1.概述
　　
　　隨著科學技術的不斷進步，人們對現代化辦公和生活場所提出了更高層次的安全管理需求，普通的門鎖系統和手工出入管理已經不符合現代人的實際需求。由于安防業的智能化和網絡化，為順應智能樓宇、智能小區的發展，門禁系統也必須實現更可靠、更安全和更方便的智能系統。現代門禁系統綜合利用了傳感技術、數字信息處理、計算機技術、多媒體技術和網絡技術，以實現門禁系統信息的采集、傳輸和處理。
　　
　　目前智能門禁管理系統已廣泛用于工廠、學校、寫字樓宇、物業小區、商店、金融系統、電信系統、軍事系統、賓館等多種場合，大大提高了整體的工作效率、保障了系統安全，智能、安全和的現代化門禁系統已經成為社會發展的必然趨勢，同時它也是現代化建筑的一個重要組成部分。
　　
　　傳統的機械鑰匙、用戶ID+密碼以及智能卡等的保護措施存在著丟失、遺忘、復制以及被盜用的隱患，在這種情況下，發展的生物識別技術為上述方法的不足提供了一個很好的解決方案。由于指紋識別具有*性、不變性和貼身性的特點，成為了眾多生物識別技術中備受青睞的一個。且隨著生物識別技術和計算機技術的飛速發展，指紋識別算法已達到迅速、準確和可靠的水平，已越來越多的應用在現代智能門禁系統的前端信息采集部分。
　　
　　目前使用較多的是指紋單機門禁系統，其采集、處理和識別都在一個控制系統中完成，只適用于小系統和安裝位臵集中的單位，且通信線路，安裝好后不易于更換管理中心的位臵。在大系統和安裝位臵分散的單位，單機門禁系統必然耗費較大且效率不高。因此有必要采用TCP/IP的網絡型門禁控制系統，實現網絡控制和遠程控制。
　　
　　系統采用指紋采集作為門禁系統的前端部分，由于指紋識別具有*性、不變性和貼身性的特點，使它成為一種安全有效的身份驗證方法。另外，系統采用基于TCP/IP協議的網絡型門禁控制器是通過局域網傳遞數據的，管理中心隨時可以變更，不需要重新布線，很容易實現網絡控制和遠程控制，并且指紋的處理和識別可以在運算速度更快的管理中心實現，這樣控制器功能簡單，而且多個控制器可以連接到一個服務器，提高了門禁系統控制和管理的效率。
　　
　　1.1國內外研究現狀和發展
　　
　　據考古學家證實，公元前7000年-6000年，指紋作為身份鑒別的工具已經在敘利亞和中國開始應用。但是由于缺乏專門性研究，未能將指紋識別技術上升為一門科學。20世紀早期，指紋識別正式成為身份識別的方法并被法律部門用作身份鑒定的依據，并開始在世界范圍內建立指紋識別機構和罪犯指紋檔案。指紋識別的有關技術，包括指紋采集技術、指紋分類技術和指紋匹配技術都得到了較快發展。例如美國聯邦調查局在1924年庫存樣本指紋就達到了81萬枚。20世紀80年代，個人電腦、光學掃描等技術革新使得他們作為指紋取像的工具成為現實，從而使指紋識別可以在其他領域中得以應用。隨著取像設備的引入及其飛速發展，生物指紋識別技術的逐漸成熟，可靠的比對算法的發現都為指紋識別技術提供了更廣闊的舞臺。目前，利用計算機進行指紋識別的技術在國外已很成熟，并且已經開始大規模廣。
　　
　　智能安防的日益流行對于樓宇管理自動化和安全監控提出了更高的安全性和可靠性要求，基于指紋識別的智能門禁管理系統應用得越來越廣泛，在一些發達國家已得到普遍的應用。面對規模已經越來越大的門禁控制系統，普通的單機門禁系統已經不適合，比如智能小區、景點門禁系統等。因此必須要開發進行遠距離傳輸的TCP/IP的網絡型門禁控制系統，由于網絡型門禁控制系統很容易實現遠程控制和分布式管理，還可以方便日后擴容和維護，日益變得重要。
　　
　　1.2本文的研究內容
　　
