带红外摄像、无线功能的嵌入式指纹门禁系统

技术领域：

本发明涉及生物特征识别技术。

背景技术：

随着计算机网络技术的发展和广泛应用，国家和军事部门的重要 保密信息以及个人隐私信息的安全问题倍受关注，特别是911事件以 后，机要部门对进出人员的身份认证方式提出了更高要求。在传统的 安全防范领域，门禁和监控是相互独立而又互相配合使用的两种安防 系统。监控系统的价值是监控或记录授权人员在现场的行为以及当非 授权人员侵入设防领域时，能够及时报警及留下非法行为记录；门禁 系统则是采用主动的方式，通过对主要通道的控制，极大地防止了非 授权人员从正常通道的侵入，并且可以在非法行为发生时通过对通道 门的控制，限制非授权人员的活动范围以制止非法行为或减少损失。 本发明通过在指纹门禁系统上加入红外摄像技术，就可以将监控系统 和指纹门禁系统物理融合在一起，极大提高了系统的安全防范能力， 是对指纹门禁系统的一种创新。

传统的身份识别方法主要有：1)身份标识物品(What you have)， 比如印鉴、钥匙、证件、信用卡等；2)身份标识知识(What you know)， 比如口令或者密码等。这些传统身份鉴别方法存在明显缺点：比如 个人拥有的物品容易丢失或被伪造，个人密码容易遗忘或记错甚至被 窃取等等，这些都使系统无法区分拥有真实身份者和通过某些手段取 得身份标识物或相关信息的冒充者。

目前相近产品存在的缺陷：

1、只能根据指纹识别结果控制门的开关，不能对现场进行监控；

2、指纹识别算法性能一般，误拒率比较高；

3、难以做成嵌入式系统；

4、目前的产品无法支持监控人员远程移动监控；

5、目前的指纹门禁产品只提供以太网(RJ45)、RS232、485等 通信接口；

6、目前的脱机指纹门禁产品，指纹信息(特征模板)都存储 在指纹门禁内，不能进行实施调度。

发明内容：

本发明的目的在于：为国家和军队的机要部门(如机要室和军械 库等)或者重要民用设施(如飞机场塔台，飞机驾驶室，银行金库等) 提供一种可以进行24小时不分昼夜移动远程监控地带红外摄像、无 线功能的嵌入式指纹门禁系统。

本发明由指纹采集子系统；指纹识别子系统；红外摄像子系统； 中央控制及数据通信子系统；门禁子系统组成；

<一>指纹采集子系统

指纹采集子系统的功能是完成活体指纹采集；它由指纹传感器和 相应的外围电路构成；当用户需要通过门禁系统的时候，把手指放在 指纹传感器上，指纹采集子系统就能自动完成指纹采集；

<二>指纹识别子系统

指纹识别子系统的功能是对指纹采集子系统所采集的活体指纹 图像进行处理和特征提取并与指纹门禁机中的授权用户指纹模板进 行匹配；指纹识别子系统是一个运行指纹识别算法的嵌入式系统，它 的核心是高速数字信号处理芯片(DSP)和存储器；每个合法用户有 一个用户名或者编号，当用户需要通过门禁系统的时候，输入自己的 用户名或者编号，并且把手指放在指纹传感器上采集指纹。指纹识别 子系统根据用户名或者编号从数据库中提取出与用户名或者编号对 应的指纹特征编码，然后把从活体指纹图像中提取出来的指纹特征编 码与从数据库中提取出与用户名或者编号对应的指纹特征编码进行 匹配；如果匹配成功，则允许用户通过门禁系统，否则拒绝用户通过； 本发明引入网络指纹钥匙概念，即常态下，指纹门禁内没有任何指纹 模板(指纹钥匙)，在需要进出安全场所时，由控制中心将保存在指 纹数据库中的授权人的指纹钥匙(指纹模板)调出并且通过无线链路 随同生存因子一起发送到指纹门禁上，在生存因子确定的时间内容许 被授权人进出，超过生存时间后，指纹门禁机自动删除指纹钥匙(指 纹模板)

