1 引言

   指紋識別技術(shù)通過分析指紋的局部特征，從中抽取詳盡的特征點(diǎn)，從而可靠地確認(rèn)個人身份。指紋識別的優(yōu)點(diǎn)是指紋作為人體獨(dú)一無二的特征，它的復(fù)雜度可以提供用于鑒別的足夠特征，具有極高的安全性。相對于其他身份認(rèn)證技術(shù)，指紋識別是一種更為理想的身份認(rèn)證技術(shù)，指紋識別不僅具有許多獨(dú)到的信息安全優(yōu)點(diǎn)，更重要的是具有很高的實用性、可行性，可以廣泛應(yīng)用于金融、電子商務(wù)以及安全性能要求教高的行業(yè)中。

    然而，目前大多數(shù)指紋識別系統(tǒng)，如指紋鎖、指紋門禁、或是PC、手機(jī)等需要指紋識別的設(shè)備或系統(tǒng)，為了節(jié)約成本和方便使用，都是將指紋采集和指紋識別放在一起形成一個完整的系統(tǒng)。用戶只需要把手指放在指紋采集頭上，指紋識別系統(tǒng)會把指紋圖像采集進(jìn)去，在主芯片上進(jìn)行圖像處理、特征點(diǎn)提取并進(jìn)行指紋特征對比等過程，然后把對比結(jié)果反饋給人機(jī)界面，同時控制或通知相應(yīng)的設(shè)備。這樣的系統(tǒng)決定了指紋采集頭必須安裝在用戶能夠直接觸摸到的地方，并暴露在外部環(huán)境中。比如汽車指紋門鎖、安裝在戶外的指紋鎖或門禁等，都會把指紋采集傳感器直接暴露在惡劣環(huán)境下面，不管是光學(xué)的、電容的或電感式的指紋采集頭，都非常容易被毀壞或損壞。

    為了解決這些問題，有的產(chǎn)家把指紋采集和識別部分分開，由于指紋采集部分需要電源，大部分廠家采用小USB接口，使用時把指紋采集部分插到識另l忤莫塊的小U1R口上，通過小USB口在指紋識別模塊匕取電來完成整個身份認(rèn)證過程，這樣指紋識別模塊可以安裝在環(huán)境比較好的地方，而指紋采集部分?jǐn)y帶在用戶身上而不會被惡劣環(huán)境所毀壞。但即使這樣，在惡劣的環(huán)境下面還是會面臨問題，比如小USB 口被堵了，還有使用時候也不方便，接口在使用過程中也容易損壞，操作起來不方便等等。如果上面的指紋采集部分采用藍(lán)牙或Wifi或無線寬帶并用電池供電，因為這些解決方案的功耗都比較高，使得識別模塊的電池很快就會被耗盡，使用起來非常不方便。本文將提出一種低廉實惠的基于Zigbee技術(shù)的無線指紋識別系統(tǒng)。

2 Zigbee無線技術(shù)

    Zigbee是一種近距離、安全性高、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，支持地理定位功能。Zigbee辦議架構(gòu)由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用支持層、數(shù)據(jù)鏈路層、介質(zhì)訪問層和物理層構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由Zigbee聯(lián)盟制訂，物理層、介質(zhì)訪問層和數(shù)據(jù)鏈路層采用IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802．15．4物理層簡單采用比特到符號映射技術(shù)、符號到碼片序列轉(zhuǎn)換技術(shù)、偏移正交相移鍵控(OQPSK)調(diào)制技術(shù)、無須信道編碼等復(fù)雜算法；介質(zhì)訪問層采用載波監(jiān)聽多址一沖突避免技術(shù)，支持休眠模式。其協(xié)議架構(gòu)如圖1所示。

圖1 Zigbee協(xié)議架構(gòu)

    Zigbee以IEEE 802．15．4協(xié)議為技術(shù)基礎(chǔ)，主要用于近距離無線連接，使用全球免費(fèi)的頻段進(jìn)行通訊，能夠在三個不同的頻段上通訊。全球通用頻段是2．4GHz，歐洲采用的是868MHz，美國采用的是915IvIHz，傳輸速率分別為250 kbit／s、20kbit／s~40kbit／s，通訊距離的理論值為10-75M。整個協(xié)議架構(gòu)的設(shè)計使得ziglxe~術(shù)具有傳輸速率低、功耗小、成本低、延時短等特點(diǎn)，非常適合于安全監(jiān)控系統(tǒng)。

    另外，Zigbee具備強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能，它支持三種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和簇狀結(jié)構(gòu)(Cluster tree)，并且系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)具有多跳路由功能，特別是能夠組成蜂窩網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。Zigbee技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有：(1)省電：兩節(jié)五號電池支持長達(dá)數(shù)月gI]2年左右的使用時間，當(dāng)然不同的應(yīng)用中，功耗是不同的；(2)可靠：采用了碰撞避免機(jī)制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息；(3)成本低：模塊價格低廉，且Ziabe協(xié)議是免專利費(fèi)的；(4)時延短：針對時延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短；(5)網(wǎng)絡(luò)容量大：Zigbe可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個主節(jié)點(diǎn)可管理254個子節(jié)點(diǎn)；同時主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)；(6)安全：Zigbee~供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用通用的AES-128t。

    與藍(lán)牙技術(shù)相比，Zigbee技術(shù)具有數(shù)據(jù)傳輸速率低、功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、時延短、有效范圍小、工作頻段靈活、抗干擾能力強(qiáng)、連接可靠安全等特點(diǎn)，非常適合于工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等應(yīng)用。

