利用GPRS技術(shù)實現(xiàn)無線指紋身份驗證系統(tǒng)的設(shè)計

1 系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)思

GPRS指紋身份驗證系統(tǒng)主要由指紋身份驗證終端和身份驗證服務(wù)器兩部分組成。系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。其中，GGSN（Gateway GPRS Support Node）為網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

指紋身份驗證終端和指紋身份驗證服務(wù)器均可劃分為更小的子模塊：前者包含指紋驗證模塊和GPRS模塊兩個子模塊；后者則由指紋錄入模塊和服務(wù)器管理軟件兩個子模塊構(gòu)成。圖2給出了完整的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

指紋身份驗證終端包括鍵盤模塊、時鐘模塊、液晶顯示模塊、指紋識別模塊和GPRS模塊，以及能夠直觀地提示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的指示燈。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。系統(tǒng)選用Freescale公司高性能、低功耗的MC68HC908GP32（簡稱GP32）芯片作為主控芯片。

圖3 指紋身份驗證終端硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 指紋識別模塊硬件接口設(shè)計

TFMDM1指紋識別模塊提供標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口，具有發(fā)送引腳UART_Tx和接收引腳UART_Tx。GP32通過內(nèi)部集成的增強(qiáng)型串行通信接口，可以很方便地實現(xiàn)與指紋識別模塊之間的通信。由于雙方接口電平都為TTL電平，能夠相互驅(qū)動，不需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，直接對應(yīng)連接即可。

2.2 GPRS模塊硬件接口設(shè)計

本文利用GPRS模塊來實現(xiàn)終端與服務(wù)器端之間的數(shù)據(jù)收發(fā)。GPRS DTU（Data Terminal Unit，數(shù)據(jù)傳輸單元）對外提供RS232或者RS485的通信接口。由于GP32主控板與GPRS DTU之間的通信距離較短，一般不會超過50 cm，RS232接口足以保證兩者之間的正常通信。因此，選用RS232接口與GPRS DTU進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

圖4給出了GP32與GPRS模塊的硬件接口。

圖4 GP32與GPRS模塊的硬件接口

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括兩大部分，即指紋身份驗證終端的軟件設(shè)計和服務(wù)器管理軟件的設(shè)計。這兩大部分分別實現(xiàn)不同的功能，且互相配合共同實現(xiàn)基于GPRS的網(wǎng)絡(luò)指紋身份驗證功能。

3.1 指紋身份驗證終端的軟件設(shè)計

如圖5所示，終端軟件主要由3個模塊構(gòu)成：分別為人機(jī)交互菜單、對指紋識別模塊二次開發(fā)以及控制GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。其中人機(jī)交互菜單模塊實現(xiàn)了切換操作界面、掃描按鍵、錄入數(shù)據(jù)及管理選項等功能。

圖5 指紋身份驗證終端的軟件組成框圖

3.1.1 主函數(shù)的程序設(shè)計

圖6 系統(tǒng)主函數(shù)流程

圖6為主函數(shù)的程序流程。首先進(jìn)行一系列的初始化工作，包括GP32芯片初始化（設(shè)置內(nèi)部總線頻率為20 MHz和禁止COP模塊），鍵盤初始化（中斷允許），液晶初始化，串口初始化（波特率為19 200 bps、接收中斷允許等），系統(tǒng)數(shù)據(jù)初始化，中斷初始化（開放鍵盤中斷、串口接收中斷和總中斷）等。然后，查詢GPRS模塊的連接情況，若成功連接上指紋身份驗證服務(wù)器端，則進(jìn)入主循環(huán)；若連接失敗，則退出程序并給出故障提示。

3.1.2 對指紋識別模塊二次開發(fā)的程序設(shè)計

對指紋識別模塊進(jìn)行二次開發(fā)關(guān)鍵在于應(yīng)用指紋產(chǎn)品提供的二次開發(fā)協(xié)議。由于指紋身份驗證終端需要存儲已注冊用戶的指紋特征碼數(shù)據(jù)，故對指紋識別模塊二次開發(fā)的程序需要管理該指紋庫，提供諸如添加、刪除等基本操作功能。當(dāng)用戶進(jìn)行身份驗證時，需要將現(xiàn)場采集的用戶特征碼數(shù)據(jù)與指紋庫中的指紋特征碼數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一匹配，通過判斷能否找出匹配指紋數(shù)據(jù)來確定該用戶是否為合法用戶。因此，必須利用1:N指紋比對的功能。表1給出了實現(xiàn)指紋識別模塊部分功能的函數(shù)列表。

表1 指紋識別模塊功能實現(xiàn)函數(shù)列表

3.1.3 控制GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的程序設(shè)計

GPRS模塊提供用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP和傳輸控制協(xié)議TCP兩種通信傳輸模式[56]?？紤]到可靠性的要求，本文選用TCP協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)。