　　論文的研究內容分為指紋識別的算法研究和ARM門禁控制器硬件實現兩個部分。在以往算法的研究基礎上，利用指紋圖像灰度梯度和方差的結合對指紋分割方法進行改進，仿真實驗證明本文中的改進算法魯棒性好。論文在以ARMS3C2410為核心和嵌入式操作系統Linux的基礎上，設計開發了基于指紋識別的以太網門禁控制系統。
　　
　　本文具體內容主要有以下幾個方面：
　　
　　(1)系統整體方案概述和設計：根據系統功能要求，設計指紋識別以太網門禁系統，重點闡述了其中關鍵模塊的硬件設計。
　　
　　(2)指紋識別算法的理論分析和仿真：研究了指紋識別算法，主要包括指紋圖像預處理以及指紋圖像的特征提取和匹配兩部分。
　　
　　(3)系統軟件總體設計：闡述了門禁控制系統軟件的總體設計，然后對各模塊進行應用編程，主要包括視頻采集、指紋采集以及TCP/IP網絡應用編程。
　　
　　(4)zui后，對全文進行了總結，并對指紋識別以太網指紋門禁控制系統的未來發展趨勢做出展望。
　　
　　2.1系統硬件設計
　　
　　2.1.1系統概述及設計原則
　　
　　門禁管理系統是現代化的安全管理系統，主要用于管理重要部門出入口，是實現安全防范管理的有效措施，適用于各種重要部門，如企業、政府、銀行、賓館、金融貿易樓和綜合辦公樓等。
　　
　　門禁系統一般分為獨立型和聯網型，聯網型門禁系統通訊方式常見的有RS232、RS485、CAN和TCP/IP，采用TCP/IP通訊方式的聯網型門禁系統簡稱為TCP/IP網絡門禁系統。相對其它通訊方式，基于TCP/IP網絡通信的門禁系統通過局域網傳遞數據，更容易實現遠程控制和分布式管理。
　　
　　從門禁鎖的控制方式來看，主要有鑰匙、密碼、磁卡、IC卡等。隨著現代生活對安防水平要求的提高，從目前已有的門禁鎖具的控制方式來看，存在著一定的安全隱患，鑰匙、密碼和磁卡容易復制、竊取;IC卡的安全性較高，但也容易丟失。因此，現在人們心目中的門禁鎖具必須具有方便、安全，美觀等特點。隨著計算機技術的飛速發展，基于人體生理特征的身份識別系統逐漸被人們開始采用，目前，從實用角度看，指紋識別技術要比其它生物識別技術更安全和方便。
　　
　　基于指紋識別的TCP/IP網絡門禁系統方案設計的前提是滿足用戶的各種需求，利用系統強大的功能以及良好的性價比，讓用戶得到的服務和zui大的利益。方案的設計原則：實用性、穩定性、安全性、可擴展性和易維護性。
　　
　　2.1.2系統組成及功能
　　
　　一般RS485門禁控制器只支持128臺或者256臺設備聯網，而TCP/IP門禁控制器理論上可以支持無限多臺門禁設備。所以TCP/IP網絡型門禁控制器是大型大面積的門禁系統聯網的。例如供電部門的變電站門禁的聯網管理、銀行儲蓄所的門禁管理等都適合這種模式。互聯網的門禁系統結構如圖2-1所示。
　　
　　基于指紋識別的TCP/IP門禁系統方案基本組成：
　　
　　(1)管理中心：一臺連接到門禁控制器或網絡的PC機，通過局域網或廣域網與其它門禁控制器或PC機連接，實現門禁控制器采集信息的處理和分析，并發送控制指令，以及對相應的軟件管理。
　　
　　(2)門禁管理軟件：管理工作站通過管理軟件遠程監控服務器和各門禁控制器的工作狀態，實現各種管理功能。
　　
　　(3)門禁控制器：用于前端信息的采集、傳輸和處理，并控制門禁的電控鎖和門鈴，執行處理器下達的開門、報警、啟動門鈴等指令以及提供通信多機連接端口等。
　　
　　(4)電子門鎖：門禁系統的執行機構和關鍵設備，用于對物理通道的控制。
　　
　　(5)電力設備：采用直流電源作為整個門禁系統的運行電源和門鎖電源(一般采用內部電源)。
　　
　　(6)聯動設備：可與門禁控制器所有輸入、輸出節點進行聯動，實現防盜報警、消防報警等大型系統的聯動，一般在門禁管理軟件中對聯動設備進行相關的編程設臵。
