无线指纹考勤系统的设计与实现

无线指纹考勤系统

河北工程大学

硕士学位论文

无线指纹考勤系统的设计与实现

姓名：刘记

申请学位级别：硕士

专业：计算机应用技术

指导教师：张永强

20070401

无线指纹考勤系统

摘 要

针对当前企、事业单位考勤管理的需要，本文基于指纹识别技术和无线通信技术，采用MCS-51系列单片机为主控制器协调并管理指纹识别模块VFDA02和无线通信模块PTR2000+[0]，实现了具备独立完成考勤及无线传输考勤信息等功能的无线指纹考勤系统。利用国际先进的专用防划光学指纹识别技术，根据指纹唯一性、终生不变的特点开发指纹应用产品。该系统可以脱离电脑独立使用，考勤记录容量大，时钟精度高，并通过无线通讯将考勤信息即时、定时或者响应地发送到管理中心PC，由管理中心PC处理考勤数据，完成考勤数据的显示、查询和打印等功能。该系统能够克服传统考勤机存在着的虚假考勤、人情管理、管理效率低和使用维护成本高等缺点，具有十分广泛的应用前景。

本文详细介绍了该系统的设计过程，主要分为以下几个部分：

首先，介绍了指纹识别的分类及其原理和特点，以及基于指纹识别技术的相关应用，并指出了目前已有指纹考勤机的种类及其优、缺点的对比。

其次，介绍了该系统的系统总体设计框架及其具备的功能。

再次，详细介绍了该系统的硬件设计与开发过程，并给出了主要硬件单元电路设计的原理图及其PCB板设计方法。

最后，根据所选方案编写软件系统，并分别对系统控制软件、应用软件以及通讯协议进行了较为详细的分析与说明，同时给出了主要模块的具体实现过程。 关键词：指纹识别；无线通信；考勤系统

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Abstract

Specifically for the present need of attendance management in enterprises and companies, this paper designs and implements the wireless fingerprint attendance system based on the technology of fingerprint identification and wireless communication, using MCS-51 series microprocessor, the fingerprint identification module FDA02 and the wireless communication module PTR2000+. This device can accomplish the attendance independently and wireless transmission of attendance information. This system makes use of international advanced special use to defend against marking the optics fingerprint identification technology, according to uniqueness and different of everyone fingerprint, invariant characteristic in one’s life. It can check on work attendance independent usage of computer. It has big capacity of attendance recordings, the precise time and can send the recordings in immediate, fixed time or the response modes to the managing PC. Managing PC processes the attendance data and completes the demonstration, inquiry and printing the data. This system solves the disadvantage of existing the false checking, person managing, low efficiency in the traditional attendance machine and has the extremely widespread application prospect.

This article in detail introduces this system’s design process, mainly dividing into following several parts:

First, introduced the fingerprint recognition classification and its principle and the characteristic, as well as based on fingerprint identification technology correlation application. At present had the fingerprint checking attendance machine type and its superior, the shortcoming contrast.

Second, introduced this system overall frame design and the function which it has. Third, in detail introduced this system hardware design and the realization process, and produce the main hardware unit circuit design the schematic diagram and its the PCB board design method, simultaneously in detail has also produced its hardware welding, the debugging process.

Fourth, according to chooses the plan and this system characteristic compiles its software system, and separately to systems controlling software, the application software as well as the communication agreement has carried on a more detailed

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analysis and the explanation, and finally has produced the main module concrete realization process.

Keywords: fingerprint verification; wireless communication; attendance management

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独创性声明

本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北工程大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解 河北工程大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 河北工程大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。

（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）

学位论文作者签名： 导师签名：

签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日

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第1章 绪 论

第1章 绪 论

1.1 课题背景

现在企、事业管理的一项重要组成部分就是其人事考勤制度，它的好坏直接影响到单位的经济、社会效益以及员工的薪资等诸多方面。因此，对单位员工的出勤情况进行有效、科学地管理已经成为每个单位面临的重要课题[1，2]。

