基于指纹识别的航油油罐智能采样阀的设计.pdf

2 0 1 2年 7月 第 4 0卷 第 l 4期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ．1 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 4 ． 0 3 1 基于指纹识别的航油油罐智能采样 阀的设计 邢志伟 ， 1 ．中国民航 大学航 空 自动化学院，天津 3 0 0 3 0 0 ；2 ． 韩 晓 中国民航地面特种设备研 究基地 ，天津 3 0 0 3 0 0 摘要针对航油油罐采样阀身份认证管理困难的情况，设计了一种基于指纹识别的智能型采样阀。以 r MS 3 2 0 v C 5 5 0 9 A 型 D S P芯片作为核心处理器，介绍了硬件组成和软件结构，并简要说明了指纹识别的具体算法。经过实验测试，各项指标 满足实际应用的需求，具有良好的市场前景。 关键 词 采样阀 ；指纹识别 ；D S P 中图分类号 T E 9 7 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 4 0 8 5 5 De s i g n o f I n t e l l i g e n t S a mp l i n g Va l v e o f J e t F u e l Ta n k Ba s e d o n F i n g e r p r i n t I d e n t i f i c a t i o n XI NG Zh i we i ． HAN Xi a o 1 ． D e p a r t m e n t o f A e r o n a u t i c a l A u t o ma t i o n ，C i v i l A v i a t i o n U n i v e r s i t y o f C h i n a ，T i a n j i n 3 0 0 3 0 0 ，C h i n a ； 2． Av i a t i o n Gr o u n d S p e c i a l Eq u i p me n t s Re s e a r c h Ba s e． Ci v i l Av i a t i o n Ad mi n i s t r a t i o n o f C h i n a ，T i a n j i n 3 0 0 3 0 0。C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o o v e r c o me t h e ma n a g e me n t d i ffic u l t y i n i d e n t i t y r e c o g n i t i o n t o t h e s a mp l i n g v a l v e o f f u e l t a n k， a k i n d o f i n t e l l i g e n t s a mp l i n g v a l v e wa s d e s i g n e d b a s e d o n fi n g e r p rin t i d e n t i fi c a t i o n ． TMS 3 2 0 VC 5 5 O 9 A t y p e DS P c h i p wa s c h o s e n a s t h e c o r e p r o c e s s o r ． T h e h a r d w a r e a n d s o f t wa r e s t r u c t u r e s w e r e d e s c ri b e d ． A b ri e f d e s c ri p t i o n o f the s p e c i fi c a l g o ri t h m f o r fi n g e r p rin t r e c o g n i t i o n wa s i n t r o d u c e d ． Th e e x p e ri me n t a l t e s t i n g s h o w s all k i n d s o f t e c h n i c a l i n d