讓我們在樹莓派單板計(jì)算機(jī)上解鎖生物識(shí)別控制功能吧！生物識(shí)別技術(shù)利用每個(gè)人獨(dú)有的、不易復(fù)制的生理或行為特征進(jìn)行身份驗(yàn)證。地球上每個(gè)人的指紋都是獨(dú)一無二的，讓我們一起來探索指紋的奇妙用途吧！本文將介紹如何以最快的方式將指紋掃描儀直接安裝到樹莓派單板計(jì)算機(jī)上，并進(jìn)行編程和使用。本指南將幫助您快速在任何項(xiàng)目中添加指紋檢測、采集和驗(yàn)證功能。

下圖是今天我們將使用的指紋掃描儀，它連接到了樹莓派4 Model B上，右側(cè)則是掃描儀在3D打印壁掛式外殼中搜索指紋的情景。我們今天要探索的這款特定掃描儀是Adafruit光學(xué)指紋傳感器，它配備了插座頭電纜和電子元件。

其中一個(gè)組件是DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）芯片，它負(fù)責(zé)該模塊的所有渲染、計(jì)算、指紋特征查找和搜索工作。這款DSP芯片能夠在板載閃存中存儲(chǔ)300個(gè)獨(dú)特指紋。這意味著，即使系統(tǒng)斷電，硬件仍會(huì)記住所有已注冊的指紋。

任何連接的微控制器（如Arduino Uno）或微處理器（如樹莓派4 Model B）都可以通過TTL（UART）串行通信與其進(jìn)行交互。發(fā)送的數(shù)據(jù)可以啟動(dòng)新指紋的注冊過程、創(chuàng)建所采集指紋的數(shù)字圖像或報(bào)告檢測到的指紋。這意味著您可以使用指紋來控制與GPIO連接的硬件。GPIO（通用輸入輸出）引腳可用于控制幾乎無限數(shù)量的傳感器和機(jī)制，如用于解鎖門的電磁閥、照亮您一天的LED燈或項(xiàng)目所需的任何組件。以下是我的《用樹莓派單板計(jì)算機(jī)控制12V電磁閥》的指南，該電磁閥可輕松由Adafruit指紋掃描儀觸發(fā)。

本指南將演示如何注冊新指紋以及如何使用指紋控制GPIO連接的硬件。此外，還將展示如何拍攝指紋的數(shù)字圖像。本指南的內(nèi)容如下：

所需材料

硬件組裝

軟件設(shè)置

運(yùn)行主指紋腳本

使用已知指紋腳本激活GPIO

后續(xù)步驟（創(chuàng)建掃描指紋的數(shù)字圖像）

下載資源

此處創(chuàng)建的系統(tǒng)是一種生物識(shí)別認(rèn)證形式。指紋認(rèn)證會(huì)自動(dòng)將用戶的指紋與存儲(chǔ)的指紋模板進(jìn)行比較，以驗(yàn)證用戶身份。目前主要有三種指紋識(shí)別器：光學(xué)、超聲波和電容式。光學(xué)指紋傳感器是傳統(tǒng)方法，也是本指南中使用的方法。它依靠類似攝像頭的設(shè)備拍攝放置在固定距離玻璃層上的指紋圖像。為了增強(qiáng)安全性，一些光學(xué)傳感器還配備了額外組件或運(yùn)行簡單的人工智能算法，以確認(rèn)放置在讀取器上的是活體手指。電容式指紋傳感器常見于手機(jī)解鎖。電容式傳感器有兩種類型：被動(dòng)掃描，指紋上的凸起脊線構(gòu)成電容器的另一極板；或主動(dòng)掃描，傳感器具有兩個(gè)極板，指紋脊線會(huì)改變預(yù)期的電容。這些傳感器需要特殊構(gòu)造，以確保高壓靜電不會(huì)損壞傳感電子元件。超聲波指紋傳感器是最新的指紋識(shí)別方法，僅在少數(shù)高端應(yīng)用中出現(xiàn)。它們使用超聲波來感知指紋的更深真皮層。這意味著，臟污或劃傷的手指不會(huì)影響正確的指紋識(shí)別。

