基于校园网身份管理的指纹考勤系统的设计与实现

吴贤平

（温州大学，温州 325035）

0 引言

当前，网络信息技术的发展，在高校教学、科研和学生管理过程中，身份管理及考勤是一项非常重要的管理内容。现在高校对行政人员和教师对学生上课考勤主要采用的是人工的考勤登记办法。考勤统计工作量大，而且信息时效性不强，目前各高校都已建成校园网，建设基于校园网的身份管理的指纹考勤系统变的迫切。

根据现代科学技术的发展，目前还没有发现两个指纹完全相同的人。指纹在胎儿第三四个月便开始产生，到六个月左右就形成了。当婴儿长大成人，指纹也只不过放大增粗，它的纹样不变。因而指纹具有唯一性、遗传性和不变性的特点[1]。指纹识别主要根据人体指纹的纹路、细节特征等信息对操作或被操作者进行身份鉴定，得益于现代电子集成制造技术和快速而可靠的算法研究，已经开始走入我们的日常生活，成为目前生物检测学中研究最深入，应用最广泛，发展最成熟的技术，如考勤、门禁、身份认证等。

市场上目前指纹识别终端主要有简单网络版和单机版[2]。识别功能简单，没有进行统一的集群管理，也没有统一的查询接口平台。而现在网络技术的发展，TCP/IP协议的架构技术的成熟，数据库的集群等等促使指纹识别可分布式统一部署和管理。

1 系统概述

1.1 系统开发背景

笔者单位目前正在调研和讨论基于校园网身份管理系统基础上的单点登录系统的课题研究与实现，研究确定了几个技术整合模式，而基于指纹识别的校园网身份认证单点登录系统这个方向得到了课题组老师的一致认同，建议继续深入研究和测试。并且校园网目前处于蓬勃发展的格局，为该课题提供了强有力的资源和技术支撑。

由于个人数据、信息、资金等安全性的需求日益升高，以及指纹识别传感器在尺寸、成本、准确度等各技术方面的进步，手机、台式/笔记本电脑、PC外设等也开始采用指纹识别技术。基于这样的市场需求也是本课题需求迫切解决的一个问题，而且对本课题起重要推动作用。

1）指纹识别概况：指纹识别即指通过比较不同指纹的细节特征点来进行鉴别。由于每个人的指纹不同，就是同一人的十指之间，指纹也有明显区别，因此指纹可用于身份鉴定。其实，我国古代早就利用指纹（手印）来签押。1684年，植物形态学家Grew发表了第一篇研究指纹的科学论文。

由于每次捺印的方位不完全一样，着力点不同会带来不同程度的变形，又存在大量模糊指纹，如何正确提取特征和实现正确匹配，是指纹识别技术的关键。指纹识别技术涉及图像处理、模式识别、机器学习、计算机视觉、数学形态学、小波分析等众多学科。

2）生物射频指纹识别技术：发展到今天，出现第三代生物射频指纹识别技术（射频原理真皮指纹核心技术（线型采集器）），射频传感器技术是通过传感器本身发射出微量射频信号，穿透手指的表皮层去控测里层的纹路，来获得最佳的指纹图像。因此对干手指、汗手指等困难手指通过可高达99%，防伪指纹能力强，指纹敏感器的识别原理只对人的真皮皮肤有反应，从根本上杜绝了人造指纹的问题，宽温区：适合特别寒冷或特别酷热的地区。因为射频传感器产生高质量的图像，因此射频技术是最可靠，最有力的解决方案。

1.2 系统环境特点

基于系统的开源、稳定性和扩展性的要求考虑，拟采用如下技术解决方案：

1）J2EE框架，JavaServer Faces（JSF）是一种用于构建 Web 应用程序的新标准 Java 框架。它提供了一种以组件为中心来开发 Java Web 用户界面的方法，从而简化了开发。JSF 开发可以简单到只需将用户界面（UI）组件拖放到页面上。JSF 还通过将良好构建的模型-视图-控制器（MVC）设计模式集成到它的体系结构中，确保了应用程序具有更高的可维护性。

2）MySQL数据库，MySQL正成为Sun开源战略体系中的重要一员，新增的企业级特性使MySQL变得更加强大和高效，在Sun全球强大的技术背景和服务体系中MySQL正在茁壮成长。

3）指纹识别设备采用目前流行的网络可控式指纹识别终端，既指纹识别终端要提供API接口供其它系统调用。

在系统整体结构方面，考虑采用分布式的B/S结构模型。以JSF框架技术和数据库技术为基础，无需安装任何专用的客户端软件，仅需安装有标准的WEB浏览器，代码在服务器端运行，结果在客户端显示，占用浏览器端很少的资源，具有速度快，执行效率高等优点。

2 系统组成及功能模块

2.1 系统组成

该系统主要由指纹管理系统和指纹识别终端组成。考勤识别终端采用可控式指纹识别终端成型机。系统总体拓扑图如图1所示。

图1 系统总体拓扑图

该系统前端由指纹终端机，然后通过校园以太网访问WEB服务器。后端设备由管理PC机、WEB服务器和数据库服务器组成。为了网络安全考虑，数据库服务器位于WEB服务器后，单独供WEB服务器调用信息数据。

