1. 指纹门禁系统要解决的问题

目前，生物特征识别技术是一项属高科技的较新的模式识别技术。它是指利用人自身的生理特征或行为特征如指纹、掌纹、虹膜或发声等来进行个体的身份识别。之所以依赖这些生物特征进行身份识别，主要是从应用系统的安全性角度考虑，因为这些特征具有个体的唯一性和长期稳定性，几乎不可能重复或仿制。其中，应用较多、接受程度最广、技术相对成熟的生物特征识别技术是指纹识别技术，市场上已经出现了部分指纹门禁、指纹门锁之类的基于指纹识别技术的产品。

指纹门禁系统的核心是指纹识别算法在门禁或通道上的实现和相应的配套管理系统的建立。

鉴于指纹的唯一性和稳定性，现场指纹也是国际公认的支持犯罪行为成立的证据之一。因此，可以将指纹作为楼宇出入人员最直接也是最有力的表示，实现金融机构、智能住宅和办公楼、高级宾馆中门禁与通道的出入管理。系统配备中央处理系统，能很好的与计算机进行联网，进行人员进出的统计管理，同时，也使用户感觉更安全、更便捷。

具体地讲，指纹门禁系统主要用以解决以下几个方面的问题：

ⅰ.提升系统的安全性

相对以往的钥匙、磁卡、IC卡、密码等有可能被盗用、遗失、遗忘和复制等引起的不便，指纹不存在遗失的问题，而且几乎不可能重复和被复制，确定了进出人员的唯一性和不可抵赖性，门禁系统可以按权限分级，但利用指纹信息可以追究责任到个人，确保了系统的安全性。

ⅱ.提高系统使用的便捷性

指纹随身携带，完全可以不需要任何形式的密码载体如IC卡或条形码等，使用方便，不会丢失。办公楼固定人员的指纹附加ID号（办公室门牌号或个人专用出入号码）可以快速有效的检索和识别指纹。

ⅲ.有效统计进出人员信息

可以在系统管理员的协助下查询、统计办公楼人员的进出信息，如具体年月日内何人何时捺印指纹到岗出勤。

ⅳ.完善访客管理体制

对于来访人员的管理也是办公楼门禁系统要解决的一个问题。通过在服务器端管理软件中增加相应的“访客备注与管理”功能模块，使对来访人员的管理更规范；同时，在指纹门禁前端（与指纹识别仪集成）设计相应的访客功能转换键，一方面，访客可以直播相应待访人员电话；另一方面门卫也可以更快速的登记、确定来访人员的身份，这也是本方案较有特色之处。

ⅴ.增强门禁系统自身防御体系

门禁系统管理部分设置黑名单模块并附有相应的报警装置，对多次欲强行进入系统者予以警告。

2. 指纹识别原理简介

法国巴黎大学教授勃太柴氏把指纹的细节特征归为四种，即起点、终点、分歧、结合。进行指纹比对时，先将这四种特征提取出来并保存，把两个指纹的特征点进行比对，通过平移、旋转和变比，当重合的最大特征点大于一定数量时就可认为两个指纹是相同的。

实际比对时，将现场采集的指纹与已有的模板指纹特征点比对从而进行判断，原理框图如下。

图1 指纹识别原理框图

图像预处理又包括：指纹图象质量控制、纹型分类、计算方向场、图象增强、二值化、细化及细节特征剪枝等环节。指纹比对过程中各阶段图象处理的效果如下：

原始指纹图象 截图寻找中心点 滤波处理 二值、细化和特征点提取

图2 指纹比对过程图象处理效果

图2中，原始指纹图象为240*320，256级灰度BMP图象；指纹图象的处理是根据指纹纹理特征建立的指纹方向场进行的，最终提取出的指纹特征点为一矢量，其分量包括该点的直角坐标和方向（该点指纹脊线的切线方向）。将现场指纹特征点集合与模板指纹特征点集合根据平移和旋转变换下指纹结构特征不变的原则进行比对，通过设置相应的比对门限判别比对结果。

3. 指纹门禁系统结构与工作过程

目前，门禁系统有几种选择：是否需要指纹模板的载体如IC卡或条形码，指纹比对是否在服务器上实现，还是在门禁前端实现？本方案不采用模板载体并在门禁前端（门锁）完成比对，向服务器反馈比对结果。

根据实际应用情况分析办公楼指纹门禁系统的功能：白天，除了来访人员处理子系统外，门禁系统主要是起到通道开关的功能；晚上，门禁系统除了通道开关控制的功能外，还起到屏蔽（封闭）办公楼内各部门的作用。

考虑门禁系统的工作效率和使用寿命，本方案采用下面的系统结构：

指纹识别仪完成指纹的采集、图像处理以及指纹比对并将结果送交给服务器，发出控制门禁开关的命令；通道控制设备是门禁系统的一个执行机构，可以采用三杆滚闸（类似三杆自动售票机）；门卫处设置一个指纹采集仪和一个扫描仪。

指纹门禁系统主要的工作过程简单介绍如下;

1.      白天工作时间，楼内工作人员欲进入办公楼的管理：

上面提到，此时门禁系统主要起到通道开关作用，故而采用“简易门”――通道控制设备作为门禁系统的执行机构，该机构使用寿命长，开关时间短，工作效率高。考虑早上上班时人员进入数量多，时间短，人员进入可以采用2个或3个通道同时放行。