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所需材料

以下是設(shè)置樹莓派以使用光學(xué)指紋掃描儀所需的所有材料：

樹莓派掌上計(jì)算機(jī)（我使用的是樹莓派4 Model B 2GB，但使用較低配置的樹莓派，如樹莓派Zero 2，也能完美完成）

Adafruit指紋掃描儀

刷有樹莓派操作系統(tǒng)的Micro-SD卡

用于將系統(tǒng)連接到顯示器的Micro-HDMI轉(zhuǎn)HDMI線

電源

鼠標(biāo)和鍵盤

硬件組裝

第一步是小心地將提供的電線與掃描儀上的8針1毫米間距連接器對(duì)齊并連接，如下圖所示。請(qǐng)注意，不要接反。另外請(qǐng)注意，母連接器側(cè)與板子不完全平行，且較為脆弱。為防止損壞，請(qǐng)僅握住連接器部分，輕輕而穩(wěn)固地將這兩部分推在一起。連接后，電線不易脫落。

然后，我們將把從掃描儀引出的四根電線連接到樹莓派單板計(jì)算機(jī)上，連接方式與下圖完全相同。如果需要，請(qǐng)右鍵點(diǎn)擊圖片并在新標(biāo)簽頁中打開，以便輕松放大圖片。有四根電線從指紋掃描儀中引出，它們將不與任何東西連接。紅線為3.3V電源，應(yīng)連接到樹莓派的3.3V電源引腳上。白線連接到樹莓派的TX GPIO 14引腳。黃線連接到樹莓派的RX GPIO 15引腳。黑線為接地線，應(yīng)連接到樹莓派的接地引腳上。如果將此指紋掃描儀連接到5V電源，它將會(huì)損壞，因此在啟動(dòng)系統(tǒng)前，請(qǐng)務(wù)必再次檢查是否已將電源連接到3.3V引腳上。

完成上述步驟后，插入刷有樹莓派操作系統(tǒng)的Micro-SD卡，并將其作為臺(tái)式計(jì)算機(jī)使用。添加鼠標(biāo)、鍵盤和HDMI顯示器。然后，通過插入USB-C電源來啟動(dòng)樹莓派系統(tǒng)。一旦啟動(dòng)，指紋掃描儀將立即亮起。請(qǐng)參見下圖，其中展示了所有這些部件以及鼠標(biāo)和鍵盤的連接情況。

至此，硬件組裝完成！

軟件設(shè)置

在全新的樹莓派操作系統(tǒng)版本上，需要安裝一些軟件包并更改設(shè)置。這將使指紋掃描儀與樹莓派之間能夠進(jìn)行正確通信。將電源接入系統(tǒng)并完成（新的）首次啟動(dòng)向?qū)Ш?，您將看到樹莓派桌面。如果您在此階段需要額外幫助，請(qǐng)點(diǎn)擊此處查看相關(guān)指南。

第一步是開啟串口連接功能，這將使樹莓派單板計(jì)算機(jī)能夠通過TTL UART串行通信與指紋掃描儀進(jìn)行通信。默認(rèn)情況下，在樹莓派操作系統(tǒng)上，此通信方法是關(guān)閉的。要開啟此功能，請(qǐng)打開樹莓派配置菜單（通過左上角菜單并滾動(dòng)到首選項(xiàng)找到），然后在接口選項(xiàng)卡下啟用串口連接。在此處，請(qǐng)確保串行控制臺(tái)已關(guān)閉。請(qǐng)參見下圖中的操作。

現(xiàn)在，系統(tǒng)已重新啟動(dòng)并連接到互聯(lián)網(wǎng)，請(qǐng)通過點(diǎn)擊屏幕左上角的黑色按鈕打開一個(gè)新的終端窗口。這將打開一個(gè)終端窗口。請(qǐng)參見下圖中的操作以及指向已點(diǎn)擊的終端按鈕的大紅箭頭。

這個(gè)終端窗口將使我們能夠從互聯(lián)網(wǎng)上下載所需的軟件包?，F(xiàn)在，在終端中輸入以下命令并按回車鍵，以獲取所需的所有軟件包。如果提示繼續(xù)/確認(rèn)安裝，請(qǐng)輸入Y并按回車鍵。請(qǐng)參見下文中的一個(gè)命令下載并請(qǐng)求確認(rèn)的圖像。

sudo pip3 install adafruit-circuitpython-fingerprint pyfingerprintgitclonehttps://github.com/adafruit/Adafruit_CircuitPython_Fingerprint.gitgitclonehttps://github.com/bastianraschke/pyfingerprint.git

完成后，我們就已完全設(shè)置好樹莓派單板計(jì)算機(jī)，以使其與指紋掃描儀配合使用。

運(yùn)行主指紋腳本

如果您已按照上述軟件部分的操作進(jìn)行，那么我們要運(yùn)行的Python腳本應(yīng)該已經(jīng)在系統(tǒng)上了。我們要運(yùn)行的特定腳本名為fingerprint_simpletest_rpi.py。請(qǐng)參見下圖中的腳本目錄位置/home/pi/Adafruit_CircuitPython_Fingerprint/examples，以及該文件被右鍵點(diǎn)擊并在Thonny IDE中打開的情況。請(qǐng)按照相同步驟操作，以便在Thonny IDE中打開此腳本。

