UML在指紋門禁系統(tǒng)開發(fā)中的應用

　嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)是一個軟硬件協(xié)同設(shè)計過程，它需要不同技術(shù)背景的人共同開發(fā)．而傳統(tǒng)的嵌入式軟件分析與設(shè)計方法嚴重脫節(jié)，開發(fā)過程沒有—個確定的統(tǒng)一的標準，這使得產(chǎn)品形成的每一個過程人為因素影響嚴重．此外，分析設(shè)計的結(jié)果不能在開發(fā)類似項目或產(chǎn)品時重用．以上幾個問題成為多年來制約嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的主要瓶頸，使得大部分嵌入式軟件的開發(fā)工作變得十分困難甚至無法進行．

　　作為面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)的標準，UML適合于將復雜的系統(tǒng)設(shè)計問題簡單化．它采用面向?qū)ο髨D形的方式對系統(tǒng)進行描述，支持從分析、設(shè)計到建模的全過程．按照UML規(guī)范，使用CASE工具Rational Rose對嵌入式系統(tǒng)建模，不僅可以使系統(tǒng)分析設(shè)計實現(xiàn)標準化，而且將UML分析建模的構(gòu)建方法和相應的集成和測試策略結(jié)合在一起，完全可以實現(xiàn)系統(tǒng)分析、設(shè)計和制作、測試分別由不同的項目成員在統(tǒng)一、一貫的方式下完成，這將會使高質(zhì)量的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)變得更為容易．

　　1 指紋門禁系統(tǒng)需求分析

　　目前，將指紋識別技術(shù)應用到各種需要身份驗證的系統(tǒng)或者嵌入到原有的大量保安系統(tǒng)，會大大提高系統(tǒng)的安全性和便捷性．本文中，設(shè)計了一個嵌入式指紋門禁系統(tǒng)，它使用指紋識別技術(shù)來驗證用戶身份，并提供了一套完整的軟硬件來實現(xiàn)門禁系統(tǒng)的日常管理．主要包括：用戶信息注冊、刪除、查詢、指紋比對、門禁控制和監(jiān)視以及日志管理等．

　　針對嵌入式指紋門禁系統(tǒng)的復雜性，在本系統(tǒng)的開發(fā)中，按照UML規(guī)范，采用基于UML的嵌入式軟件分析與建模方法，使用CASE工具 Rational R0 繪制了各種模型圖，從不同的層次和角度為系統(tǒng)的分析、設(shè)計、驗證以及實現(xiàn)過程提供支持，詳細討論了如何使用UML輔助完成整個系統(tǒng)的開發(fā)．

　　1．1 系統(tǒng)功能需求

　　建模過程首先應該從系統(tǒng)中的類開始，為了理解類的結(jié)構(gòu)，需要對系統(tǒng)及其工作過程做一個總體陳述．經(jīng)分析，該系統(tǒng)包含一個電動門、一個指紋傳感器、一個微處理器、一個存儲指紋庫的存儲系統(tǒng)、一個數(shù)字鍵盤、一個十字型按鍵、一個液晶顯示屏、一個電動門以及兩個狀態(tài)燈．系統(tǒng)從指紋傳感器中獲取指紋數(shù)據(jù)，并在微處理器中進行預處理和特征提取，獲取指紋的生物代碼信息，并與指紋庫中注冊用戶的指紋模板進行匹配算法的驗證，并輸出結(jié)果，通過狀態(tài)燈顯示，同時根據(jù)匹配結(jié)果發(fā)送控制信號控制門的開關(guān)．通過對系統(tǒng)及類做進一步分析可得到系統(tǒng)總的類圖如圖1所示．通過這幅圖我們可以得知系統(tǒng)中所包含的基礎(chǔ)類及其相互之間的關(guān)系，為后文動態(tài)模型的建立奠定了基礎(chǔ)．

　　圖1 指紋門禁系統(tǒng)類圖

　　1．2 用例說明

　　通過對系統(tǒng)的需求分析，我們確定了該系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能．那么如何形象化地描述這些功能，以便使我們更好地與用戶溝通，更準確地了解他們的需求呢?這就要使用UML的用例模型．在UML中，用例可以被描述為參與者與系統(tǒng)之間的一次交互作用．每一個用例都是一種不同的使用系統(tǒng)的方法，都會產(chǎn)生不同的結(jié)果．而角色是與系統(tǒng)交互的對象，它是使用該系統(tǒng)的人或者其它系統(tǒng)．用例圖列出了用戶最想要的功能以及每個功能的描述．經(jīng)分析，本系統(tǒng)的用例圖如圖2所示．