1）指纹采集：单个用户首先进行指纹采集，分别采集三枚指纹，然后指纹终端按整体与局部相关的算法进行采集，用户指纹采集的过程中的信息包括指纹信息、用户信息和初始密码等。指纹注册又叫指纹登记[3]，是从指纹图像中提取指纹特征值，形成指纹特征值模板，并与人的身份信息结合起来，存储在指纹识别系统中的过程。它相当于为指纹报户口。所以指纹注册的时候，需要保证指纹与身份信息之间的正确对应。尤其对于身份进行指纹注册时，防止冒名顶替，避免指纹与身份信息关联错误，是非常重要的。因此在这类指纹应用中，指纹登记的过程，需要现场督导人员参与。甚至把督导人的指纹采集到系统中，作为注册者指纹特征值模板的组成部分，以示职责之重要，并为后续责任审计提供依据。然后指纹识别系统通过前台WEB服务器写入指纹信息库既数据库服务器。指纹的特征如图2所示。

2）指纹识别：识别与验证并不是指纹识别算法领域的问题，而是指纹识别系统的问题。指纹识别是指在1∶N模式下匹配指纹特征值。它是从多个指纹模板中识别出一个特定指纹的过程。其结果是“有”或者“没有”。有时会给出“是谁”的信息。

指纹验证是指在1∶1模式下匹配指纹特征值。它是拿待比对的指纹特征模板与事先存在的另一个指纹特征模板进行一次匹配的过程。其结果是“是不是”。在一个系统中既可以采用1∶1模式也可以采用1∶N模式，这是取决于应用系统的特点和要求。有时候还可以业务模式的需要，把1∶N模式转化为1∶1模式以提高系统安全性和比对速度。本系统中采用1∶1的模式进行识别。

图2 指纹特征图

3）指纹登记后，识别的过程是：用户通过指纹终端进行识别，指纹终端调用数据库进行模糊比对，比对成功，识别系统记录用户信息、时间并提供授权权限如访问何种信息资源等，然后语音提示成功。反之提示不成功，请重按手指。本系统根据学校特点不考虑指纹终端密码进行登录认证，只考虑指纹识别认证，密码认证用于WEB查询和管理。

2.2 模块组成

该系统模块主要有：指纹登记模块、指纹识别模块、查询模块、用户管理模块、系统管理模块、公共信息模块以及API接口模块等。指纹考勤系统主用模块功能如图3所示。

2.2.1 查询模块的应用场景

1）教师或学生用户根据条件查询指纹日常考勤情况。

2）管理员查询统计考勤数据，并导出报表作日常考核依据。

图3 指纹考勤系统主用模块功能图

3）系统管理员查询系统状态、统计指纹验证情况并作系统日志维护。

2.2.2 用户管理模块

该系统用户分三类：系统管理员、部门管理员、用户，用户类型分两类：教师用户和学生用户。用户管理界面如图4所示。

系统管理员具有最高权限，系统管理员登录系统后，设置系统详细参数，权限分配，查询操作日志及用户登录退出情况。

部门管理员具有管理、查询和统计本部门用户指纹登记考勤情况。

2.2.3 公共信息模块

该模块主要用于系统使用说明指导。比如系统考勤规章制度、注意事项以及常见问题的解决方法等。

2.2.4 API接口模块

该模块是本次2012年浙江省教育科学规划资助项目课题的主要技术突破口，主要提供指纹库对比信息结果给校园网单点登录系统，触发相关的键值进行联动。

本系统除了具有日常校园网考勤用途外，还可以与机房门禁关联进行指纹门禁，实现统一管理，可应用于无人机房或网络中心等重要实验室的身份认证授权。

3 关键技术

3.1 权限管理

指纹考勤系统存储了大量数据，一旦数据被破坏，整个系统将瘫痪，为此系统采用不同的权限层次和授权管理，来进行层次化管理，增强安全，减少损失。

3.2 IP绑定技术

1）从安全性和技术需要考虑采用IP绑定技术，比如限定教师或学生在那个区域考勤认证功能，那么可根据该区域的IP地址范围来绑定，其它区域限制使用。

2）WEB系统限定功能，如果非校园网用户访问系统模块，将显示“您未授权，系统无权让您登录”。

3.3 API接口技术

通过 API 接口实现计算机软件之间的相互通信，通过使用 API 函数开发应用程序，从而可以避免编写无用程序，以减轻编程任务。 API 同时也是一种中间件，为各种不同平台提供数据共享。使该系统的拓展功能增强，供单点登录和门禁等系统调用。

图4 用户管理界面图

其他技术在此不再详述。

4 结论

近几年来，我国在指纹识别技术方面得到较大发展，除了引进技术外，还有国内公司独立研究开发出的自主知识产权的多项指纹识别类产品。目前国内产品多以指纹门禁作为主导产品，并开发出适合考勤、证券、保管箱、计算机开启等应用产品。

有的产品还不太成熟，特别是应用到网络的产品[4]。本文针对校园网身份认证系统中指纹考勤的实际需要，以校园网络为基础，探讨了建立一个基于校园身份管理中指纹考勤系统的功能和技术需求。

相信通过这一系统的开发，能够促进校园网身份管理系统中单点登录系统的研究，并能改变传统的考勤方式。该系统利用高校现有的校园网进行信息传输和数据共享,师生可方便登录系统查询部门和个人考勤情况,给学校教学、科研和学生管理工作带来很大便利。同时,该系统还可扩展到银行、停车场、公司、小区等其他领域,应用前景广阔。

[1] 刘记. 无线指纹考勤系统的设计与实现[D]. 河北工程大学, 2007.

[2] 宋宇. 基于FPGA的指纹采集卡的研究[D]. 辽宁工程技术大学, 2007.

[3] 杨文忠, 章兢. 基于串口服务器的指纹网络考勤系统[J].嵌入式网络技术与应用, 2006, (5): 12-16.

[4] 奚建荣. 基于局域网的指纹考勤系统的设计实现[J]. 自动化技术, 2006, (6): 45-49.