控制GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)分為3個步驟：首先對GPRS模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，然后規(guī)定指紋身份驗證終端和服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)通信格式，最后執(zhí)行數(shù)據(jù)收發(fā)的具體操作。

其重點(diǎn)在于兩者之間TCP連接的建立，一旦連接成功，終端GPRS模塊與服務(wù)器端之間將搭建起一條透明的傳輸鏈路。對于被透明鏈路連接的雙方，發(fā)送時只需將數(shù)據(jù)按通信格式打包后直接傳送，接收數(shù)據(jù)時也只需對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行分析處理。

3.2 服務(wù)器端管理軟件的設(shè)計

服務(wù)器端管理軟件專門為指紋身份驗證終端提供網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)，以實現(xiàn)身份驗證數(shù)據(jù)的實時采集，并將實時數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中以便管理。服務(wù)器的管理軟件由4個模塊組成，分別為與指紋錄入模塊的通信模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、接口界面模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊，如圖7所示。

圖7 服務(wù)器端管理軟件結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)庫管理模塊又細(xì)分為管理員信息管理、員工信息管理、押運(yùn)線路信息管理和身份驗證日志信息管理4個子模塊。服務(wù)器端的管理軟件對整個系統(tǒng)的操作行為進(jìn)行規(guī)范和控制，指紋身份驗證終端用于身份驗證的指紋數(shù)據(jù)庫需要從服務(wù)器端獲得，因此要求每一個身份驗證用戶必須先在服務(wù)器端注冊個人基本信息，并使用指紋錄入模塊提取指紋特征碼數(shù)據(jù)。

指紋身份驗證服務(wù)器在網(wǎng)絡(luò)通信方面的主要功能是接收和發(fā)送TCP協(xié)議的IP數(shù)據(jù)包，以實現(xiàn)與指紋身份驗證終端的GPRS模塊的IP協(xié)議通信。網(wǎng)絡(luò)通信程序的功能包括：與GPRS模塊建立TCP連接；對接收到的工作數(shù)據(jù)幀進(jìn)行處理；向指紋身份驗證終端傳送應(yīng)答數(shù)據(jù)幀。

其中，服務(wù)器建立TCP連接的步驟如下：

① 服務(wù)器管理程序建立ServerSocket，偵聽指定端口，等待GPRS模塊的連接請求。

ServerSocket=New TcpListener（"6060"）//在6060端口上監(jiān)聽

② 當(dāng)服務(wù)器偵聽到來自指紋身份驗證終端的連接請求時，接受此請求并建立對應(yīng)的Socket，該Socket將作為該TCP連接及后續(xù)收發(fā)數(shù)據(jù)的依據(jù)。至此完成了服務(wù)器與前端GPRS模塊的TCP通道的建立。

Dim n As Socket=ServerSocket.AcceptSocket（）//創(chuàng)建新的套接字與終端連接

③ 從套接字中獲取數(shù)據(jù)，服務(wù)器將處理接收到的數(shù)據(jù)幀，按協(xié)議規(guī)定格式解析后作相應(yīng)處理。

Dim MyBuffer（12）As Byte//創(chuàng)建接收緩沖區(qū)

Dim DataNum As Integer//接收到的數(shù)據(jù)個數(shù)

DataNum=n.Receive（MyBuffer）//將數(shù)據(jù)從套接字中讀取到接收緩沖區(qū)中

在TCP通道建立后，服務(wù)器接收到指紋身份驗證終端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)幀，按照通信協(xié)議的規(guī)定格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

服務(wù)器管理軟件處理完終端傳送來的數(shù)據(jù)幀后，將處理結(jié)果按規(guī)定的應(yīng)答幀格式進(jìn)行封裝，放入發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)，最后通過已經(jīng)建立的TCP連接傳送給前端的指紋身份驗證終端。至此完成了一次數(shù)據(jù)通信。

4 結(jié)論

隨著GPRS技術(shù)應(yīng)用范圍的不斷增加，該技術(shù)成本不斷降低，通信可靠性變得更高，在市場中得到了更為廣泛的認(rèn)可。本文將GPRS技術(shù)和指紋識別技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)身份驗證系統(tǒng)，將其應(yīng)用于保安押運(yùn)行業(yè)，大大提高了管理效能及安全性。隨著第三代移動通信技術(shù)（3G）的不斷發(fā)展，將移動通信技術(shù)應(yīng)用于身份驗證系統(tǒng)中實現(xiàn)員工的身份識別，不僅為現(xiàn)有保安行業(yè)管理系統(tǒng)的升級提供了支持，而且能有效地應(yīng)用于其他行業(yè)，為其他行業(yè)身份驗證系統(tǒng)的應(yīng)用研究提供了一種參考模型。