基于射頻卡與指紋識別技術的校園一卡通系統研究及應用

文章出處：http://www.nyfzw.net 作者：徐慧英，許敏婕   人氣： 發表時間：2011年11月09日

    隨著社會數字化的快速發展，作為連通學校和數字城市的關鍵點，數字校園還是建設“數字中國”整個工程中的重要環節。“數字校園”運用4C(計算機，通信和網絡，自動控制，IC卡)技術，通過網絡實現電子化管理校園和共享資源。校園一卡通系統將射頻卡技術與指紋識別技術應用到數字校園系統，作為電子身份載體的IC卡，通過指紋識別技術進行身份認證，從而方便師生自動完成諸如借／還書、消費、考試、考勤等與其身份相關的活動，提高校園管理水平。文中采用射頻卡和指紋識別技術，設計了一個校園一卡通系統。

    1數字校園與一卡通系統

    在“傳統校園”的基礎上，“數字校園”利用先進的信息化手段和工具，實現校園的數字空間，從而分割了現實校園的時間和空間。它以網絡為基礎，實現環境(包括設備、教室信息等)、資源(如圖書、講義、課件等)和活動(包括教、學、管理、服務、辦公等)的全部信息化。數字化校園的特點主要體現在三個方面：網絡化、智能化和個性化。

    一卡通系統實現用戶單位高度網絡化、智能化、信息化，提升單位管理效率，采用先進的射頻卡技術，結合計算機網絡在數據檢索、通信、采集等方面的優勢，以一張多功能射頻卡同時擔負員工工作證、考勤卡等多項管理職能。它綜合應用當前的網絡技術、IC卡技術、數據管理等先進計算機技術，具有提高學校人事財務統一管理能力，實現校園內的身份識別、電子貨幣、電子交易等功能。一卡通系統在國外的許多高等院校早己得到廣泛應用，雖然近幾年國內有部分企業和院校在推行一卡通的應用項目，但多數集中在消費和圖書管理方面，沒有深入研究，對于一卡多用系統的整合一直處于表面工作，因此一卡通系統的研究工作市場廣闊。

    2 射頻卡在數字校園中的應用

    2．1 射頻卡

    射頻卡又稱非接觸IC卡、感應卡，它成功地將射頻識別技術和IC卡技術結合起來，解決了IC卡無源和非接觸等問題，是電子器件領域的重大突破。射頻卡由IC芯片、感應天線組成，完全密封在一個標準PVC卡片中。通常由射頻卡與讀寫器之間的無線電波來完成讀寫操作，操作方便快捷、抗干擾能力強、可靠性高、安全性好、適合于一卡多用等特點。

    2．2 射頻卡讀寫器

    如果一個應用系統(應用軟件)要讀寫一個非接觸的數據載體(應答器)中的數據，則它需要一個非接觸的讀寫器作為接口。兩者之間通過無線電波來完成數據讀寫。由于射頻卡本身是無源卡，讀寫器在對卡讀寫時發出的信號由兩部分疊加組成：一部分是電源信號，該信號由卡接收后，與本身的L／C產生一個瞬間能量來供給芯片工作；另一部分是指令和數據信號，指揮芯片完成數據的讀取、修改、儲存等，并返回信號給讀寫器。

    讀寫器主要完成對卡的讀寫操作，功能強的還可以進行數據處理。本系統幾乎所有終端都要用到讀寫器，因此在應用系統中起到舉足輕重的作用。讀卡器軟件主要完成對射頻卡的認證、讀寫功能，以及根據用戶需要顯示相應的信息、具備必需的設置功能。卡片的認證密鑰采用統一固定的讀密鑰，寫密鑰則通過DES加密保存在PSAM卡中。

    為實現密鑰的安全性和保密性，系統通過存放在SAM模塊或SAM卡中的各種主密鑰完成與用戶卡之間的身份認證及各種加、解密過程。SAM卡的物理結構和普通的CPU卡一樣，但它的區別在于操作系統COS的主要功能是對稱加解密運算(DES運算)和密鑰存儲及管理功能。密鑰被發卡系統寫入SAM卡后，再放入讀卡器內，從而完成讀卡器和卡的相互認證。一旦存儲在SAM卡中的密鑰被寫入，就不能被讀出且不能修改，只能被用來進行加解密計算。