传统的考勤方式如手工签到、打卡钟、IC卡或磁卡考勤方式，经常出现代打卡现象。即便采用人工干预方式，但由于受到技术手段本身的限制，这就决定了传统考勤方式是一种低效率、难管理、易假冒、高人情的不科学管理手段，因此考勤管理起不到较好的效果[3]。随着生物技术的发展，尤其是随着指纹识别技术发展的相对成熟，该项技术也被逐步应用到身份识别其中就包括指纹考勤等领域。指纹的最大优势就在于其不可替代性，并且相对固定、不易发生改变，通过分析指纹特征点，获得的信息就足以可靠地确认一个人的身份[4，5]。

指纹考勤系统利用指纹识别技术，并集成先进计算机考勤管理软件。单位员工不必保管和携带各种证件(如纸卡或IC卡等)，只要轻轻一按手指就可自动记录员工的考勤情况。管理人员可随时通过管理系统轻松打印人事考勤报表，财务部门根据考勤数据进行处理，轻松输出薪资报表，从考勤到工资管理全部电脑化，保证了企业考勤管理的公证性、严肃性、纪律性[6，7]。实现人、地、时三者合一，从而去除了虚假考勤，提高了考勤效率。

目前，市面上指纹考勤系统常见的有两种。一种是联机式产品，其工作时须有电脑支持，多个系统共享指纹识别设备，需要建立大型的数据库存储指纹信息，并且指纹的比对需要由后台计算机支持。后台PC负担被大大加重，而且无论考勤机、传路、计算机出现任何故障，都会导致整个考勤系统的瘫痪，降低系统处理能力和处理进度。另一种是脱机型产品，单机就可完成考勤全部过程，使用方便，所以脱机型产品得以广泛应用[6]，本课题研制的指纹考勤系统就属于该类型。另外，现有脱机型产品在对考勤信息进行统计时都是485网络与管理计算机连接起来，因而，就要求考勤地点附近有一台管理计算机，且对于地势不好的地点铺设线路非常麻烦。

本课题研制的无线指纹考勤机基于指纹识别和无线通信这两种技术，不仅单机就可完成考勤管理的全部过程，包括指纹采集、比对、时间管理、进出状态管理等多种功能，无需计算机的支持，节省了用户投资，使得系统总体成本降到最

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低，而且可以将考勤记录通过无线通信模块上传至上位处理机，从而有效地解决了架设相应网络造成的不便，减少了由于线缆故障造成的损失，并在传统PC通信流程基础上做出了改进，通信质量得到很大提高，系统管理更加方便、高效。

1.2 系统技术特点

无线指纹考勤系统与其他考勤系统的技术比较特点[2，6]，如表1-1所示。

表1-1与其他考勤系统技术对比 Table 1-1 Contrast with other attendance management systems

种类

介质 无线指纹考勤系统 指纹

单机海量存储芯

片，无需联机存

储指纹信息，单

机匹配，速度快，

质量高

无线数据发送，

方式可选，数据

记录不易出错

不可以

可以

1-2秒

可以

单机完成考勤全

过程，无须架设

线路，降低布线

成本，无线传输

考勤信息无须后

台计算机实时支

持，使用简单 普通联机指纹考勤系统 指纹 后台计算机上，需联机进行指纹匹配，速度慢，后台机负担大 联线读取，数据记录绝少出错 不可以 不可以 2-3秒 可以 需要架设线路，指纹机需要把指纹上传到计算机端进行识别。考勤时段，后台计算机需要实时进行服务 磁卡、IC卡、射频卡 卡片 卡片费用高、易损坏和丢失、磁条或IC 卡易丢失数据，数据读取受环境影响 数据读取易错，稳定性较差 可以 不可以 2-3秒 不可以 员工需携带卡片，损坏和丢失要变换卡片，磁卡使用寿命短，需频繁更换，代刷卡给企业造成经济损失 手工签到考勤 纸张 纸张易破损，不易长时间保存 存储介质 记录读取 代替考勤 自动统计 平均考勤时间 人事及薪资管理 人工统计，费时费力 可以 不可以 3-5秒 不可以 效率低，考勤时间不能保证，不利于计算机管理。要花费大量的时间和人力来统计考勤，易人情管理 设备优缺点

