基于指紋識別的智能排隊系統(tǒng)*

張 凱 ，薛 飛，劉 奔

(南京信息工程大學信息與控制學院，南京210044)

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們出行的幾率越來越高，而人們出行首選的交通工具大部分還是火車與汽車，排隊買票是乘客出行的一個重要環(huán)節(jié)，如今因買票時插隊而發(fā)生的乘客糾紛事件已屢見不鮮，這不僅嚴重影響了售票系統(tǒng)的進行與秩序，也耽誤了大量乘客的時間，并且也引發(fā)了乘客對車站秩序的不滿。因此，如何解決胡亂插隊這一長久問題，構(gòu)建一個輕松、和諧、有序的智能排隊系統(tǒng)已經(jīng)迫在眉睫。

作為一種具有代表性的生物特征識別方法，指紋識別利用指紋的終身唯一性得到了廣泛的關(guān)注［1］。本文在排隊系統(tǒng)中通過區(qū)分指紋來辨別出不同的排隊等候的客戶，將指紋識別技術(shù)與排隊系統(tǒng)相結(jié)合，搭建了一個基于指紋識別的智能排隊系統(tǒng)，該系統(tǒng)能很好的防止插隊現(xiàn)象，構(gòu)建和諧的售票環(huán)境。

1 系統(tǒng)方案論述

為了解決車站買票時亂插隊的現(xiàn)象，本文提出了基于指紋識別的智能排隊系統(tǒng)，其具體要求與功能:每個售票窗口都是并列運行，互不干擾的，乘客根據(jù)每個窗口的液晶屏幕顯示的實時排隊情況選擇售票窗口，通過該窗口的指紋識別模塊進行指紋登陸，獲取排隊號，而后進行排隊，等待窗口語音提示。選擇售票窗口后，乘客首先按“取號”鍵，通過指紋識別器錄入指紋，獲取排隊號，然后當聽到揚聲器提示“請第X 號窗口的第XX 號買票”時，乘客應(yīng)到窗口買票，此時按“指紋識別”鍵，乘客通過指紋識別器進行指紋識別，若與數(shù)據(jù)庫中指紋特征吻合則可以買票，否則蜂鳴器會連續(xù)發(fā)出警報聲，同時顯示屏上提示“請您繼續(xù)排隊!”，為了防止有人退出售票系統(tǒng)，允許在五個特征指紋范圍內(nèi)的誤差。每當一位乘客購票結(jié)束后再按“下一位”鍵，顯示屏與語音將會提示下一位乘客購票。通過這種方法乘客就無法進行插隊，同時實現(xiàn)各窗口良好的并行運營，有效的解決了買票插隊的混亂情況。

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要包括:89C51 單片機、指紋識別模塊、語音芯片、液晶顯示屏、電源模塊、發(fā)光二極管、蜂鳴器。指紋識別模塊主要由指紋傳感器，數(shù)字信號處理器，RS232 接口和存儲芯片等構(gòu)成，主要實現(xiàn)了指紋圖像采集，指紋圖像處理和指紋模板存儲等功能;電源管理模塊使用LM7805 為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的+5 V直流電壓。89C51 作為中央處理器，它的串口用來連接指紋識別模塊的串口，進行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，89C51 的兩個外部中斷輸入端分別接開關(guān)K3和K1，89C51 的T0 口接開關(guān)K2。開關(guān)K1的功能是對指紋識別器的模式進行轉(zhuǎn)換，當綠色發(fā)光二極管亮時為識別指紋模式，當紅色發(fā)光二極管亮時為指紋錄入模式。在指紋錄入模式下，開關(guān)K2閉合一次即可錄入一次指紋。開關(guān)K3的功能是清除所有指紋，作為中央處理器89C51 不僅需要控制指紋模塊，同時還要根據(jù)排隊狀況發(fā)送命令操作語音芯片播放語音，對液晶顯示器進行控制;乘客的購票行為是由語音芯片利用存儲在內(nèi)部的語音片段對其提示進行的;每個窗口的當前排隊情況與所取得的排隊號的顯示由液晶顯示屏實現(xiàn)，圖1 為系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 指紋識別模塊