    3 指紋識別技術在數字校園中的應用

    3．1 指紋識別技術簡介

    手指表面的皮膚凸凹不平產生的紋路就是指紋。這些紋路在圖案、斷點和交叉點上因人而異，在識別過程中就是依靠這些唯一的“特征”，通過比較他的指紋特征和預先保存的指紋特征驗證他的真實身份。指紋是人體生物特征之一，具有惟一性、穩定性和不可復制、不可移植、不可仿造的特點_2 J。指紋識別技術作為身份認證手段有隨身攜帶、安全性好、采集方便、成本低、產品體積小、識別速度快、產品穩定性好和仿制技術難等諸多優點。指紋識別技術在數字校園中的應用方式有以下兩種：

    (1)把持卡人的指紋(加密后)存儲在IC卡上，并在IC卡的讀卡機上加裝指紋識別系統，當閱讀IC卡上的信息時，一并讀入持卡者的指紋，通過比對卡上的指紋與持卡者的指紋來確認持卡者是否卡的真正主人。該方式占用IC卡中較多存儲單元，對網絡的依賴小。
    (2)將所有的用戶指紋信息存儲在主機系統數據庫上，IC卡內僅存儲持卡人的指紋ID，讀卡器終端讀卡后，采集持卡人的指紋信息，與后端數據庫中該指紋ID對應的指紋信息比較以確認持卡者的身份。該方式所用IC卡資源很少，對網絡的依賴性很強。

    3．2 一種基于紋線方向信息的自動指紋識別系統算法

    隨著對系統安全性與魯棒性要求的不斷提高，原有算法變得難以滿足實用要求。針對這些拒判率高、易旋轉、平移的問題，文中采用一種基于紋線方向信息的指紋自動識別算法。該系統具有兩項功能：一是采集過程，即建立大容量指紋庫；二是匹配過程或識別過程，即隨機識別某一指紋。系統框圖如圖1所示。 

圖1 指紋識別系統框圖

    在未修復的細化指紋圖像中，存在著大量噪聲。主要有：
    (1)指頭較干時，指紋圖像會存在大量的間斷紋線。而且兩點之間距離很小，沒有紋線存在。
    (2)指頭較濕或較臟時，指紋圖像會存在較多紋線叉連，本不應該相連的紋線粘連在一起。并且兩點均為紋線分叉點，兩點之間的距離恰好近似等于平均紋線間距，且兩點之間連線近似垂直于其局部領域的紋線方向。
    (3)短紋：特點是兩點之間較短但不至于看成孤立點的紋路。
    (4)孔狀：特點是兩點之間的距離非常地小，且兩點之間連線與其局部領域紋線的方向近似平行。
    (5)毛刺：特點是一對端點與分叉之間有紋線相連，且兩點之間距離比較近。因此首先對采集到的指紋進行圖像預處理，即對指紋圖像進行紋線修復和去噪，消除絕大部分的孤立點和短線等隨機噪聲。文獻提出了具體的指紋圖像預處理。

    細節特征主要由其位置和方向確定。常規的細節特征提取算法是先細化圖像，然后修復紋線，最后提取細節特征點。指紋增強的目的是提高紋線的清晰度，例如分離粘連的紋線、連接斷裂的紋線、平滑紋線邊緣等等。但當指紋圖像無法修復時，常規算法提取到的細節特征點就包含大量的偽特征信息。去除偽特征點，可以通過研究偽特征點的成因及分布規律，然后設計出相應的改進算法。

    據資料和實驗觀察，指紋紋線和細節特征點存在以下特點：

    (1)除個別區域外，指紋紋線的變化相對平緩，相鄰紋線之間的寬度大致相等。
    (2)在500dpi的分辨率下，指紋圖像中一般只存在距離大于8個像素點的細節特征點。
    (3)指紋中基本不存在毛刺、紋線叉連這種帶有突變性質的結構。所以，諸如距離很近的兩個紋線端點、紋線叉連等結構，應該直接刪除。

