信息安全

基于ZigBee网络的无线指纹识别系统

文／郭协潮

摘要：本文介绍了一种基于DSP和MCU的双片结构的无线指纹识别系统的设计实现。本系统由AES2510和TMS320VC5507构成指纹图像采集模块，由PIC18LF4620和MRF24J40构成基于ZigBee网络的指纹认证信息的无线传输模块。该系统相对传统的嵌入式指纹识别系统更适合于人员多和指纹采集地点发散的场合，可以作为大型考勤系统的一种解决方案。

关键词：指纹传感芯片；指纹识别系统；ZigBee无线网络

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。

图1 基于ZigBee网络的无线指纹识别系统

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[2][3]。ZigBee技术数据速率最大达250 Kbps。为了最大限度地延伸电池使用寿命，功耗必须特别低，使碱性或锂电池实现几个月甚至几年的使用寿命(通常相当于电池的货架寿命)。从理论上讲，ZigBee技术最多可支持65,000个节点。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[4]，是由两片嵌入式

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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2所示。

图2 指纹识别节点工作原理图

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[5]。

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3所示。