現(xiàn)在，我們需要對(duì)fingerprint_simpletest_rpi.py Python腳本進(jìn)行輕微調(diào)整，以便其能夠與我們的設(shè)置配合使用。通過在行首添加#符號(hào)來注釋掉第14行。通過刪除#符號(hào)來取消注釋第17行。確保在完成此操作后保存腳本。請(qǐng)參見下圖中的操作。

完成上述步驟后，我們現(xiàn)在可以點(diǎn)擊大大的綠色運(yùn)行按鈕了！這將向shell輸出一些信息，并提供幾個(gè)選項(xiàng)。讓我們將手指注冊到系統(tǒng)中。為此，請(qǐng)輸入e并按回車鍵。然后，輸入1并按回車鍵，以將此指紋索引為第一個(gè)。每個(gè)指紋都將有一個(gè)與之關(guān)聯(lián)的索引號(hào)，您可以擁有300個(gè)索引指紋。請(qǐng)參見下文中的操作。

按下回車鍵后，它將引導(dǎo)您完成一個(gè)基于文本的向?qū)?，以添加新手指。?dāng)掃描儀亮起時(shí)，您需要將手指按在掃描儀上兩次。按照文本提示操作，您的第一個(gè)指紋將在10秒內(nèi)注冊完成。

然后，我們可以通過測試系統(tǒng)來檢查它是否已正確注冊。在此階段，請(qǐng)輸入f并按回車鍵。然后，將同一根手指放在掃描儀上。確認(rèn)shell輸出的信息與我的相似，如下圖所示。如果是這樣，您就已成功注冊了手指，并成功識(shí)別了您的指紋！太棒了！它甚至提供了一個(gè)0到255的置信度值。在我的情況下，我得到了183的置信度分?jǐn)?shù)。僅當(dāng)您的項(xiàng)目需要更高安全性時(shí)，才應(yīng)將置信度分?jǐn)?shù)納入考慮。如果掃描儀確認(rèn)檢測到指紋，您可以對(duì)此充滿信心。

使用已知指紋腳本激活GPIO

現(xiàn)在，讓我們使用指紋來控制一些GPIO。我使用面包板將一個(gè)LED和電阻串聯(lián)連接到樹莓派單板計(jì)算機(jī)的GPIO21和接地引腳上。這里的目標(biāo)是根據(jù)我們正確識(shí)別的指紋來點(diǎn)亮LED。GPIO是連接外部世界的門戶，這個(gè)LED只是代表您想要連接的任何硬件的占位符。

腳本名為LED-Fingerprint-Control.py。您可以從下面復(fù)制并粘貼它，或者從頁面底部的zip文件中下載本指南中提到的所有腳本。以前面的相同方式在Thonny IDE中打開它。

#!/usr/bin/env python# -*- coding: utf-8 -*-"""PyFingerprintOriginally a Bastian Raschke ExampleModified by Tim for GPIO LED Control"""importhashlibfrompyfingerprint.pyfingerprintimportPyFingerprintfrompyfingerprint.pyfingerprintimportFINGERPRINT_CHARBUFFER1#LED is attached to the GPIO numbered belowPin =21#Import Time, and set up the GPIO, stop warnings, and activate the LED GPIO as an output (defaults to LOW Voltage)importtimeimportRPi.GPIOasGPIOGPIO.setmode(GPIO.BCM)GPIO.setwarnings(False)GPIO.setup(Pin, GPIO.OUT)## Search for a finger#### Tries to initialize the sensortry: f = PyFingerprint('/dev/ttyS0',57600,0xFFFFFFFF,0x00000000) if( f.verifyPassword() ==False): raiseValueError('The given fingerprint sensor password is wrong!')exceptExceptionase: print('The fingerprint sensor could not be initialized!') print('Exception message: '+str(e)) exit(1)## Gets some sensor informationprint('Currently used templates: '+str(f.getTemplateCount()) +'/'+str(f.getStorageCapacity()))## Tries to search the finger and calculate hashtry: print('Waiting for finger...') ## Wait that finger is read while( f.readImage() ==False): pass ## Converts read image to characteristics and stores it in charbuffer 1 f.convertImage(FINGERPRINT_CHARBUFFER1) ## Searchs template result = f.searchTemplate() positionNumber = result[0] accuracyScore = result[1] if( positionNumber == -1): print('No match found!') exit(0) #This Else statement is only reached when an Index Finger is Detected else: print('Found template at position #'+str(positionNumber)) print('The accuracy score is: '+str(accuracyScore))#Because we have reached this else statement we had detected an enrolled finger#This means we can now toggle the LED. This is done with the three lines below. GPIO.output(Pin, GPIO.HIGH) time.sleep(1) GPIO.output(Pin, GPIO.LOW) ## OPTIONAL stuff ## ## Loads the found template to charbuffer 1 f.loadTemplate(positionNumber, FINGERPRINT_CHARBUFFER1) ## Downloads the characteristics of template loaded in charbuffer 1 characterics =str(f.downloadCharacteristics(FINGERPRINT_CHARBUFFER1)).encode('utf-8') ## Hashes characteristics of template print('SHA-2 hash of template: '+ hashlib.sha256(characterics).hexdigest())exceptExceptionase: print('Operation failed!') print('Exception message: '+str(e)) exit(1)