3 基于Zigbee的無線指紋識別裝置

    基于Zigbee技術(shù)的無線指紋識別裝置主要由一套無線指紋采集模塊和一套無線指紋識別模塊構(gòu)成，用戶通過使用無線指紋采集模塊，利用無線通道將使用者的指紋圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線指紋識別模塊，以實現(xiàn)身份認(rèn)證。

    該裝置主要由指紋采集模塊、指紋識別模塊和受控設(shè)備三大部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2指紋識別系統(tǒng)架構(gòu)

    無線指紋采集模塊主要由指紋采集模塊、無線發(fā)送模塊和供電電池組成。指紋采集模塊可以是一切用來采集指紋圖像的設(shè)備，可以是一枚電容式、熱敏式、壓感式或刮擦式的指紋采集芯片，當(dāng)然也可以是光學(xué)的指紋采集頭、指紋傳感器等。無線發(fā)送模塊包含Zigbee芯片I，如果該芯片沒有MCU功能，也可以加多個CPU來

    處理發(fā)送和接收的過程。無線發(fā)送模塊通過通信接口控制并接收來自指紋采集模塊的指紋圖像數(shù)據(jù)，并將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給無線指紋識別模塊。無線指紋采集模塊由電池加以供電。

    無線指紋識別模塊包括主芯片、Zigbee芯片II和存儲芯片。Zigbee芯片II用來和無線指紋采集模塊進(jìn)行通信、發(fā)送和接收命令或數(shù)據(jù)。存儲芯片用來存儲一個或幾個預(yù)設(shè)的指紋模板數(shù)據(jù)，主芯片可以是一枚高性能的DSP或ARM芯片，用來處理接收到的指紋圖像數(shù)據(jù)，生成特征文件，并與預(yù)先存儲在存儲芯片中的指紋模板比對，如果比對成功，則指紋身份認(rèn)證成功，打開或發(fā)送相應(yīng)的權(quán)限，如果不成功，則提示用戶不成功，可進(jìn)行下一步選擇操作。受控設(shè)備，可以是任何需要身份認(rèn)證的系統(tǒng)，比如鎖具、PC機(jī)、筆記本、汽車門系統(tǒng)、汽車防盜鎖等。

    使用無線指紋識別系統(tǒng)時主要分注冊登記和指紋識別兩個流程，這兩個流程可以單獨(dú)使用，注冊登記流程是采集用戶的指紋數(shù)據(jù)并生成指紋模板，保存到指紋識別模塊的存儲器中，以便在識別流程時使用。

    3.1 注冊登記流程

    使用者在使用指紋識別系統(tǒng)之前，首先應(yīng)在無線識別模塊上注冊登記自己的指紋模板，具體流程(如圖3所示)如下：(1)首先使用無線指紋采集模塊采集使用者的指紋，(2)然后通過Zigbee無線通信技術(shù)，將采集到的指紋圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線識別模塊，(3)最后無線識別模塊經(jīng)過處理生成指紋模板并存到存儲器，完成指紋注冊登記流程。

圖3注冊登記流程 

    3.2 指紋識別流程

    使用者在使用指紋識別系統(tǒng)時，應(yīng)進(jìn)行指紋識別和比對，具體流程(如圖4所示)如下：

圖4指紋識別流程

    (1)首先使用無線指紋采集模塊采集使用者的指紋，(2)然后通過Zigbee無線通信技術(shù)，將采集到的指紋圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線識別模塊，(3)無線識別模塊處理指紋圖像數(shù)據(jù)并生成特征文件，(4)無線識別模塊將生成的特征文件和預(yù)先存在存儲器里面的模板對比，執(zhí)行對比過程，(5)如果比對不成功，則提示用戶比對不成功，(6)如果比對成功，則提示成功并以特定方式通知或直接控制受控設(shè)備。

4 試驗效果評價

    對系統(tǒng)方案進(jìn)行多次測試試驗，結(jié)果表明，該系統(tǒng)將具有如下良好的效果：(1)對于指紋采集組件和指紋識別組件項分離，因此指紋采集組件可以由使用者隨身攜帶保管，這樣就可大大避免采集頭和指紋采集組件接觸到惡劣的環(huán)境。(2)對于指紋采集組件和指紋識別組件無線連接，因此指紋識別組件可以安裝在內(nèi)部環(huán)境，從而避免接觸到惡劣環(huán)境或遭人為破壞。(3)因為使用了無線系統(tǒng)，在需要授權(quán)的系統(tǒng)里面，整個流程就會變得簡單。(4)采用了Zigbee無線傳輸技術(shù)，使得信號的傳遞過程更加安全、可靠和快速。(5)因Zigbee芯片具有低功耗的特性，因此使指紋采集組件中的電源能經(jīng)久耐用，使用壽命長。

5 結(jié)語

   基于Zigbee的無線指紋識別裝置主要由指紋采集模塊和指紋識別模塊構(gòu)成，指紋采集模塊可以由使用者自己掌握和控制，而識別模塊可以安裝在近距離的安全房間內(nèi)，兩者之間采用先進(jìn)的無線技術(shù)進(jìn)行通信，可大大避免因天氣情況和人為因素而遭受破壞，另外由于Zigbee技術(shù)本身的種種優(yōu)勢，可以使得信號在傳輸過程中安全、可靠和快捷。Zigbee芯片的低功耗特性，解決了無線指紋采集模塊的電源問題。本方案適合運(yùn)用于門禁系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)等指紋識別系統(tǒng)，具有良好的市場應(yīng)用情景。

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本文標(biāo)題：基于Zigbee技術(shù)的無線指紋識別裝置設(shè)計

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