1.3 本章小结

本章介绍了本课题的研制背景，以及几种传统的考勤方式如普通联机指纹考勤系统、手工签到、打卡钟、IC卡或磁卡考勤方式，指出了它们所存在的缺点和不足，提出了以指纹识别进行考勤的解决方案，并针对市场上已有的两种指纹考

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勤系统的优、缺点进行了描述，确定了本文所采用的无线指纹考勤解决方案。最后，给出了本文研制的无线指纹考勤系统与其他考勤系统的技术对比。

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第2章 指纹识别技术

2.1 指纹识别简介

指纹识别技术是依靠人体的特征来进行身份验证的生物识别技术。它的基本原理是通过取像设备读取指纹图像，然后用计算机识别软件建立指纹的特征资料，最后通过模糊匹配算法得到识别结果。要把人体的特征用于身份识别，这些特征必须具有唯一性和稳定性。研究和经验表明，人的指纹、掌纹、面孔、发音、视网膜、骨架等都具有唯一性和稳定性的特征，即每个人的这些特征都与别人不同、且终生不变，因此就可以据此识别身份。基于这些特征，人们逐步对指纹识别、面部识别、发音识别等多种生物识别技术进行了探索和研究。目前，许多技术都已发展成熟并得以应用，其中，指纹识别技术更是生物识别技术的热点[7~9]。

指纹识别技术的发展得益于现代电子集成制造技术和快速、可靠算法的研究。尽管指纹只是人体皮肤的一小部分，但用于识别的数据量相当大，对这些数据进行比对也不是简单的相等与不等的问题，而是需要使用进行大量运算的模糊匹配算法。现代电子集成制造技术使得我们可以制造相当小的指纹图像读取设备，同时，飞速发展的个人计算机运算速度提供了在微机、单片机上可以进行两个指纹比对运算的可能。另外，匹配算法可靠性也不断提高，指纹识别技术已经非常实用。由于人体指纹的不变性和唯一性，指纹识别技术可以广泛应用于所有需要进行身份验证的场所，基于指纹识别技术的身份验证安全系统可以替代传统的基于密码和证件的安全系统。无需记忆密码，无需携带证件，指纹就是最有效的身份证明[4，10，11]。

2.2 指纹识别的技术分析

2.2.1 指纹提取

指纹识别技术主要涉及四个步骤[2]如图2-1所示。

图2-1 指纹识别四步骤

Fig.2-1 Four steps of fingerprint identification

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第2章 指纹识别技术

通过指纹读取设备读取到人体指纹的图像，并对原始图像进行初步的处理，使其更清晰。刚获得的图像有很多噪音，这主要是由平时的工作和环境所引起的，比如，手指被弄脏，手指有刀伤、疤痕、干燥、湿润或撕破等。图像增强是减弱噪音、增强脊和谷的对比度。期望得到比较干净、清晰的图像并不是容易的事情。为达到这个目标，处理指纹图像所涉及的操作包括设计一个适合、匹配的滤镜和恰当的阈值。然后，指纹辨识软件建立指纹的数字表示——特征数据，一种单方向的转换，可以从指纹转换成特征数据，但不能从特征数据转换成为指纹，而两枚不同的指纹不会产生相同的特征数据。软件从指纹上找到被称为“节点”的数据点，也就是那些指纹纹路的分叉、终止或打圈处的坐标位置，这些点同时具有七种以上的唯一性特征。因为通常手指上平均具有70个节点，所以这种方法会产生大约490个数据。有的算法把节点和方向信息组合产生了更多的数据，这些方向信息表明了各个节点之间的关系，也有的算法还处理整幅指纹图像。总之，这些数据，通常称为模板，保存为1K大小的记录。最后，通过计算机模糊比较的方法，对两个指纹的模板进行比较，计算出它们的相似程度，最终得到两个指纹的匹配结果[12~16]。

