡＥＳ２５１０的Ａ０引脚相连，当Ａ０为０时Ｃ５５０７通过总线读取ＡＥＳ２５１０扫描的指纹信息，当Ａ０为１时Ｃ５５０７通过总线对ＡＥＳ２５１０的状态寄存器进行读取和配置。Ｃ５５０７对图１　基于ＺｉｇＢｅｅ网络的无线指纹识别系统

ＡＥＳ２５１０初始化主要包括对ＡＥＳ２５１０寄存器的初始化、传感器采集方式、Ａ／Ｄ、Ｇａｉｎ等的设置。指纹识别模块工作的软件流程如图５所示。

３．２．２　身份认证信息无线传输模块该模块采用Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司的ＰＩＣ１８ＬＦ４６２０单片机和ＭＲＦ２４Ｊ４０无线收发器构成，身份认证信息无线传输模块硬件结构如图６所示。

如图中所示，ＰＩＣ１８ＬＦ４６２０通过　ＳＰＩ总线和一些离散控制信号与ＲＦ收发器相图２　ＺｉｇＢｅｅ

网状网络

连。ＰＩＣ１８ＬＦ４６２０充当ＳＰＩ主控器件，ＭＲＦ２４Ｊ４０收发器充当从动器件。控制器

图３　

指纹识别节点工作原理图图

图４　

指纹识别模块电路原理图

图５　指纹识别流程图６　身份认证信息无线传输模块硬件结构图４４数字技术与应用

科技创新

实现ＩＥＥＥ　８０２．１５．４　ＭＡＣ层和ＺｉｇＢｅｅ协议层，ＭＲＦ２４Ｊ４０和天线相连完成ＲＦ信号的收发。ＴＭＳ３２０ＶＣ５５０７完成指纹信息比对后，向ＰＩＣ１８ＬＦ４６２０发送中断（通过ＩＮＴ１），将比对信息通过串口发送到控制器后经身份认证信息无线传输模块传送到上位机进行后处理。

３．２．３　指纹识别节点的软件设计

无线指纹识别节点主要由ＤＳＰ＋ＡＥＳ２５１０的指纹识别模块和ＭＣＵ＋ＭＲＦ２４Ｊ４０的无线传输模块的双片系统构成，以无线传输模块作为主模块，指纹识别模块每获得比对结果后就向无线传输模块发送ＩＮＴ１中断请求信号，无线传输模块响应中断后将ＤＳＰ比对指纹的认证信息取走，进而启动无线传输将身份认证信息传向下一个节点。无线传输模块在收到上一个节点传来的信息后由ＲＦ收发器通过向自己节点的控制器发出ＩＮＴ０中断请求，控制器响应后根据路由信息选择下一个ＺｉｇＢｅｅ节点并启动无线传输，

直至将身份认证信息发送到上位机。其软件工作流程如图７所示。

4 结语

本文的基于ＺｉｇＢｅｅ网络的无线指纹识别系统采用双片系统设计。由ＴＭＳ３２０ＶＣ５５０７＋ＡＥＳ２５１０构成的指纹识别模块进行指纹信息的采集、比对等，本系统的ＡＥＳ２５１０采集图像约１．５ＫＢ共可以存储４０００多个指纹模板，适合采集人员多和采集地点分散的情形，指纹认证信息经由ＰＩＣ１８ＬＦ４６２０＋ＭＲＦ２４Ｊ４０构成的无线传输模块在ＺｉｇＢｅｅ网络中传输，ＺｉｇＢｅｅ无线网络具有低成本和低功耗的特点，传输距离最大可达１００米，适合人员多和采集地点分散的应用场合。故本系统可以作为大中型企事业单位考勤系统的解决方案。

[参考文献]

［１］　顺舟科技Ｚ－ＢＥＥ无线产品技术手册．［２］　ＡＮ９６５　Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ　ＺｉｇＢｅｅＴＭ协议栈．［３］　张春晖．《ＤＳＰ平台小型嵌入式指纹识别系统》．吉林大学硕士研究生论文，２００６．

［４］　基于ＡＥＳ２５１０的指纹采集系统的设计与实现，《传感器与微系统》，

２００７，２６（１０）．

图７　指纹识别节点软件流程图

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/t9vi.html