e x e s me e t t h e n e e d s o f p r a c t i c al a p p l i c a t i o n s ． T h i s k i n d o f i n t e l l i g e n t s a mp l i ng v a l v e ma y ha v e a g o od marke t pr o s p e c t s ． Ke y wor d sSam p l i n g v alv e； Fi n g e rprint i d e nt i fic a t i o n； DSP 近年 来 ，随 着 石油 化 工 的不 断发 展 ，在 民航 业 中，航油采样技术的应用越来越引人注 目，并且要求 越来越高。传统的采样阀主要是通过人工方式定时进 行采样，面临着人为因素大、采样人员身份认证困难 等一系列难题。在这种形势下，相 比于 I c卡、密码 认证等方式，使用指纹识别技术能够更好地解决这一 问题 ，主要是 因为指纹 的唯一性 、永久性 以及 易操作 性等特点。另外，综合考虑识别性能、成本、防伪效 果等因素，指纹识别方法是不二的选择。 1 指纹识别技术简介 指 纹识 别作 为 生物 识 别技 术最 为成 功 的应 用 之 一 ，近年来 已得到快速 的发展和普及 。原 因主要 有以 下 3个方 面 1 指纹识别 的唯一性 弥补 了 I c卡 的 可替代性 ； 2 指纹识别的高安全性弥补了 I c卡在 持卡人身份认证上的不足； 3 指纹识别无后期成 本 、操作简便 也是 I C卡无法 比拟 的。 指纹技术 应用主 要可 分为 3个部分 门禁 控制 、 信息技术、支付借贷。主要的应用产 品包括指纹 锁 、指纹保险柜 、指纹考 勤机 、指纹门禁 、指纹识别 笔记本 、指纹网上银行等 。尚未应用于采样 阀的身份 认证。由于国内还处于行业发展的初期，仍面临许多 问题 ，具 体表现在 1 国内只有 少数 大型 指纹 产 品生产 厂 家能 够 生产指纹 传感器 ，包括北 京中控 生产 的 U ． a r e ． U 3 0 0 0 光学指纹传感器、广州三新生产的 E S 一 3 2 0 2和 E S ． 3 2 0 5电容式 指纹 传感 器。实 际应用 较 多 的指纹 采集 设备基本需要进 口。 2 标准制定 落后。未能及时制定出统一、可 行的国家标准，导致各个指纹产品厂家一味强调 自身 产 品的技 术 标 准 ，大 力 推 广 指 纹 应 用 的低 端 产 品 如 考勤机、门禁控制器等 ，而 中高端产 品或项 目难 以启 动的局 面。 3 统一的指纹信息库尚未建立。大型指纹识别 认证应用的前提之一就是形成统一的指纹信息库 ，包 括社保、二代证、电子商务、教育、军队、监狱等应 用行业或单位都需要形成统一的指纹信息库 ，以便顺 利推行指纹安全认证 。但 目前这项工作 尚未启动 ，甚 至未受到应有的重视 。 收稿 日期 2 0 1 1 0 5 0 9 作者简介邢志伟 1 9 7 0 一 ，男，博士，研究员，研究方向为民航特种设备与系统、民航特种机器人技术。Em a i l z h i we i xi ng ya h oo ． c n。 8 6 机床与液压 第 4 0卷 相 比之下 ，国外 的指纹 识别 技 术 应用 相对 较 成 熟 ，并 已开始大规模推广 ，在 门禁 、金融 、证券 、保 险、社会福利机构的身份确认 ，个人财产使用管制 ， 社 会安全 ，信息 安全 ，职员和会员管理 ，医疗档案管 理等领域都得到了广泛的应用。 在指纹识别 算法方面 ，现在国内外 指纹识别技术 基本上都是采用基于细节点特征 的指纹识别技术。从 研究角度来说 ，国 内外的差距并不明显 ，但 国 内主要 侧重于研究 ，与实际的市场需求还有一段差距。我国 从 2 0世纪 8 0年代 初期 开始研 究指 纹 自动 识别技 术 ， 中国科学 院 自动化所领导 的生物特征研究小组开发 的 指纹识别算法影响较大。指纹识别算法的研究重点主 要集中于指纹图像的预处理算法和匹配算法，预处理 算法包括图像分割、图像增强、二值化、细化等，其 中最关键 的是 图像增强部分 ，这一步骤处理 的好坏直 接影响到整个算法的性能优劣，也是计算量最大的步 骤。