指纹采集技术是指纹识别系统的关键技术之一，指纹图像的质量会直接影响到识别的精度以及指纹识别系统的处理速度。当今所使用的主要指纹采集技术有光学指纹采集技术、半导体指纹采集技术和超声波指纹采集技术[2，6，17]。

光学指纹图像采集技术是最古老也是目前应用最广泛的指纹采集技术，光学指纹采集设备始于1971年，其原理是光的全反射(FTIR)。光线照到压有指纹的玻璃表面，反射光线由CCD去获得，反射光的量依赖于压在玻璃表面指纹的脊和谷的深度以及皮肤与玻璃间的油脂和水分。光线经玻璃照射到谷的地方后在玻璃与空气的界面发生全反射，光线被反射到CCD，而射向脊的光线不发生全反射，而是被脊与玻璃的接触面吸收或者漫反射到其他地方，这样就在CCD上形成了指纹的图像。光学采集设备有着许多优势：它经历了长时间实际应用的考验，能承受一定程度温度的变化，稳定性很好，成本相对较低，但是光学采集设备也有其不足之处，主要表现在图像尺寸和潜在指印两个方面。

半导体指纹采集技术半导体传感器是1998年在市场上才出现的，这些含有微型晶体的平面通过多种技术来绘制指纹图像。半导体芯片的体积小巧，功耗很低，可以集成到许多现有设备中，这是光学采集设备所无法比拟的。但其最主要的弱点在于：容易受到静电的影响，使得传感器有时会取不到图像，甚至会被损坏，手指汗液中的盐分或者其他的污物，以及手指磨损都会使半导体传感器的取像很困难。另外，它们并不像玻璃一样耐磨损，从而影响使用寿命。

而超声波指纹图像采集技术被认为是指纹采集技术中最好的一种，但由于其

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成本很高，而且还处于实验阶段，所以在指纹识别系统中还不多见。因此，目前民用指纹识别系统中最为可靠和实用的，也是应用较为广泛的仍为光学指纹图像采集技术[2，17]。

2.2.2 验证和辨识

应用系统利用到的指纹识别技术可以分为两类，即验证(Verification)和辨识(Identification)[2，6]。验证就是通过把一个现场采集到的指纹与一个已经登记的指纹进行一对一的比对(one-to-one matching)，来确认身份的过程。作为验证的前提条件，他或她的指纹必须在指纹库中已经注册。指纹以一定的压缩格式及加密算法存储，而不直接储存图像，并与其姓名或其标识(ID，PIN)联系起来。随后在比对现场，先验证其标识，然后，利用系统的指纹与现场采集的指纹比对来证明其标识是合法的，这是应用系统中使用得较多的方法。

验证的逻辑关系如图2-2所示。

图2-2 指纹验证过程

Fig.2-2 Procedure of fingerprint verification

辨识则是把现场采集到的指纹同指纹数据库中的指纹逐一对比，从中找出与现场指纹相匹配的指纹。这也叫“一对多匹配[2] (one-to-many matching)”。有效的指纹辨识系统不仅仅依赖于辨识算法，还有其他一些重要因素，这里称之为“系统问题”。包括注册和辨识过程，速度和工作学、用户信息的反馈、排斥欺骗和安全考虑。为了得到较好的识别率，重要的是在注册时尽量获得最好的指纹图像。这是因为注册一般只进行一次，而以后的辨识是经常的。一个较好的指纹识别系统应要求用户的指纹在登记时多次获取指纹，然后，把最好的指纹或每次获得指纹的综合结果作为注册的指纹。另一个方法可以作为指纹系统设计时的考虑，即

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第2章 指纹识别技术

可以多次取像直到得到一个确定的匹配，这个过程虽降低了拒判率，但提高了误判率。辨识不仅可以只用一个手指的指纹，还可以用两个或更多手指的指纹，这样可以增强识别率，但自然会浪费用户一定的时间。