<三>红外摄像子系统

红外摄像子系统完成现场场景的拍摄；红外摄像子系统有两种工 作模式：主动监控模式和被动受控模式；在主动监控模式下，红外摄 像系统对现场进行实时摄像监控，满足预设的警报条件(如活动物体 进入设像范围以内)即向中央控制及数据通信子系统发出报警信号； 在被动受控模式下，红外摄像子系统受控于指纹传感器的中断信号或 者系统的时钟信号或者监控人员发送的指令，当用户把手指放在指纹 传感器上的时候，指纹传感器会产生中断信号，红外摄像子系统根据 指纹传感器产生的中断信号启动工作；在受控模式下红外摄像子系统 还可以根据系统时钟定时对现场进行拍摄；

<四>中央控制及数据通信子系统

数据通信子系统是把红外摄像子系统所拍摄的图像和门禁状态 传送给监控人员以及把监控人员的指令传送到门禁子系统或者红外 摄像子系统；数据通信子系统采用GPRS(General Packet Radio Service)网络。本发明的数据通信子系统与无线通信网络(GPRS) 进行通信可以包括以下两个方式：一种是本发明的通信模块与通过有 线介质(光纤，同轴电缆，双绞线，电话线等)与多媒体短讯服务器 进行通信，多媒体短讯服务器再与GPRS(General Packet Radio Service)网络通信，监控人员的监视设备与GPRS网络连接；另一种 方式是本发明的通信模块与GPRS网络直接进行无线通信，监控人员 的监视设备也与GPRS网络连接；

<五>门禁子系统

门禁子系统的主要功能是控制门锁的开关动作；门禁子系统由控 制电锁的继电输出电路和控制电路构成。

红外摄像系统受控于指纹门禁，当有人开门、尝试开门或满足其 他预设条件时，红外摄像开始工作。

红外摄像子系统拍摄到的现场图像可以通过无线通信网络 (GPRS)发送给监控人员的监视设备，通过标准GPRS终端(如支持 MMS的手机)查看图像。

管理中心可以将指纹特征数据、时间限制条件等设置通过无线 GPRS网络传送到指纹门禁机进行对指纹门禁机的远程调度、管理及 控制。

管理人员在经过授权的移动GPRS终端(如手机)上通过身份确 认后：可以远程获取门禁机构和摄像系统的状态信息，可以通过支持 MMS的手机或其他终端设备实时查看远端现场实况，也可以对指纹门 禁机实施远程控制及管理。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

现有的指纹门禁系统只能根据指纹识别结果控制门的开关，不能 对现场进行监控；现有的红外监控系统只能对现场进行拍摄并用闭路 电视监控，本发明把红外摄像系统与指纹识别门禁系统结合，可以不 分昼夜进行监控，大大增强了门禁系统的安全性能；目前指纹识别技 术产品的识别算法性能一般，误拒率比较高，采用我们的识别算法， 可以把误拒率降低到0.1％以下。目前的指纹识别技术产品难以做成嵌 入式系统。我们的发明实现了嵌入式系统脱机运行指纹识别算法。目 前的产品无法支持监控人员远程移动监控，本发明通过无线GPRS网 络，使用MMS协议进行传输，监控人员可以通过标准GPRS终端(如支 持MMS的手机)查看现场图像进行远程移动监控，并且可以根据现场 信息和门禁系统状态信息对门禁系统进行控制。本产品提供了报警手 指功能。当授权用户受到暴力胁迫开门的时候，只要把事先登录的用 于报警的手指轻轻放在指纹传感器上，系统就会向监控人员发出报警 信号。当非授权用户尝试开门次数超过一定次数的时候，系统也会发 出报警信号。

附图说明：

附图1：系统原理框图，说明了各子系统之间数据流向及相互作 用。

附图2：样机外观图。用来说明用户操作的界面：指纹采集和登 陆操作平台。用户要通过门禁系统，需要通过这个平台输入用户名或 者编号以及采集指纹。

附图3：红外摄像系统。主要功能是拍摄现场场景。

附图4：数据通信方式图。说明了本发明设备如何进行数据通信。

附图5：本发明的无线GPRS模块样板图。

实施方式：

本发明由以下几部分构成：1、指纹采集和登陆操作平台(如图 2所示)；2、红外摄像设备(如图3所示)；3、数据通信接口(如图 4所示)；4、门禁控制电路。系统框图图1中的①：为采集到的指纹； ②：为指纹识别结果；③：为门禁控制信号；④：为门禁状态信号； ⑤：为监控指令；⑥：为现场和门禁信息；⑦：为拍摄到的图像。