匹配算法的研究重点在于指纹图像的的几何影像 形变及错位等 问题 ，必须 考虑图像 的线性 或非 线性形 变 ，提高特征匹配的识别 率。 作者 以 T I 公 司 的 T MS 3 2 0 V C 5 5 0 9 A型 D S P芯片 作为核心处理器，结合指纹识别算法，设计了一种智 能航油油罐 采 样 阀，通 过 指纹 识别 方法 进 行身 份认 证 ，各项功能均达到 了预期效果 。 2总体结构及功能设计 结合 D S P芯 片处 理 速 度 快 和单 片机 编 程 简 单 、 驱动能力强 的特点 ，将单片机作为上位机 ，控制 D S P 来完成各项处理任务 ，两者以通用异步串行通信接口 U A R T 方式通信。配以 L C D液晶显示和按键，来 实现人机交互功能 。根据指纹对 比结果 ，控制执行机 构 的动作 。 通过指纹识别方式对操作人员进行身份认证 ，认 证通过则允许开启采样 阀，并记 录采样 时间及操作人 员 I D，大大提 高 了采样 阀 的智 能化 程度 。能够 实现 用户 指纹录入 、指 纹对 比 、指纹删 除、实 时时钟设置 及显 示 、处 理 状 态 液 晶显 示 、采 样 记 录 查 询 等 功 能 。整 个 系 统 功能 完 善 ，可 靠 性 较 高 。采 样 阀 的 示 意 图 如图 1所示 。 3硬件设计 图 1 采样 阀示意 图 指纹 识 别 装 置 根据指纹传感器和算法的特点，以T I T e x a s I n s t r u m e n t 德州仪器 公司的 T MS 3 2 0 V C 5 5 0 9 A 型 D S P 芯片作 为核 心处 理器 ，A T M E L公 司的 A T 8 9 5 1 单 片机作为上位 控 制芯 片 ，瑞典 F i n g e r P ri n t C a r d s 公 司 的 F P C 1 0 1 1 F 指 纹传 感器 作 为 采集 设 备 ，1 2 8 6 4型 L C D用来实现人机 交互 显示 ，D S 1 3 0 2作 为 实时 时钟 芯片保证 系统时间与实际时间同步。 T MS 3 2 0 V C 5 5 0 9 A是基 于 T M S 3 2 0 V C 5 5 X D S P内核 的定点 D S P ，是 T MS 3 2 0 V C 5 5 0 9的改 进 版本 。 目前 ， 指纹识别模块大部分采用 C 5 4 X 如 T MS 3 2 0 V C 5 4 0 2 ， T MS 3 2 0 V C 5 4 0 9等 作 C P U，与 C 5 4 X相 比，C 5 5 X在 内核功率、速度、内核密度等方面都有明显的改进。 V C 5 5 0 9 A型 D S P具有 3路多通道缓存 串口 Mc B s P ，可 以方便地 配置成 S P I 串行外设 接 口，S e ri a l P e r i p h e r a l I n t e r f a c e ，用来 与 指纹 传 感器 连 接 。通 过 通用异步 串行接 口 U A R T与单片 机进行通 信 ，接 收单片机的控制命令 ，并将处理结果送回单片机 ，接 线简单 、易 于实现 。另外 ，D S P芯片外 围扩展 了一片 8 Mb i t1 6 的 S S T 3 9 V F 8 0 0 A型 F l a s h ，用 于 固化 程序及存储数据。 A T 8 9 5 1 型单片机完 全兼容 MC S - 5 1指 令 ，支持 I S P I n S y s t e m P r o g r a m m a b l e 在线 编程 ，在 各 控制 领域应用广泛 。 F P C 1 0 1 I F电容式指 纹传感器 利 用反 射式 探测 技 术 以往的电容式指纹传感器一般采用直接式探测 技术 ，能够探测到真皮层指纹 ，排除指纹套等假指 纹的影响。指纹传感器的表面保护层厚度可以达到普 通 电容式指纹传感器 的 1 0 0倍左右 ，抗 静 电 1 5 k V 以 上 ，具有更 长 的使用 寿命 和 对于 湿手 指更 高的适 用 性 。 F P C 1 0 1 1 F与 D S P的硬件连接 图如 图 2所示 。 A 图 2 F P C 1 0 1 I F与 D S P的接线 图 在采样阀的机械结构设计方面 ，采 用加装保险栓 的方法。