辨识的逻辑关系如图2-3所示。

图2-3 指纹识别过程

Fig.2-3 Procedure of fingerprint identification

验证和辨识在比对算法和系统设计上各具技术特点。例如，验证系统一般只考虑对完整的指纹进行比对，而辨识系统要考虑残纹的比对；验证系统对比对算法的速度要求不如辨识系统高，但更强调易用性；另外，在辨识系统中，一般要使用分类技术来加快查询的速度。除了验证的一对一和辨识的一对多比对方法，在实际应用中还有“一对几个匹配[2，6] (one-to-few matching)”。验证和辨识的过程、取像设备的设计拒判率和误判率关系的设定，为了尽可能的获得高质量的指纹图像而提示用户手指该怎样放置，正确的反馈信息是非常有用的。在指纹识别系统中，反欺骗的措施用来阻止人造指纹、死指纹和残留指纹。残留指纹是由于皮肤油或其他原因残留在传感器上。传感器应建立反欺对策，使得有能力识别真实的皮肤温度、阻力或电容。

2.2.3 拒识率和误识率

由于计算机处理指纹时，只是涉及了指纹的一些有限信息，而且比对算法并不是精确匹配，其结果也不能保证100%准确。指纹识别系统性能指标在很大程度

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上取决于所采用算法的性能。为了便于采用量化的方法表示其性能，这里引入了下列两个指标——拒识率和误识率。拒识率(FRR)又称拒真率，是指将相同的指纹误认为是不同的指纹，而加以拒绝的出错概率，其定义为：FRR=拒识的指纹数目/考察的指纹总数目×100%[19]。误识率(FAR)又称认假率，将不同的指纹误认为是相同的指纹，而加以接收的出错概率，其定义为：FRR=错判的指纹数目/考察的指纹总数目×100%。对于一个已有的系统而言，通过设定不同的系统阈值，就可以看出这两个指标是互为相关的，FRR与FAR成反比关系。这很容易理解，“把关”越严，误识的可能性就越低，但是拒识的可能性就越高[20]。

2.3 国内外指纹识别技术研究现状

2.3.1 国外发达国家的研究现状

目前，利用计算机进行指纹识别的技术在国外已很成熟，并且已经开始大规模推广。许多大公司有专门的机构从事该项技术的研究、开发、应用，包括IBM、Intel、Microsoft、Digitalpersona、Identix、Motorola、韩国现代、朝鲜培富士、法国THOMSON－CSF、台湾Aetex公司、Veridicom、BAC等，其中Identix公司在生物识别技术领域独树一帜，韩国现代、朝鲜培富士在识别算法上都达到世界先进水平[4]。

技术：从指纹的采集到图像的处理、识别、比对技术都很成熟。指纹采集器多采用光学采集器，识别算法的速度得到提高，一般采用USB接口和DSP技术。

应用：由于指纹识别系统产品的安全性、可靠性、实用性，在需要个人身份识别、验证、授权的场合得到广泛的应用。主要应用在门禁、金融、证券、保险、社会福利机构的身份确认、个人财产使用管制、社会安全、信息安全、职员和会员管理、医疗档案管理等。

市场：世界各主要国家除自己本国外，正花大力气拓展国外市场，特别是近年来，欧洲、美国、韩国等国家纷纷进军中国市场。他们的价格太高，在中国市场推广速度很慢。但随着产品的本地化，这一局面将会改变。

国外利用先进指纹识别技术并应用于考勤系统也比较早，目前国外的指纹考勤机已经向更加人性化的方向发展，有些不仅带有语音系统和友好的操作系统，还可以同时和射频卡使用，更加提高了身份识别的准确性。

2.3.2 国内研究现状

自1998年以来，我国在指纹识别技术方面得到较大发展，可以说是日新月异，

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第2章 指纹识别技术

除有引进技术外，还有国内公司独立研究开发出的自主知识产权的多项指纹识别类产品。从事该项目开发的公司不到10家，2000年已经发展到近30家，其中有几家拥有自主知识产权的产品、技术，其余的基本是国外公司的代理或系统集成商。这些公司看到指纹识别技术在中国具有很好的市场前景，所以都在加大技术和产品开发的投入，以期尽快实现其产品地产化，努力适应中国市场的发展。