指紋識別步驟如圖2 所示，該步驟分為指紋特征模板的獲得過程與指紋特征模板的匹配過程。在指紋特征模板的獲得過程中，指紋圖像從傳感器中取得，經(jīng)過指紋識別算法獲得指紋特征并存入到數(shù)據(jù)庫中，存儲到數(shù)據(jù)庫中的指紋特征稱為指紋特征模板［2-4］。在指紋特征模板匹配過程中，將得到的指紋特征模板與之前存儲的模塊進行對比，對比結(jié)束后得到結(jié)果。

圖2 指紋識別步驟

2.2 液晶顯示模塊

液晶顯示屏主要顯示每個窗口的當前排隊狀況以及乘客所取得的排隊號，營造良好的人機交流界面。本文采用的是JM12864M-2 液晶顯示屏，JM12864M-2 液晶顯示屏可以顯示漢字與圖形，內(nèi)置128 個字符(8×16 點陣)、8 192 個中文漢字(16×16 點陣)及64×256 點陣顯示RAM(GDRAM)［5］。主要技術(shù)參數(shù)和顯示特性如下。

電源:VDD 3.3 V ～+5 V(內(nèi)置升壓電路，無需負壓);

顯示內(nèi)容:128 列×64 行;

顯示顏色:黃綠;

顯示角度:6:00 鐘直視;

LCD 類型:STN;

與MCU 接口:并行或串行2 種控制方式，本文采用其中的并行方式;

多種軟件功能:可根據(jù)指令設(shè)定如待機模式、睡眠模式及繪圖模式等;

圖3 為液晶顯示模塊與89C51 單片機引腳連接圖。

圖3 JM12864M-2 與單片機的并行連接

2.3 電源模塊

為了給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓，本文采用L7805CV穩(wěn)壓器，設(shè)計了一個電壓穩(wěn)壓電路，提供+5 V 電壓。L7805CV 有一系列固定的電壓輸出，它的使用壽命較長，有非常廣泛的應(yīng)用。在其內(nèi)部有對電流的限制，以及安全工作區(qū)的保護和熱保護，在散熱性滿足的條件下可以輸出大于1.5 A 的電流，且可以根據(jù)外部器件而獲得不同的電流與電壓。

此系列的穩(wěn)壓器在使用時，要注意以下幾點:

(1)必須分清輸入端與輸出端，混淆接錯后易擊穿燒壞，接地端不允許開路。

(2)做大電流輸出時，一定要加散熱器。

(3)35 V 是7805 的最大輸入電壓，7.5 V 是最小輸入電壓為，1.5 A 是最大輸出電流。

圖4 是系統(tǒng)電源模塊設(shè)計電路圖。

圖4 系統(tǒng)電源模塊電路

2.4 語音模塊

語音模塊采用的是ISD2560 型語音芯片，該芯片工作電壓是3 V，單片錄音最多可以達到16 min。本系統(tǒng)中將該芯片的錄音引腳閑置，只使用它的放音功能?？梢酝ㄟ^設(shè)置芯片的地址引腳來訪問每段語音。利用高級語音編程拷貝機ISD1425 對芯片片內(nèi)的信息進行拷貝，圖5 是ISD2560 與單片機的連接圖［6-8］。

圖5 ISD2560 與單片機的引腳連接圖

3 軟件設(shè)計

軟件的集成開發(fā)環(huán)境使用KEIL C51，系統(tǒng)軟件設(shè)計的難點在于錄入指紋數(shù)據(jù)的處理，排隊系統(tǒng)過程的操作及語音芯片的控制，以下將對這些部分作簡要的分析。

3.1 系統(tǒng)對指紋數(shù)據(jù)的處理

單片機通過串口完成對指紋模塊的各種功能操作，通信過程中的操作應(yīng)答指令與數(shù)據(jù)交換都是按照固定的數(shù)據(jù)包格式來進行的。單片機必須按照下述格式封裝要發(fā)送的指令或數(shù)據(jù)，也必須按下述格式解析收到的數(shù)據(jù)包。

指令/數(shù)據(jù)包分為命令包，數(shù)據(jù)包(有后續(xù)包)和結(jié)束包，所有的數(shù)據(jù)包都要加包頭:0xEF01，它們的格式如表1 ～表3 所示。

本文采用兩次指紋登陸一個模板存于Flash 指紋庫的方式，具體步驟如下:

(1)發(fā)獲取圖像指令:PS_GetImage，從采集指紋的傳感器上讀取圖像并存于圖像緩沖區(qū)。

(2)發(fā)生成特征指令PS_GenChar，輸入?yún)?shù)為BufferID=1，參數(shù)根據(jù)原始圖像生成指紋特征存于CharBuffer1 或CharBuffer2。