a)、指纹采集和登陆操作平台(参见图2)是一个集成了指纹 采集子系统，指纹识别子系统和门禁状态控制及红外摄像系统控制和 通信模块的电路板。指纹采集和登陆操作平台上面的键盘允许用户输 入用户名或者编号或者其他命令和文本。指纹采集和登陆操作平台上 面的指纹传感器用于采集活体指纹。同时，前面所讲的门禁控制电路， 红外摄像设备控制电路以及通信接口电路也集成在这个平台的电路 板上。

b)、红外摄像设备是一个执行现场图像拍摄的红外摄像机。

系统工作原理和工作流程：系统的原理框图如附图1(参见说明 书附图)。如图1，指纹采集子系统对试图通过门禁的人员采集活体 三维指纹，并把指纹图像数据传送给指纹识别子系统。指纹识别子系 统对指纹采集子系统所采集的活体指纹图像进行处理和特征提取并 与存储在的数据库中的用户指纹模板进行匹配，将识别结果通过数据 通信子系统传送给门禁子系统，门禁子系统根据识结果控制门的状 态。并且把状态通知监控人员。红外摄像系统受控制于指纹采集子系 统，当有人试图通过门禁系统的时候，红外摄像子系统立即启动对现 场进行拍摄，并把结果发送给监控人员。监控人员根据现场和门状态 信息可以向门禁系统发送控制指令。如果非授权用户使用暴力破坏门 禁系统或者胁迫授权用户通过门禁系统，则监控人员可以立即发现。 红外摄像系统也可以被设置在主动监控模式下，此时红外摄像系统 24小时实时对现场进行实时摄像监控，满足预设的警报条件(如活 动物体进入设像范围以内)即向中央控制及数据通信子系统发出报警 信号

1、指纹采集子系统：指纹采集子系统的功能是完成活体指纹采 集。它由指纹传感器和相应的外围电路构成。当用户需要通过门禁系 统的时候，把手指放在指纹传感器上，指纹采集子系统就能自动完成 指纹采集。

2、指纹识别子系统：指纹识别子系统的功能是对指纹采集子系 统所采集的活体指纹图像进行处理和特征提取并与门禁机中的授权 用户指纹模板进行匹配。指纹识别子系统是一个运行指纹识别算法的 嵌入式系统，它的核心是高速数字信号处理芯片(DSP)和存储器。 每个授权用户有一个用户名或者编号，当用户需要通过门禁系统的时 候，输入自己的用户名或者编号，并且把手指放在指纹传感器上采集 指纹。指纹识别子系统根据用户名或者编号从数据库中提取出与用户 名或者编号对应的指纹特征编码，然后把从活体指纹图像中提取出来 的指纹特征编码与门禁机中与用户名或者编号对应的指纹特征编码 进行匹配。如果匹配成功，则允许用户通过门禁系统，否则拒绝用户 通过。指纹识别子系统是一个运行指纹识别算发的嵌入式系统，它的 核心是高速数字信号处理芯片(DSP)和存储器。

3、红外摄像子系统：红外摄像子系统完成现场场景的拍摄。红 外摄像子系统有两种工作模式：主动监控模式和被动受控模式。在主 动监控模式下，红外摄像系统对现场进行实时摄像监控，满足预设的 警报条件(如活动物体进入设像范围以内)即向中央控制及数据通信 子系统发出报警信号；在被动受控模式下，红外摄像子系统受控于指 纹传感器的中断信号或者系统的时钟信号或者监控人员发送的指令， 当用户把手指放在指纹传感器上的时候，指纹传感器会产生中断信 号，红外摄像子系统根据指纹传感器产生的中断信号启动工作。在受 控模式下红外摄像子系统还可以根据系统时钟定时对现场进行拍摄。 红外摄像子系统由光路系统和CCD摄像头构成。

