基于生物特征的汽车防盗系统设计报告

《嵌入式系统综合训练》课程设计系别：计算机系专业：计算机科学与技术年级：07级姓名：林嵩泳学号：0702012120班级：科学与技术3班组员：秦能2010年6月29日 目录1.整体介绍11.1发展前景11.1总体设计12.硬件部分12.1硬件元器件12.2分工过程23.软件部分23.1指纹管理模块23.2语音管理模块23.3GPRS管理模块34.指纹管理模块的具体工作34.1发展前景34.2技术困难34.3总体设计方案45.基于方向图的动态阀值指纹图像二值化方法46.指纹识别系统的硬件设计56.1硬件结构56.2电路设计57.项目心得67.1系统的不足或可改进部分67.2感受及收获68.参考文献6 1.整体介绍1.1发展前景汽车防盗器就是一种安装在车上，使汽车不会丢失的装置，目前防盗器按其结构与功能可分四大类：机械式、电子式、芯片式和网络式，四者各有优劣，但汽车防盗的发展方向是向智能程度更高的芯片式和网络式发展。目前已经出现了许多生物识别技术，如指纹识别、声音识别、虹膜识别、视网膜识别、面部识别等，但其中一部分技术含量高的生物识别手段还处于实验阶段。使用有生物特征的汽车防盗器在国内市场正处于起步阶段。汽车的大量普及数字化的不断提高，使用生物特征的防盗方式将取代传统的防盗方式。中国的国民经济正飞速向上增长，这意味着巨大的市场空间，使用具有生物特征的汽车防盗系统将拥有十分良好的市场前景。1.1总体设计我们的《基于生物特征识别的汽车防盗报警系统》，主要以凌阳SPCE061A单片机作为主芯片，采纳凌阳SPCE061A单片机具有的连接喇叭而发声的扬声模块，连接能够录制声音的麦克风，连接FPS200的指纹模块，连接发送无线网络的MC35I芯片的GPRS报警模块。我们现在模拟一下这个系统的运作：车主来到汽车面前，首先对车主的指纹进行识别和验证，然后车主用语音开启车门，系统录制后，与数据库中的备份语音进行核对，语音正确，则系统打开车门，然后系统自动挂变，关闭控制车门的模块，车主进入汽车后由手动锁车门，以及用车主钥匙启动发动机。如果在验证车主时，验证失败3次后，就马上启动系统中的GPRS报警系统，通知车主和警察。2.硬件部分2.1硬件元器件支持功能所需硬件模块1.语音识别2.指纹识别3.GPRS4.凌阳SPCE061A5.指纹模块FPS2006.GPRS模块MC35I7.喇叭，麦克风 凌阳单片机SPCE061AMC35ISPEAKERMIC按键FPS200存储扩展LCD点火开关门控开关2.2分工过程我负责凌阳61A单片机的指纹识别模块和GPRS模块，我的组员秦能负责凌阳61A单片机的链路连接模块和语音识别模块。3.软件部分总体软件系统设计思想，我们是采用模块化设计思想，系统可以划分为指纹管理模块、语音管理模块和GPRS管理模块。3.1指纹管理模块指纹管理模块具体的是将车主的指纹备份，在发动机验证启动模块验证车主指纹，验证成功后，启动发动机；验证不成功，要求重新输入指纹。3.2语音管理模块语音管理模块也就是车门开启模块。车门开启流程是：输入开门语音，若语音正确则开车门锁，否则无反应。车主进入汽车后，系统挂变，并且关闭系统。3.3GPRS管理模块报警流程是报警装置初始化后，若汽车发动机非法启动而又没有通过指纹识别时，则点火装置分离、GPRS短信通知车主等相应的警报状况。 4.指纹管理模块的具体工作4.1发展前景20世纪80年代，个人电脑、光学扫描这两项技术的革新，使得它们作为指纹取像的工具成为现实，从而使指纹识别可以在其他领域中得以应用，比如代替IC卡。