技术：有不少公司通过做国外公司的代理，引进了国外比较先进的技术和产品，这些公司有北京中控、北京培富士、深圳数码、深圳乾诚科技等，他们主要引进美国Digitalpersona、Identix、韩国现代、朝鲜培富士、法国TLOMSOM　CSF、Veridicom等公司的技术。从研究开发实力看，目前，国内公司都拥有一批有实力的技术人员，并与大学合资合作开发该项技术，这也是该项技术在国内能快速发展的因素之一。

应用：目前国内公司多以指纹门禁作为主导产品，并开发出适合考勤、证券、银行内部授权、保管箱、计算机开启等应用产品。有的产品还不太成熟，特别是应用到网络上的产品。不管是引进技术还是自主研发的，由于其成本太高，市场接受能力有限，市场推广难度大，所以需要开发出适合我国国情、又与国际标准接轨的指纹识别技术及其应用产品。目前，应用到卡、证系统的产品市场启动较快，特别是将指纹与IC卡、条形码结合的产品市场前景非常广阔。

市场：虽然目前的产品性能还满足不了市场需要，但国内市场已启动，发展也是非常快的。据有关资料介绍，我国对该项技术的需求正逐步增大，比如公安部金盾工程中，有相当大的一部分要用此项技术来支持，有约10多亿人民币的市场容量。国家从市场培育、技术成熟度、研究开发实力上，已为市场推广创造了条件，为其产业化做好了市场准备。因此，开发出具有完全知识产权的指纹识别算法，满足一般小型的嵌入式及大容量比对的需要，在此基础上研制基于DSP及大规模可编程器件的独立识别模块，利用此核心模块开发出系列考勤系统、指纹门禁、卡证应用系统和条形码防伪系统，这些都具有很好的市场前景[4]。

2.4 本章小结

本章主要介绍了指纹识别技术的基本概念和发展概况，并对其进行了技术分析，描述了指纹识别技术的四个步骤，针对目前的几种指纹提取技术进行了说明和对比，重点阐述了指纹识别和验证的具体内容和方法，对影响指纹识别系统的性能的2个指标：FRR拒识率和FAR误识率进行了简单的描述。最后，对国内外指纹识别研究现状分别从技术、应用、市场三个方面进行了分析和比较。

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第3章 系统方案研究

3.1 系统结构

无线指纹考勤系统通过指纹传感器采集考勤者的指纹，比对、识别后通过无线数据传输模块PTR2000+将考勤记录数据即时、定时或响应地传送到PC机，由安装在PC机上的考勤管理软件对考勤记录进行处理，实现数据的查询、统计、打印等功能。系统结构如图3-1所示。

图3-1 系统结构图

Fig.3-1 Organization chart of system

无线指纹考勤管理系统是在自动指纹识别模块和无线RF通讯模块的基础上进行开发的。该系统有以下基本特征[2，18]：

(1) 内存及内置软件

指纹考勤机是内置存储器及应用软件的智能设备。根据内存容量不同，可以储存几千到几万枚指纹数据，以及几万到几十万的考勤记录数据，能充分满足不同单位的考勤人员数量需求。内置集成的考勤软件通常均采用先进的指纹识别算法，通过脱机按键指令，可以进行人员及指纹的信息登记。脱机签到时，人员签到数据自动存储在考勤机中。

(2) 液晶屏

指纹考勤机通常具备大屏幕液晶显示，满足信息交互时查看操作结果的需要。

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第3章 系统方案研究

(3) 指纹扫描器与数字键盘

指纹扫描器是指纹考勤系统中必不可少的设备，也是核心设备。脱机指纹考勤机一般具备数字小键盘，一方面可以通过小键盘对信息数据进行录入及维护处理；另一方面，可以通过键盘输入ID号进行指纹验证。在指纹考勤系统中，指纹识别和指纹验证都可以完成指纹考勤。

