大学院校：广西师范大学物理与电子工程学院
指导老师：王志高
随着生物识别产品的不断问世，其在安防门禁系统的应用将越来越多，生物识别产品的高安全性和防盗等特性正被越来越多的客户接受。由此可预见，在不久的将来，生物识别产品必将成为安防门禁系统前端识别设备的强大力量，在安防领域必将发挥越来越大的作用。
生物识别技术是利用人体生物特征进行身份认证的一种技术。生物特征是识别人身体上唯一的与他人不同，可以测量或可自动识别和验证的生理特征或行为方式。
用于生物识别的生物特征有指纹，掌纹，脸形，虹膜，视网膜，脉搏，耳廓等，行为特征有签字，声音，按键力度等，基于这些特征，人们已经发展了指纹识别，掌纹识别，面部识别，发音识别，虹膜识别等多种生物识别技术，也相应地生产了各种生物识别产品。目前市场上使用的最多是指纹仪，其次是脸形识别产品，掌纹仪，虹膜仪和声纹仪，生物识别产品具有以下特点:
（1）高安全性；
（2）技术先进；
（3）不易仿冒；
（4）防盗取。
由于生物识别产品具有技术先进，安全性能高，身份确认唯一等特点，目前越来越多的集成使用在安防门禁系统中，生物识别产品采用的技术不同于传统的RFID技术的门禁系统，因此将生物识别产品集成使用在采用传统RFID技术的门禁中，是一项合理且创新的尝试。
鉴于实际应用，需要考虑人类特征符合身份认证的要求，从安全性，可接受性，生产成本，实时性能方面，本设计采用了一种易获取的生物特征——语音，并结合射频识别技术的多重身份认证保障用户的更高安全防范，从而确保人生财产的安全。相对于传统的磁卡及IC卡技术，RFID具有非接触、阅读速度快、无磨损等特点，在最近几年里得到快速发展。
本系统设计理念新颖，其软硬件均可裁剪，主要分为高端和低端两种设计方案（实际系统设计制作以高端型为制作蓝本），故应用非常广泛。高端型系统具有语音识别、RFID卡识别、动态随机密码保护等多重安防功能。高端型系统设计主要面向安全级别要求较高的原子能实验室，生产基地等场所。经过软硬件裁剪，本系统也可应用于图书馆，住宅小区等安全要求相对较低的场所。
本系统整体设计基于DE2开发平台,采用基于NiosII的SOPC技术。NiosII软核集成在FPGA内部，采用这种解决方案的优点是实现了片上系统，减少了系统的物理体积和总体功耗；同时系统控制核心都在FPGA内部实现，可以极为方便地更新和升级系统，大大地提高了系统的通用性和可维护性。此外，由于本系统需要大量的高速数据运算，在设计中我们充分利用了CycloneII芯片的丰富的硬件乘法器，实现了语音信号的端点检测模块，FFT快速傅立叶变换模块，DCT离散余弦变换模块等硬件设计模块。为了提高系统的整体性能，我们充分利用了FPGA的高速并行的优势，以及配套开发环境中的Avalon总线自定义硬件外设，使系统处理数字信号的能力大大提高，其性能远优于传统的微控制器和普通DSP芯片。综上所述，我们采用了基于CycloneII的系统设计方案。
本系统采用SOPC系统设计，控制方式灵活。以下为本系统在实际运用中的示例图（如图1所示）。
图1实际应用示范图
本系统采用SOPC系统设计实现了语音识别及RFID的多重安防门禁监控系统：一方面主要对语音信号实时采集，存储，并通过各种DSP运算模块进行分析和处理；另一方面主要实现射频识别。
1.资源使用情况
图4MATLAB运算结果
图5MFCC模块运算结果
1．系统主要框架设计：
系统设计充分利用CycloneII芯片及DE2开发板硬件资源。系统主要硬件模块为：射频识别模块，SD卡读写模块，音频采集模块，RS232通信模块，以太网控制模块，液晶显示屏等。而系统主要软件模块包括：基于VerilogHDL的高速语音信号预处理模块，基于NiosII的语音信号匹配识别模块，RFID识别模块，液晶显示控制模块，以太网控制模块，SD卡文件系统控制模块等。系统主要框图（如图7所示）：
图7系统总体结构
2．主要算法流程设计：
高速语音信号处理模块由以下几部分组成：语音端点检测模块，语音特征提取模块。语音端点检测模块主要包括：FIR滤波器的设计，能量的计算，过零率的计算。语音提取模块主要包括：基2的256点FFT模块设计，MEL滤波器组的设计，DCT离散余弦变换模块等。
这部分处理采用VerilogHDL设计，应用流水线和乒乓操作，实现了数据的高速处理。
网络模块通过以太网技术，利用TCP/IP通信协议实现DE2实验板与监控中心的PC机系统终端的网络传输。系统终端利用.NET应用软件实现网络通信GUI接口，以实现上位机与下位机的网络通信，以便管理系统用户数据库。算法主要流程（如图8所示）:
图8算法流程图
本系统基于DE2开发板进行设计,充分利用了DE2板上丰富的资源，系统的TCP/IP网络通信基于DM9000A芯片，语音采集基于WM8731语音编解码芯片，语音的加密数据保存于SD卡，并采用了板上的LCD作人机友好交互。同时系统利用DE2的外扩插槽扩展自己设计的射频识别读卡器和CAN总线接收器。
1．我们采用NiosII搭配自己设计的外设逻辑进行语音识别及RFID的多重安防门禁监控系统的设计和开发，利用FPGA的并行优势，控制系统全部集成于一片FPGA实现。这与使用MCU方案相比，系统更加小型化，集成度高、运行速度更快。除此之外，本系统设计减少了物理连接和节约了PCB面积，这样不仅降低了功耗，还增强了系统的稳定性。
2．由于我们的系统需要进行大量的数据运算，仅使用CPU进行软件计算远远无法满足速度的要求，因此我们采用VerilogHDL设计了语音识别的处理模块，本模块充分利用了CycloneII芯片中的丰富的乘法器资源，并且在设计的过程中采用合理的流水线设计和乒乓操作，其运行处理速度完全优于现在流行的DSP处理平台。
3．我们把语音识别和无线电识别巧妙的结合在一起共同实现安全系统的防范技术，这是市场上正刚刚兴起的新型技术的结合应用，使得社会价值和市场效益将会有很大的发展空间，也是本系统设计的最大亮点，非常具有社会效益和经济价值。
4．我们充分利用了DE2板上丰富的接口资源，例如网络接口，音频接口，SD卡接口，串口，外部扩展接口等，这样解决了独立外设带来的接线复杂与互相干扰等问题，有利于我们针对性地基于FPGA设计功能强大的系统。
另外，在此次比赛过程中，我们了解到团队合作的重要性，正是因为我们在设计过程中的分工合作，每个人都负责自己熟悉的部分，并及时交流沟通，使得我们收到了事半功倍的效果，最后顺利完成了预期的整个系统。