现在(90年代后期)，低价位取像设备的引入及其飞速发展，可靠的比对算法的发现为个人身份识别应用的增长提供了舞台。相对于其他身份鉴定技术，指纹识别技术之所以优于其他身份鉴定技术而被广泛采用的原因：指纹是独一无二的，两人之间不存在着相同的指纹；指纹是相当固定的，不会随年龄、健康状况的变化而改变；指纹样本易于采集，难以伪造，便于开发，实用性强；每人十指的指纹皆不相同，可利用多个指纹构成多重口令，提高系统的安全性；指纹识别中使用的模板并非最初的指纹图像，而是由图像提取的关键特征，减小所需存储的信息量，且在实现异地确认时，可大大减少网络传输负担，支持网络功能。可以看出，指纹识别技术相对于其他识别方法有许多独到之处，具有很高的实用性和可行性。4.2技术困难指纹图像其实是比较复杂的，它有着许多不同于其他图像的特征。与人工处理不同，现代的生物识别技术并不直接存储指纹的图像，而是记录从指纹源图像中提取到的特征，指纹识别算法最终都归结为在指纹图像上找到并比对指纹的特征。我们定义了指纹的两类特征来进行指纹的验证：总体特征和局部特征。总体特征是指那些用人眼直接就可以观察到的特征，包括：基本纹路图案：环型，拱型，漩涡型。其他的指纹图案都基于这三种基本图案。仅仅依靠图案类型来分辨指纹是远远不够的，这只是一个粗略的分类，但通过分类使得在大数据库中搜寻指纹更为方便的。4.3总体设计方案硬件平台大致可以分为5个部分：成像系统（传感器FPS200）、核心部分（AT89S51单片机）、RAM、EEPROM等器件。 工作原理：指纹经传感器采集后，由传感器直接转成RGB格式，并且数据传输到MCU。MCU需要执行大量的模式识别和图像处理相关计算。固化的程序存储在EEPROM中，这些指令控制了整个指纹识别系统的工作流程。RAM为内存存储临时数据。这就构成数据通道。在指纹算法方面，研究了基于细节点特征指纹自动识别系统的各部分构成以及指纹图像的预处理和细节特征提取。5.基于方向图的动态阀值指纹图像二值化方法二值化是指纹图像预处理中必不可少的一步。常用的二值化方法仅仅利用了图像的灰度信息，对指纹图像的二值化效果很不理想；现有的大部分指纹图像预处理方法都是经过滤波处理后再进行二值化，这样就需要对图像进行两次扫描，不利于处理速度的提高。将指纹图像自身的方向结构特点与源图像灰度值变化特点结合起来，确定对图像中每一像素点二值化的动态阀值。这种方法取代了一般指纹图像预处理中无效区域分割、滤波、增强、二值化等步骤，一次完成图像的二值化功能。实验结果也表明，该方法得到的二值化图像能够基本保持源图像上的特征点不丢失，确保了以后的特征提取和比对的正确性和可靠性。特征点的八邻域图方框Y方向是该块的指纹方向，x方向是其法线方向。以法线方向上各像素点的灰 度值做一曲线，可得到近似于正弦的波形图。显然，该波形图的波谷对应指纹图像的脊线(指纹图像中暗的纹线)，而波峰则对应指纹图像的谷(指纹图像中亮的纹线)。若所考察的当前像素点恰好落在波谷上，则该点就是指纹脊线点，若所考察的当前像素点恰好落在波峰上，则该点就是指纹谷点，而谷点到脊点间像素灰度的变化几乎呈线性，正是基于指纹图像在结构上和像素灰度变化上的这些特点，本文提出了下述指纹图像二值化方法：1．将图像分成大小为N×N的小块，用上述方向图改进方法计算各小块的方向；2．对图像中的每一点，以其所在块的方向作为该像素点的方向，并以该点为中心在其法方向上取(一般为奇数)的矩形窗，计算矩形窗内指纹方向每一列中像素点在法方向上的加权平均，具体公式为：3．对中极大点或极小点附近的波动做平滑处理；4．