　　
　　(7)通訊設備：包括交換機設備、路由器和MODEM等，實現設備的網絡連接。
　　
　　指紋識別門禁系統的主要功能特點：
　　
　　(1)采用的指紋識別模塊，可使指紋直接打開，使用方便快捷，具有很高的安全性。
　　
　　(2)應用ARM處理器和Linux操作系統，可以很好的保證門禁系統獨立連續工圖2-1互聯網的門禁系統結構圖
　　
　　(3)系統采用指紋與密碼的結合，可以根據實際需要設臵多種認證模式，支持多用戶，多組別組合開門，具有良好的靈活性。
　　
　　(4)系統配以科學化管理軟件，可以實現門禁系統的科學化管理。
　　
　　(5)應用TCP/IP以太網模塊，可以方便實現網絡控制和遠程控制。
　　
　　(6)系統采用分級管理，分為管理者和用戶，采用逐級權限管理，將用戶的指紋采集并存儲在中央管理主機上，根據用戶的開門權限，將用戶指紋下傳至相應的子門禁系統中。
　　
　　(7)系統有視頻監控和報警等一些相應的輔助功能，提高系統的安全性。
　　
　　本文基于ARM9(S3C24lO)設計和實現了一種指紋識別的網絡型門禁控制器。采用指紋識別器為前端信息的采集，用以太網控制器實現門禁控制器與上位PC機間的通信，并利用LCD來實時顯示狀態，并可以提供一些其它的輔助功能，如語音提示、報警和攝像監控等。
　　
　　2.2嵌入式主控模塊設計
　　
　　2.2.1ARM微處理器與地址空間映射
　　
　　本系統選擇了韓國三星公司的高性能ARM9微處理器芯片S3C241O作為主處理器，S3C2410芯片是基于ARM920T內核，五級流水線和哈佛結構，內核工作電壓為1.8V，輸入輸出電壓為3.3V，具有180MHZ/200MIPS性能，是高性能和低功耗的硬宏單元。ARM920T內核具有全性能的MMU、指令和數據Cache以及高速AMBA總線接口。
　　
　　S3C2410內部結構比較復雜，可提供很多可擴展的功能模塊，主要有MMU虛擬內存管理單元，LCD控制器(支持上到4k色的STN和256k色的TFT)，3通道UART，4通道DMA，4通道具備PWM功能的定時器，I/O口，具有日歷功能的RTC(實時時鐘)，8通道10bit精度ADC和觸摸屏控制器，IIC總線接口，IIS數字音頻總線接口，兩個USB2.0全速主設備及一個從設備，SD/MMC卡控制器，2通道SPI及內臵lQ/100M的網絡接口等。
　　
　　2.2.2NANDFLASH單元
　　
　　Flash是一種可在系統(In-System)進行電擦寫、掉電后信息不丟失的存儲器。它的高集成度和低成本使它成為市場主流。Flash芯片具有低功耗、大容量、擦寫速度快、可整片或分扇區在系統編程(燒寫)、擦除等特點，并且可由內部嵌入的算法完成對芯片的操作，因而在各種嵌入式系統中得到了廣泛的應用。作為一種非易失性存儲器，Flash在系統中通常用于存放程序代碼、常量表以及一些在系統掉電后需要保存的用戶數據等。常用的Flash為8位或16位的數據寬度，編程電壓為單3.3V。
　　
　　Flash技術根據不同的應用場合也分為不同的發展方向，有擅長存儲代碼的NORFlash和擅長存儲數據的NANDFlash。同時，S3C2410內部集成了NANDFlash控制器，為了支持系統從NANDFlash中啟動，S3C24lO內部有一塊被稱為墊腳石(Steppingstone)的SRAM緩存。如果選擇從NANDFlash中啟動，在啟動時S3C2410會自動的將NANDFlash存儲器中zui前面的4KB數據拷貝到S3C24lO內部的SRAM中并自動執行。如果這4KB存放的是啟動代碼，那么啟動代碼就可以從S3C241O內部的SRAM中執行，啟動代碼初始化系統和外部SDRAM后將存儲在NANDFlash中的操作系統和應用程序拷貝到外部SDRAM中，這時整個系統就可以啟動了。