(4) 声音提示器

声音提示器与液晶屏一样，都是信息交互的提示手段。如在人员签到时，可通过声音提示告知用户“正常考勤”、“重复考勤”、“无效指纹”等状态信息。

(5) 通讯方式

脱机指纹考勤机一般采用RS-232/RS-485 通讯接口，也可采用USB接口。本机采用无线通信方式实现进行计算机通讯，完成进行数据的导出。采用有效传输距离为1000米的无线传输模块，有效地解决了采用有线传输布线麻烦的问题。

(6) 独立电源

指纹考勤机由于脱离计算机独立运行，因此需要独立电源对其供电。

(7) 上位机考勤处理软件

指纹考勤机完成了签到、发送考勤信息的功能，如果进行考勤处理与统计，还需要通过考勤处理软件进行数据处理、整理，并根据需求生成统计报表。

3.2 组网方式

该系统的另一特点就是不仅单个系统可以独立完成指纹考勤功能，同时可把多个这样的单系统组织成星型网络来完成指纹考勤功能。多个子系统可以和管理工作站进行员工考勤信息以及系统参数的无线传输，图3-2给出了四个单系统组成网络拓扑结构的示意图。

图3-2 四子系统组成网络拓扑结构示意图

Fig.3-2 Net sketch map composed of four subsystems

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在该网络中，PC通过无线传输信道接收每个子系统的考勤数据，同时可以发送命令控制各个子系统。相互之间的识别可以根据发送数据包中的机器号字段信息来进行。

3.3 本章小结

本章对无线指纹考勤系统的系统结构进行了介绍，给出了系统结构示意图，并描述了该系统应具有的功能和基本特征，对此类系统所能够组成的网络拓扑结构进行了简单的介绍。

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第4章 系统硬件设计

第4章 系统硬件设计

该系统的硬件部分包括指纹识别模块、微处理器、电源模块、无线传输模块、实时时钟模块、键盘及LCD显示模块。框图4-1显示了该系统硬件设计的结构。

图4-1 系统硬件结构图

Fig.4-1 Hardware organization of system 4.1 CPU

无线指纹考勤机的CPU采用美国ATMEL公司生产的低电压、高性CMOS 8位单片机AT89C51RC2，该芯片提供以下标准功能[23]：

与MCS-51系列产品兼容

32K字节FLASH闪速存储器

32个I/O口线

512字节内部RAM

3个16位定时/计数器

一个6向量两级中断结构

一个全双工的可编程串行通信口

片内振荡器及时钟电路

低功耗空闲状态和停机状态

32K的FLASH闪速存储器提供了足够的容量用于控制软件的设计、编写及调试，并可重复使用。512字节的内部RAM可以保存程序控制时的参数以及临时待发的指纹考勤信息。32个I/O口用于外部键盘、LCD屏幕、实时时钟及大容量存储器

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的连接控制，一个串行通信口用于指纹识别模块传送控制信息以及与无线通信模块之间考勤信息的通信，足够多的中断控制器可以满足键盘按键、串口通信发送/接收控制时的CPU中断需求。

4.2 指纹识别模块

指纹识别模块起着关键性的作用，它的性能好坏直接影响着考勤结果，因此必须选择性能较好的指纹识别模块，本系统采用的是具有32位处理器的VFDA02指纹识别模块，该模块包括指纹采集器和指纹处理单元[24]，如图4-2所示。

图4-2 指纹识别模块

Fig.4-2 Module of fingerprint identification

指纹识别模块VFDA02具有以下性能：

脱机存储1760枚指纹

提供1: N(N<100)和1:1比对方式

通讯：RS-232串口通讯或者韦根信号输出

指纹采集比对响应时间：1秒

指纹特征为400Byte、可以协同FDU/FDP联机模块系统工作

VFDA02指纹处理单元包括一个32位处理器和为提供性能的指令缓存和数据缓存，脱机处理系统的内置处理器有2MB的FLASH和32位处理器连接，程序处理协议通过串口连接，指纹特征数据被存储在FLASH中。由于FLASH处理速度慢，如果数据被处理使用，数据被转移到RAM，正在进行的程序保存在RAM中，VFDA02的RAM容量为8MB，PLD可编程逻辑控制设备内置在处理单元中，使用简单的逻辑连接电路控制光学采集器，电源需接5V直流电。

