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基于ZigBee网络的无线指纹识别系统的设计与实现

发布时间:2017-12-07 09:26:00 文章来源:未来智讯    
    [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 SystemBased 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 and MCU based on the two-piece structure. The system is composed of fingerprint sensor AES2510 with DSP (TMS320VC5507) as the fingerprint image acquisition module and PIC18LF4620 with MRF24J40 as the fingerprint authentication information wireless module based on ZigBee network. As to traditional embedded fingerprint identification system, the system is more suitable for more staff 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构[3],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

本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文   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收发器相连。PIC18LF4620充当SPI主控器件,MRF24J40收发器充当从动器件。控制器实现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).

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