找出极大点和极小点位置及对应的值，对极大值极小值求平均，将此平均值作为该点二值化门限，称其为动态阀值。5．将当前像素点的加权平均灰度值与动态阀值进行比较，若小于动态阀值，同时，当前像素点在波形图极小点一个有限的邻域内，则当前像素点为脊线点，否则为谷点。本算法在具体实现中可利用同一块中所有像素有同样方向的条件，推导出快速算法，防止一些点的重复扫描，大大缩短处理时间。6.指纹识别系统的硬件设计6.1硬件结构指纹识别系统主要包括：单片机最小系统、指纹采集部分、串口通信电路、外部存储部分、开关按钮，供电系统组成。 指纹识别系统中，单片机采用AT89S51单片机，它是整个控制器的核心部件。MAX232作为接口芯片用于实现指纹传感器串口的RS-232信号与89S51串行口的TTL信号的相互转换。6.2电路设计本系统采用AT89S51作为指纹识别系统的核心处理器，使用单片机内部的4K程序存储器，接+5V电源。复位电路则采用简单RC复位电路，同时又可与一些需要复位的外围电路相连，达到复位与单片机同步。串口通信接口设计采用MAX232实现TTL与RS-232的转换，实现与计算机通信。7.项目心得7.1系统的不足或可改进部分目前指纹识别技术还有很多困难。例如：当三维的指纹被指纹录入设备扫描成二维的数字图像时，会丢失一部分信息，手指划破、割伤、弄脏、不同干湿程度以及不同的按压方式，还会导致指纹图像的变化，这给可靠的特征提取带来了相当地困难。传统的基于细节点的识别方法，是依靠提取指纹脊线上的细节点，然后对其位置和类型进行匹配，来识别指纹的，而噪声会影响特征提取准确度，增加错误的特征点或丢失真正的特征点。传统的基于细节点识别算法的不足之处，因为它只利用了指纹图像中的一小部分信息—细节点位置和方向，作为特征进行匹配，丢失的蕴涵在图像中的其他丰富的结构信息。不难想象，基于这种方法的识别算法，很难全面适应指纹的变化。对于指纹管理模块中的指纹套取与验证，我组成员暂时不能将这个模块灵活运用，指纹管理模块中，最大的困难就是不能将指纹很明确的套取出来，然后在启动发动机时验证车主指纹。7.2感受及收获这个《基于生物特征识别的汽车防盗报警系统》的课题，在指导老师的指导下，和组员对这课题做了不少调研后，学了很多东西，了解了凌阳61A单片机的运作过程，了解怎样通过并行口和USB口下载需要的程序代码，然后在对其代码进行修改， 直至机器运行起来。在做这个课题时，我还比较深入地去了解了指纹的套取，储存以及验证，将身边的信息转变成计算机二进制代码存到自己的计算机系统之中，这对学计算机专业的我来说，是很重要的一种学习方式。8参考文献1、阮秋琦，数字图像处理学，电子工业出版社，20012、TMS320VC5409DataSheet3、FPS200Solid-StateFingerprintSensorDataSheet4、陈跃峰，指纹图像特征提取的新方法，计算机工程与应用，20015、李建华，基于方向图的动态闽值指纹图像二值化方法，大连理工大学学报，20026、冯星奎，一种新的指纹图像细化算法，中国图像图形学报，19997、刘文星，纹线跟踪及其在细化指纹后处理中的应用，20028、刘家锋，一个基于特征点匹配的联机指纹鉴别系统，哈尔滨工业大学学报，20029、简兵，基于脊线跟踪的指纹图细节提取算法，电路与系统学报，200110、刘旭，自动指纹识别算法在嵌入式系统的实现，计算机工程与应用，200211、李华，MCS-51系列单片机实用接口技术，北京航空航天大学出版社，199812、张培仁，基于c语言编程MCS一51单片机原理与应用，清华大学出版社，2003