指纹采集器采用的是CMOS指纹采集传感器，它通过光学指纹采集头采集指纹

信息，采用紧凑化设计、表面增强漫反射光学菱镜设计、指纹图像采集无畸变、

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第4章 系统硬件设计

防刮擦涂层、高速采集数字化指纹图像、防静电、干手指解决效果良好。

4.2.1 VFDA02接口电路

VFDA02提供了一个15针的输出和控制针脚与外围单片机控制器进行连接，但其中的4个引脚就可以满足给其提供电源和通讯使用[24]，其定义如表4-1所示。

表4-1 VFDA02引脚定义

Table 4-1 VFDA02 PIN

引脚 名称 描述

1 +5V 5V电源

2 RXD RS-232电平，串行接收口

3 TXD RS-232电平，串行发送口

6 GND 电源及信号地

由于AT89C51RC2采用的是TTL电平，而与VFDA02通讯需要使用的是RS-232电平，因此需要使用电平转换电路来完成TTL电平和RS-232之间的电平转换[25]。MAXIM公司的MAX232是TTL-RS232电平转换的典型芯片，硬件接口图如图4-3所示。

图4-3 MAX232电平转换原理图

Fig.4-3 MAX232 Level switch schematic chart C84.2.2 通信协议

VFDA02和外围单片机控制器之间通过RS-232接口采用发送/接收数据包的方式进行通讯，外部控制器根据规定的通讯协议和指令格式，向指纹处理模块发送控制指令，并接收其返回的状态信息和数据，从而完成所有指纹识别的各项功能。命令包和响应包都采用相同的数据包格式，只是数据包中的数据内容不同。数据

无线指纹考勤系统

河北工程大学硕士学位论文

包由12个字节组成，其格式及含义[24]如表4-2所示。

表4-2 通讯数据包格式

Table 4-2 The format of communication data packet

1 Byte 1 Byte

命令码2 Byte 2 Byte参数1 参数22 Byte 低位额外数据2 Byte 高位额外数据1 Byte 1 Byte 错误码 校验和

数据包分为命令包和响应包两种，所有的命令包都是从外围控制器发送给VFDA02的，命令包中需要设置命令码及相应的参数1和参数2，其他字段包括错误码字段的内容都可以设置为0。指纹识别模块根据命令码进行相应的处理后返回响应包，响应包中命令码字段和命令包中的命令码字段相同，错误码字段中的内容是命令的执行结果，一般情况下如果命令正确执行完成，错误码字段将返回0。 错误码字段和校验和字段中的内容可以共同用于检验指纹识别模块的工作情况。

在指纹考勤系统中，主要通过指纹识别模块进行五种操作——指纹登记、指纹修改、指纹删除、指纹验证和指纹识别，从而实现指纹考勤的指纹识别和指纹管理这两大核心功能。下面对各种操作进行一一介绍：

(1) 指纹登记

登记指纹需同时登记该指纹对应的ID号，ID号和指纹一一对应，所有指纹的操作也都是根据ID号来进行的。若指纹识别成功，返回结果就包括该指纹对应的ID号，登记时，系统可自动给出ID号，也可自定义号码，直接使用键盘输入即可，号码前的“0”无需输入，系统自动补齐。按放时，注意将手指放在指纹采集器的正中间，同一手指需连续按放2次，2次采集到信息对比成功才说明指纹登记成功，模块把采集到的指纹特征信息和ID号同时保存到FLASH中。一枚指纹登记成功，外围控制器发送给VFDA02的指纹登记命令包和响应包的格式如表4-3所示。

表4-3 指纹登记数据包

Table 4-3 Data packet of registering a fingerprint

指纹登记开始命令包

0x00 0x50 ID 0 0 0 0x00 CheckSum

指纹登记开始响应包

0x00 0x50 0 0 0 0 0x00 CheckSum

指纹登记结束命令包

0x00 0x51 ID 0 0 0 0x00 CheckSum

指纹登记结束响应包

0x00 0x51 0 0 0 0 0x00 CheckSum

(2) 指纹删除

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