楼内固定人员首先输入自己的ID号（可以是自己办公室号码也可以是个人专用出入号码），然后按指纹，根据指纹采集指示灯决定是否需要重复按指纹，最后指纹比对结果指示灯显示身份是否符合：若符合，门禁系统自动放行；否则要重新确定身份。

ID号的作用是使服务端指纹管理系统能够在指纹库中很快检索到进楼人员的身份信息以及模板指纹，管理系统进行登记并将模板指纹特征点传到指纹识别仪器进行比对。

2. 来访人员管理

来访人员欲进入办公楼，首先按门禁系统前端的指纹识别仪键盘上的“访客转换键”，键盘经转换变为电话机拨号键同时接通楼内电话线路，由访客直接联系楼内待访人员，确定对方是否在楼内；如果在楼内，则楼内人员通知门卫开门；同时，门卫对访客进行身份登记，记录指纹以及其它身份信息、访问对象、来访次数等，并将数据传到服务器端“访客备注与管理”区，以便日后查询和统计。

3. 外来货物及车辆进入的管理：

首先，送货人作为访客身份，按键查询收货人是否在楼内；在楼内，则门卫获得开门消息，然后车辆获准进入大门。送货人需要登记车牌以及驾驶证、身份证等，门卫可以采用手动输入文本信息，也可以采用扫描仪获取证件的图像信息。当然，如果系统自动化程度要求较高，车牌也完全可以用摄像头自动捕获，进行相关处理然后存贮。

4. 采用大门进出管理时，人员进入楼内时系统的工作方式与白天完全相同。

4.指纹门禁系统的设计内容

4.1硬件

★嵌入式指纹识别仪硬件设计

指纹识别仪是本系统的一个关键部分，除了指纹比对算法是在门禁前端指纹识别仪上实现的，指纹识别仪还可以完成指纹的采集、图像预处理、特征提取等功能。

同时，指纹识别仪控制面板带有相应的键盘和指示/提示装置，能实现由数字键盘转换到电话拨号盘；能向门禁执行机构（图3中通道控制设备）发控制命令；能将比对结果反馈给服务器。指纹识别仪的硬件结构框图如图4：

图4 指纹识别仪硬件结构框图

★信息传输布线设计

由于没有采用IC卡等做指纹模板的载体，因此，存在进行指纹比对时如何提供模板的问题。方案中采用485总线标准传输信息。系统内传输的信息主要有以下几种：

1. 进入人员ID信息；

2. 指纹模板特征点信息：服务器通过指纹数据库调出模板指纹特征，然后经转换，按485总线标准通过双绞线传输；

3. 指纹识别仪器反馈比对结果的信息；

4. 指纹识别仪的执行命令：由识别仪发到门禁执行机构。

★服务器端计算机选型

★门禁系统执行机构选型与安装

4.2 软件

★指纹识别算法

高精度的指纹识别模块实现对采集进来的指纹图象的处理、特征提取以及与模板指纹的对比，算法具有一定的智能自适应性，能够根据不同的指纹类型和图象质量采用不同的图象处理技术和特征模式匹配技术，以期对各种指纹都有较好的识别效果。

指纹识别模块

指纹采集

指 纹 传 感 器

信息处理单元 DSP

控制单元 MCU

信息缓存单元

信 息 传 输 单 元

执行机构

服务器

面板控制  

键盘（拨号电路）

指示灯等

★服务器端数据库管理软件

主要包括以下几个功能模块：

1. 楼内固定人员的个人身份信息，包括ID和指纹，同时为了查询和统计信息的需要，还带有个人其它的信息如姓名，性别等等。同时，固定人员进入楼内的日期、时间和次数都将被记录下来。

2. 访客备注与管理模块主要负责来访人员的个人身份信息记录以及访问事件的记录。

3. 警告及黑名单子系统设计

4．服务器端通信接口设计

4.3 安装、综合调试

5． 指纹门禁系统方案的特点：

1. 更安全、更便捷

指纹不可能丢失和篡改，本方案只要求指纹不受损伤即可，系统允许进出人员使用十指中的任意一个（特殊情况下的门禁管理可以由系统管理人员使用特殊权限而实现）。

2. 实现指纹现场比对

将指纹比对过程放到门禁前端――指纹识别仪上，不必由服务器比对指纹，减弱服务器负担；减少了等待时间。

3. 后端管理系统可自动记录相关人员进出数据，可以进行查询、备份、统计和打印等操作。

4. 对来访人员管理更规范

硬件上通过在指纹识别仪上设置相应的功能按键和增加拨号功能，软件上通过设置“访客备注与管理”区将使门禁系统大大改进目前门禁管理中对来访人员管理混乱的现象。

5. 权限设置，方便操作

根据权限区分管理员和使用人员，使用人员只能使用该系统进行确认身份进出，管理员可对系统进行登记、修改、删除、数据查阅等功能管理。

6. 易于扩展

对于多个办公楼的情况，本系统可以轻松地进行扩展；同时，在向服务器登录个人信息（包括指纹）后，来访人员还可以被授予进入各个办公楼地临时ID号，结合自己的指纹可以进入各办公楼找人。