    改進的算法定義如下： 

  
    基于紋線曲率的指紋匹配方法是通過比較兩幅圖像中紋線上的點到紋線端點的距離，即比較兩條紋線的曲率，來判斷這兩條紋線的相似程度，從而確定基準點對。由于圖像的旋轉和平移不影響匹配結果，因此這種方法能較好地反映紋線的形狀，匹配更加準確。 

    3．3 指紋識別終端

    指紋認證器件是一個基于數字處理器(DSP)的單片機，完成一般的單片機無法完成的復雜指紋識別任務。其物理組成如圖2所示。

    指紋認證器件作為指紋應用系統的核心，主要完成指紋采集和指紋匹配。在本系統中，該模塊通過RS232口與主控制單元進行異步串行通訊來實現指紋采集、特征數據的生成以及兩枚指紋圖像的匹配，處理后的指紋特征數據編號存放在數據存儲器中。指紋識別終端在校園一卡通系統中主要用于考勤和考試身份認證，與射頻卡讀卡終端聯合使用，由射頻卡內存儲信息提供ID號等。 

    4 基于射頻卡與指紋識別技術的校園一卡通系統

    校園一卡通系統實現了資源數字化、傳輸網絡化、用戶終端智能化、管理結算自動化。該系統實現與銀行系統相銜接，自動將銀行存款轉入校園卡，滿足校園內各類消費；同時實現個人身份認證；還實現與學校管理信息系統相鏈接，實現對學生、教職員工的基本信息查詢，以及領導宏觀管理的綜合查詢等。

    4．1 系統結構

    系統按其不同的行為主體，分為校園管理和銀行管理。校園管理實現IC卡部分的發卡、補卡、銷戶及卡消費、身份識別管理。銀行管理主要完成卡開、存款、圈存、補卡、銷戶、黑名單管理等功能。銀行管理的前置機和校園管理的財務中心服務器相連，當持卡人從借記卡帳戶中圈存金額到IC卡后，在圈存的當日，銀行將匯總各個帳戶的圈存總額及所有帳戶的圈存總額并下發到校園的結算中心對帳。同時下傳文件到指定網點，次日由網點劃轉昨日消費總額到學校帳戶。黑名單的掛失及解掛先由學校執行，并實時傳到銀行。

    4．2 “校園一卡通”數據傳輸流程

    “校園一卡通”的數據傳輸流程分為五個層次，即交易數據的采集、轉發、傳輸、處理和應用。各類終端設備收集的上傳交易數據，經串口通訊聯網設備，進入一卡通專網主干，進而上傳到“校園一卡通管理結算中心”的主服務器，保證了數據的實時性和完整性。

    4．3 管理組織體系

    “校園一卡通”系統的管理采取了三級管理模式。頂層管理層為“校園一卡通管理結算中心”；--級管理層為各校區的“管理分中心”；三級管理層為部門兼職管理員。

    4．4 系統應用范圍

    “校園一卡通”系統中的校園卡采用非接觸式加密IC芯片和銀行磁條復合的方式，使校園卡既具有校園外的銀行金融服務和支付功能，也具有在校園內各類消費和校園管理的功能，其功能主要包括身份驗證、存款消費和信息查詢。

    4．5 系統拓樸結構

    本系統校園部分的拓樸結構如圖3所示。 

圖3 校園部分的拓撲結構

    5 小結

    文中的研究成果適合于現代化數字校園信息化的需求，而且能實現銀行學校雙贏戰略，具有普及應用的前景。但是筆者對該領域的研究也剛剛起步，在以后的科研工作中，還有很多尚待研究的問題，如：新興密鑰算法研究；對于小面積指紋、殘紋、較干較濕手指的指紋識別算法的研究等等，均有待于去深入研究。(文/(浙江師范大學信息科學與工程學院 徐慧英，許敏婕)

    參考文獻：
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    作者簡介：徐慧英(1977-)，女，浙江永康人，講師。碩士，研究方向為圖像處理、信息隱藏、生物特征信息識別等。