即在阀体上部加装一个由电磁驱动器驱动的 保险栓，根据指纹识别的结果，由上位单片机发出控 制信号 ，经过电流放大电路和必要的隔离保护电路， 来控制 电磁驱动器 的吸合和释放 ，达到控制采样 阀开 闭的 目的。 硬件结构框 图如 图 3所示 。 8 8 机床与液压 第 4 0卷 向的滤波器通过沿水平方 向的滤波器旋转后得到。 ， ， y ， ， Z Z ， y z z z ， ’ 了 U M y y ， z z z 3 其 中 “ y ≥O ， z 0 。将 每一块 中各点 的灰度值 与对应的滤波器系数相乘后求和，作为中心像素点的 灰度值。 指纹图像 的二值化过程 即通过设置 阈值把灰度 图 像变成仅用0和 1 两个值来表示的二值图像 。由于 只关心指纹的纹路细节，二值化后 ，图像的纹路细节 只与0和 1的位置有关 ，不再涉及到像素的灰度值， 使处理变得简单。文中采用的是动态阈值法 ，将图像 分成若干个方块，计算每块内所有像素点的灰度平均 值作为其阈值 ，若像素点的灰度值大于该阈值 ，则将 该像素点置为 1 ；反之 ，则置为 0 。 指纹 图像二值化后 ，其纹线仍具有一定宽度 ，而 指纹识别 只对纹线 的走 向感兴趣 ，不关 心粗细。所 以 使用 细化算法将二值 图像 中的纹线宽度变为一个像素 宽度，简化并改善后续的指纹特征提取工作，提高识 别 的准确性 。文 中采 用 的是改 进 的 O P T A O n e P a s s T i n n i n g A l g o r i t h m算法 ⋯。传统 的 O P T A细化算法 虽然可 以满足细化的要求，但细化后的扭曲较大 ，毛 刺较多 ，不够 光滑。该算法 的消除模板为 8 个 ，将传 统 O P T A算法的前 4个消除模板相应作 了一些改变， 保持其他 4个 消除模板不变 ，并将 保 留模 板增加为 6 个。改进后，能够减少毛刺的数量 ，使细化后的图像 更加平滑。改进算法的消除模板如图6所示 ，保留模 板如 图 7所示 。 0 0 0 l 1 1 l O 1 0 l 1 O X l l 0 1 1 O l O a 模 板 一 b 模板 二 c 模板 三 d 模 板 四 X 0 0 l 1 0 1 X l 0 I l 0 O e 模 板 五 f 模板 六 g 模 板七 h 模板 八 图6 改进 O P T A算法的消除模板 a 模板 一 0 l l l l 0 0 0 ‘ b 模板 二 O 1 l 1 0 0 O X c 模板 三 0 l 0 1 I O 0 d 模 板 四 e 模 板五 f 模板 六 图7 改进 O P T A算法的保留模板 4 ． 2 ． 2 特征提取和特征匹配算法 预处理完成之后 ，基于细化 的二值 指纹图像 ，通 过 8 邻域法 n 提取指 纹细节特 征点。大量研究 表 明 只要两 幅指 纹 图像 有至少 1 2个 特征 点匹配 ，即可判定这两 幅指纹是属 于 同一个手指 的。因此 ，文 中只提取指 纹图像 中脊线 的端点和分叉点。这 样 ，指纹图像的识别问题就转换 为细 节点 的匹配 问题 。采用 8 邻域 法提取 端点和分叉点 的模板如图 8所示 。 P1 Ps P P ‘ 图 8 特征提 取模板 如果 目标点 P为端点 ，则满 足 8 ∑ } R 一 R l 2 4 如果 目标点 P为分叉点，则满足 8 ∑ 1 R 一 R l 6 5 其中R 为点 P 的像素值 ，且 R 。 R 。 将提取 的特征点按照 坐标 、Y 坐标 、特征点类型 的格式进行存储 。这样 ，一 幅指纹 图像 就转化 成 了一 个特征点集 Q，节省存储空间，便于匹配算法的计算。 最后 ，进行指纹 匹配 。文 中使用的是基于三角形 相似原 理 的指 纹 匹配算 法 ，由于某一 特征 点 及其 相邻特 征 点的特 征信 息 是不 会变 化 的 ，如 尺寸 改 变 、平 移和旋转都不会 引起 3个特征点构成 的三角形 的相似性 ，根据这些信息进行指纹 匹配 。具体 的算法 步骤为 分别在已录入特征点集 Q 。 与待匹配特征点集 Q 中取 3 个 特征 点 ，y 。 ， ，y ， 。 ，Y ， 和 m ，n ， m ，n ， m， ， ，每个点集的 3个 点组成特征三角形 AA B C和 Aa b c ，满 足以下条件 l A B a b f o r 6 l B C b c l 7 l A C一0 c l 8