在Thonny IDE中打開腳本后，您應(yīng)該就可以開始操作了。如果遇到錯(cuò)誤，請(qǐng)仔細(xì)檢查腳本中任何出現(xiàn)/dev的地方是否都類似于/dev/ttyS0。這將定位到正確的通信串口。指紋掃描儀的燈將亮起，現(xiàn)在您可以將手指放在指紋掃描儀上了。一旦您這樣做，它將嘗試識(shí)別您的指紋，如果識(shí)別出已索引的指紋，它將點(diǎn)亮LED一秒。請(qǐng)參見下圖中的操作。

現(xiàn)在，這不僅僅是一個(gè)LED，它可以很容易地變成一個(gè)用于解鎖門或大門的電磁閥，一旦接收到正確的指紋，電磁閥就會(huì)打開。這只是兩個(gè)想法，您可以將這個(gè)概念帶到任何您想象的地方！以您的生物識(shí)別技術(shù)為控制杠桿。

后續(xù)步驟（創(chuàng)建掃描指紋的數(shù)字圖像）

我真的很想看看通過指紋掃描儀看到的我的指紋圖像是什么樣的。腳本example_downloadimage.py可以在本文底部的可下載zip文件中找到，或者在下圖下方完整寫出。每當(dāng)您運(yùn)行此腳本（使用Thonny IDE，與以前相同）并將手指按在掃描儀上時(shí)，它將導(dǎo)出一個(gè)BMP格式的指紋圖像。這大約需要10秒鐘的時(shí)間。請(qǐng)參見下面（為安全起見已修改）的我的指紋圖像！

#!/usr/bin/env python# -*- coding: utf-8 -*-#PyFingerprint##Copyright (C) 2015 Bastian Raschke#All rights reserved.importtempfilefrompyfingerprint.pyfingerprintimportPyFingerprint## Reads image and download it#### Tries to initialize the sensortry: f = PyFingerprint('/dev/ttyS0',57600,0xFFFFFFFF,0x00000000) if( f.verifyPassword() ==False): raiseValueError('The given fingerprint sensor password is wrong!')exceptExceptionase: print('The fingerprint sensor could not be initialized!') print('Exception message: '+str(e)) exit(1)## Gets some sensor informationprint('Currently used templates: '+str(f.getTemplateCount()) +'/'+str(f.getStorageCapacity()))## Tries to read image and download ittry: print('Waiting for finger...') ## Wait that finger is read while( f.readImage() ==False): pass print('Downloading image (this take a while)...') imageDestination = tempfile.gettempdir() +'/fingerprint.bmp' f.downloadImage(imageDestination) print('The image was saved to "'+ imageDestination +'".')exceptExceptionase: print('Operation failed!') print('Exception message: '+str(e)) exit(1)

非常感謝Bastian Raschke提供此腳本，要查看他的更多作品，請(qǐng)點(diǎn)擊此處查看他的GitHub頁面。

https://github.com/bastianraschke

掌握了這項(xiàng)技術(shù)，您很快就能收集到所有朋友的指紋了。因此，如果您有一天醒來，感覺每個(gè)人都被一個(gè)長得一模一樣的雙胞胎替換了，您可以使用指紋數(shù)據(jù)來證實(shí)或反駁這一假設(shè)。畢竟，同卵雙胞胎的指紋并不匹配。

原文地址：

https://core-electronics.com.au/guides/raspberry-pi/fingerprint-scanner-raspberry-pi/