4、中央控制及数据通信子系统：中央控制及数据通信子系统主 要功能是完成系统中各个子系统的控制协调和通信功能。中央控制及 数据通信子系统中的控制协调功能主要是实现本发明的功能流程和 根据各个自系统的控制和状态信息执行相应的命令。中央控制及数据 通信子系统的控制功能通过数字信号处理芯片或者单片机实现。中央 控制及数据通信子系统中的通信功能主要是把红外摄像子系统所拍 摄的图像和门禁状态传送给监控人员以及把监控人员的指令传送到 门禁子系统或者红外摄像子系统。数据通信子系统采用GPRS(General Packet Radio Service)网络。GPRS(General Packet Radio Service) 通用无线分组业务)是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供 端到端的、广域的无线IP连接。GPRS是一项高速数据通信的技术， 它是在GSM系统的基础上通过修改软件增加报文分组传输技术实现 的。所以从硬件上来说，GPRS是已经可靠运行的GSM的硬件系统。 本发明的数据通信模块与无线通信网络(GPRS)之间进行通信可以包 括以下两个方式：一种是本发明的通信模块通过有线介质(光纤，同 轴电缆，双绞线，电话线等)与多媒体通信服务器进行通信，多媒体 通信服务器再与GPRS网络通信，监控人员的监视设备与GPRS网络连 接；另一种方式是本发明的通信模块与GPRS网络直接进行无线通信， 监控人员的监视设备也与GPRS网络连接。

5、门禁子系统：门禁子系统的主要功能是控制门锁的开关动作。 门禁子系统由控制电锁的继电输出电路和控制电路构成。

本发明的工作过程如下：

1、系统管理员先对授权用户采集正常使用指纹和报警指纹。每 个手指各采集3次，然后我们的设备对每个手指的3个图像进行特征 提取，并采用先进的数据融合技术把3个图像的特征点融合成一个特 征模板并且存储在平台的数据库中。本发明引入网络指纹钥匙概念， 即常态下，指纹门禁内没有任何指纹模板(指纹钥匙)，在需要进出 安全场所时，由控制中心将保存在指纹数据库中的授权人的指纹钥匙 (指纹模板)调出并且通过无线链路随同生存因子一起发送到指纹门 禁上，在生存因子确定的时间内容许被授权人进出，超过生存时间后， 指纹门禁机自动删除指纹钥匙(指纹模板)。

2、当授权用户需要通过门禁系统的时候，用户在指纹采集和登 陆操作平台上面的键盘输入用户名或者编号，然后再把登录手指轻轻 放在指纹传感器上。如果采集到的活体指纹与用户输入的用户名或者 编号对应的登录指纹特征模板匹配通过的时候，指纹采集和登陆操作 平台上的门禁控制电路发出开门信号，门禁机构执行开锁动作，授权 用户就可以通过。如果匹配失败，则指纹采集和登陆操作平台上的门 禁控制电路不发开门信号，拒绝用户通过。

3、当有手指放在指纹传感器上的时候，指纹传感器会发出中断 信号，指纹采集和登陆操作平台上的红外摄像控制电路发出摄像机启 动信号，摄像机开始对现场进行摄像并且把数据发送到指纹采集和登 陆操作平台，指纹采集和登陆操作平台进行数据处理后把数据通过通 信模块发送给监控人员。

4、管理人员可以直接向系统发送命令对门禁机构和摄像机构进 行主动控制。管理人员在经过授权的移动GPRS终端(如手机)上通 过身份确认后：可以远程获取门禁机构和摄像系统的状态信息，可以 通过支持MMS的手机或其他终端设备实时查看远端现场实况，也可以 对远端指纹门禁机实施远程控制及管理。

5、当授权用户受到暴力胁迫开门的时候，只要把事先登录的用 于报警的手指轻轻放在指纹传感器上，采集到的活体指纹所有指纹特 征模板中的一个匹配通过的时候，系统就会向监控人员发出报警信 号。

6、当非授权用户尝试开门次数超过一定次数的时候，系统也会 发出报警信号。

7、当开门时间超过一定长度的时候系统会提示关门并向监控人 员发出门禁状态信息报告。

8、系统可以根据系统时钟定时向监控人员发送现场场景和门禁 状态信息。

9、每次人员进出的信息都被纪录在数据库中备查。

本发明的数据通信方式可以有两种：如图4所示，一种是通信模 块通过有线介质(光纤，同轴电缆，双绞线，电话线等)与多媒体通 信服务器进行通信，多媒体通信服务器再与GPRS(General Packet Radio Service)网络通信，监控人员的监视设备与GPRS网络连接； 另一种方式是本发明的通信模块与GPRS网络直接进行无线通信，监 控人员的监视设备也与GPRS网络连接。前者不必占用额外的无线电 频谱资源，适合大多数场合特别是民用设备，后者适合军事部门，可 以获得更高的数据通信安全性能。无论采取哪种通信方式，设备在把 数据发送出去之前都对数据进行加密。

本发明可以广泛应用于机要部门，军械库机场塔台，飞机驾驶 室，银行，住宅区等场合。