(3)重復以上2 步，注意在重復第2 步時輸入?yún)?shù)為BufferID=2。

(4)發(fā)注冊模板指令PS_RegModle，將CharBuffer1與CharBuffer2 中的特征文件合并生成模板存于Charbuffer2。

(5)發(fā)生成特征指令PS_StoreChar，將文件數(shù)據(jù)從特征緩沖區(qū)中存儲到Flash 指紋庫。

表1 命令包格式

表2 數(shù)據(jù)包格式

表3 結(jié)束包格式

3.2 單片機在不同模式下對系統(tǒng)的控制

本文中89C51 單片機的引腳INT0 用于產(chǎn)生外部中斷信號清除指紋庫數(shù)據(jù)，引腳INT1 用于產(chǎn)生外部中斷信號進行系統(tǒng)模式轉(zhuǎn)換。當清除指紋庫的數(shù)據(jù)時蜂鳴器會長響一聲，紅綠燈分別代表錄入指紋模式與識別指紋模式，下面將簡單介紹這3 個功能的實現(xiàn)。

(1)指紋庫內(nèi)數(shù)據(jù)的清除

在清除指紋數(shù)據(jù)前，單片機應(yīng)先通過函數(shù)VefPSW(void)來驗證設(shè)備握手，若握手成功，則利用指令DELE_all 清空所有指紋信息。具體形式如下:

void Clear_All(void)

{ if(VefPSW()!=1){}

else{Command(DELE_all，50);

Command(DENT，20);}

}

(2)錄入指紋

單片機利用函數(shù)Enroll(void)采集兩次指紋生成一個指紋模塊。采集上限為40 次，

超出設(shè)定的上限次數(shù)，則采集失敗退出Enroll函數(shù)。具體形式如下:

unsigned char Enroll(void)

{ unsigned char temp=0，count=0;

while(1)

{ temp=ImgProcess(1);

if(temp==3)

{break;}

else {if(temp==1)

{count++;

if(count＞=40) return(0);}

}

}

}

(3)指紋識別

單片機先利用函數(shù)ImgProcess(Unsigned char BUFID)讀入一個指紋，然后利用函數(shù)Searchfinger()搜索指紋，如果搜索到，返回搜索到的指紋序號。具體形式如下:

unsigned char search(void)

{ unsigned char SearchBuf=0，i=0;

while(i＜20)

{ if(ImgProcess(1)= =3)

{ SearchBuf=Searchfinger();

if(SearchBuf==1)

{return SearchNumber;}

else {return 0;}

}i++;

} return 0;

}

3.3 語音播放控制

在本系統(tǒng)中，為了播放芯片中第一段語音，將ISD2560 的地址引腳A0 到A9 全部接地(GND);單片機的P1.0 引腳與ISD2560 的節(jié)電引腳PD 相連接，這樣單片機就可控制芯片的開關(guān);ISD2560 的錄放模式引腳P/R 與單片機的P1.1 相連接，以此控制語音芯片的工作狀態(tài)，系統(tǒng)中ISD2560 只工作在播放模式下。EOM 為語音信息結(jié)尾標志。

要使語音芯片工作在放音狀態(tài)，首先要找到相應(yīng)的語音段起始地址，這里我們通過給芯片的地址引腳賦值來實現(xiàn)，其次再將高電平賦予引腳P/R，低電平賦予引腳PD，最后在引腳/CE 上產(chǎn)生一個負脈沖作為啟動信號，系統(tǒng)控制播放程序如下:

void play(void)

{ PD=1;CE=0;PR=1;

while(!EOM);delays();

PD=0;CE=0;PR=0;

}

4 結(jié)論

該系統(tǒng)利用指紋的高精確性，在乘客排隊買票時，售票員可根據(jù)采集到的指紋進行對比匹配，根據(jù)匹配成功與否進行售票，圖6 為系統(tǒng)運行時的演示圖。在售票過程中，可有效防止乘客買票時無故插隊帶來的不良影響，提高售票效率，有效改善售票大廳的人文環(huán)境。本系統(tǒng)真正實現(xiàn)了售票系統(tǒng)“一人一票”的快速、可靠、智能化管理。

圖6 系統(tǒng)驗證指紋時的運行圖

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