　　
　　2.2.3SDRAM單元
　　
　　SDRAM具有容量大、存取速度快、成本低的特點，得到了廣泛的應用。與Flash存儲器相比，SDRAM不具有掉電保持數據的特性，但存取速度高于Flash存儲器，且具有讀/寫屬性，因此SDRAM在系統中主要用作程序的運行空間、數據以及堆棧區，是系統啟動之后進行存取操作的存儲器。
　　
　　S3C2410在片內具有獨立的SDRAM刷新控制邏輯，可方便地與SDRAM連接。同時，由于S3C24lO片內的存儲空間不大，大量的數據都要通過SDRAM暫時存放和交換，即動態存儲區。系統啟動時，CPU首先從起始地址讀取啟動代碼進行系統初始化，在完成系統初始化后，程序代碼一般調入SDRAM中運行以提高系統的運行速度。SDRAM存儲單元猶如一個電容，總是傾向于放電，為避免數據丟失，必須定時充電刷新。
　　
　　2.2.4USB及USB攝像頭單元
　　
　　USB(UniversalSerialBus)即通用串行總線，是現在非常流行的一種快速、雙向、廉價、可以進行熱插拔的接口。隨著嵌入式技術的快速發展，USB的應用已經逐漸從PC機擴展到了嵌入式技術中，并且發揮著重要的作用。USB設備之所以會被大量應用，主要具有以下優點：
　　
　　(1)可以熱插拔，使用方便。
　　
　　(2)系統總線供電，并可提供5V/500mA電源，具有獨立供電特點。
　　
　　(3)支持設備眾多，支持多種設備類，例如鼠標，鍵盤，攝像頭等。
　　
　　(4)連接靈活，可以連接多個設備，zui多可擴127個，連接的方式也非常靈活，既可以使用串行連接，也可以使用集線器Hub把多個設備連接在一起再與PC的USB口相連。
　　
　　(5)速度快，支持高速數據傳輸，USBl.1是12Mb/s，USB2.0高達480Mb/sS3C2410帶有兩個USB主設備控制器和一個USB從設備控制器，這樣可以方便USB設備的使用。在設計開發一個USB外設的時候，主要需要編寫三部分的程序：固件程序、USB驅動程序和客戶應用程序
　　
　　USB接口的設備可以方便應用到嵌入式系統中，具有USB接口的優盤因為存儲容量大，價格低，在嵌入式系統中一般可以用來存儲數據。在門禁控制器中，可以用來存儲初始化的資料數據也可以存儲采集到的重要數據，方便用戶的保存和修改。另外，本系統中應用到的視頻監控就用到了USB接口的攝像頭。
　　
　　2.3界面顯示接口模塊設計
　　
　　LCD(LiquidCrystalDisplay)稱為液晶。LCD顯示器的基本工作原理是通過給不同的液晶單元供電，控制其光線的通過與否，從而達到顯示的目的。因此，LCD的驅動控制器是對每個液晶單元的通電的控制。液晶工作時使用的是外部的光線，其光線照明方式有兩種：傳送式和反射式。由于液晶自己本身并不發光，所以與CRT相比，液晶顯示器的耗電量較低。
　　
　　本系統選用傳送式背光(CCFL)彩色STN液晶屏，LCD的控制器使用S3C2410的內部集成的控制器。系統選用5.7寸、320×240像素、256色的彩色LCD屏。其可提供4/8/12/16位顏色模式，電源操作范圍寬(2.7v-5.5V)，低功耗設計可滿足系統省電的要求。為了保證LCD正常工作，一定要保證硬件正確連接
　　
　　(1)S3C2410上液晶數據線VD[19:23]、VD[10:15]、VD[3:7]分別對應R、G、B的三色信息。一個R、G、B共16bits的組合代表了一個像素的信息。