圖2 指紋門禁系統(tǒng)用例圖

　　從圖中我們可以明確地了解到系統(tǒng)的功能需求．該系統(tǒng)主要有兩類用戶：普通用戶和管理員．“啟動系統(tǒng)”用例表明系統(tǒng)初始化時要進行傳感器和微處理器等的自檢．進入正常工作狀態(tài)以后，普通用戶可以通過“身份驗證”用例進行指紋驗證．如果是未注冊用戶則在獲得合法II)的前提條件下，通過“注冊”用例注冊自己的相關(guān)信息．系統(tǒng)提供的“開／關(guān)門”用例則主要是根據(jù)指紋匹配結(jié)果，通過信號線將控制信號傳輸給門的驅(qū)動電動機以此來控制門的開關(guān)．管理員主要負責系統(tǒng)維護，可以使用 “注冊”、“查找”和“刪除”等用例進行信息管理操作．由于在該階段我們對系統(tǒng)還沒有充分理解，同時為了控制用例的數(shù)目，在這里我們只是給出了系統(tǒng)的總體用例模型，在隨后的詳細設(shè)計階段我們可以對這些用例進行進一步的細化以精化系統(tǒng)的需求．

　　2 指紋門禁系統(tǒng)設(shè)計

　　需求分析完成以后，可以依據(jù)分析結(jié)果和所建立的模型圖進一步指導系統(tǒng)的設(shè)計．系統(tǒng)設(shè)計主要包括了用例詳細設(shè)計、類設(shè)計、數(shù)據(jù)模型設(shè)計等．

　　2．1 用例詳細設(shè)計

　　詳細設(shè)計階段需要對系統(tǒng)需求中的每個用例進行詳細的分析，并以一種通用的表示來文檔化，以便使開發(fā)人員更清晰得了解每個用例的具體實現(xiàn)過程 [5]．本文以指紋驗證用例為實例，對該用例進行更進一步的詳細分析，它包含了指紋采集、預處理、圖像增強、細化、二值化處理、特征碼提取、比對、結(jié)果輸出等過程，這些過程都可以通過文檔清晰地表示．我們在描述系統(tǒng)用例時，是從用戶角度出發(fā)的，沒有涉及系統(tǒng)內(nèi)部．通過分析得到滿足系統(tǒng)需求的類之后，便可根據(jù)用例驅(qū)動的思想，通過類之間的交互來實現(xiàn)用例．嵌入式系統(tǒng)一般都要與硬件設(shè)備如傳感器等進行交互，同時還有很強的時間和內(nèi)存空間的約束．交互圖就是用來描述對象間的動態(tài)交互行為的，它一步步地顯示了使用案例的流程．在UML中定義了兩種交互框圖：順序圖和合作圖．這兩種框圖顯示同一信息，但組織方式不同．順序圖按時間排序，依次顯示對象間進行的操作；合作圖則以數(shù)據(jù)流為中心，顯示各個對象間的數(shù)據(jù)交換情況．由于順序圖能更好地說明對象間的交互順序，有利于我們理解系統(tǒng)，所以本文以“指紋驗證”用例的順序圖(見圖3)為例來描述對象之間的交互過程．其它用例都可以采用此種方法來詳細說明，以便我們更清晰地了解系統(tǒng)每個功能(用例)的具體實現(xiàn)過程．

　　圖3 指紋驗證用例順序圖

　　2．2 類設(shè)計

　　UML規(guī)范按照類職責不同將系統(tǒng)設(shè)計類分為邊界類、實體類和控制類．其中實體類是系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)類，也是類設(shè)計的核心部分．按照RUP的思想，采用名詞分析法對系統(tǒng)需求進行分析，便可以得到大部分的實體類．對于指紋門禁系統(tǒng)而言，指紋信息數(shù)據(jù)是系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)，同時，一些相關(guān)的管理信息也是實體類的組成部分，主要有用戶信息、系統(tǒng)13志等等．在這里我們只對系統(tǒng)中兩個主要類進行分析，如下表格1，2所示．

　表1 指紋圖象FingerImage實體類

　　表2 指紋特征Fingerfeature實體類

　　2．3 數(shù)據(jù)庫模型設(shè)計

　　完成實體類的分析與設(shè)計之后，可建立其數(shù)據(jù)庫模型．在本系統(tǒng)中采用Pc機與嵌入式處理器之間的通信來管理相應的數(shù)據(jù)，因此PC機上數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫模型設(shè)計如下圖4所示．數(shù)據(jù)庫表組成包括注冊用戶管理、被鑒定人信息、指紋特征數(shù)據(jù)和日志管理，數(shù)據(jù)庫中表結(jié)構(gòu)字段的描述與上文實體類成員變量的結(jié)構(gòu)是相對應的．例如：注冊用戶信息由RegisterUsers表組織，設(shè)置的字段有：用戶ID、姓名、用戶級別等；指紋圖像數(shù)據(jù)表Fin- gerimage設(shè)置的字段有：圖像名稱、圖像保存路徑、

　　圖像特征數(shù)、圖像寬度、高度等；指紋特征數(shù)據(jù)表FingerFeature設(shè)置的字段有：ID、注冊用戶指紋特征、被鑒定人指紋特征、指紋特征數(shù)等，完全可以滿足系統(tǒng)的需求．圖中其它各表的詳細數(shù)據(jù)項描述可根據(jù)實際的需要來設(shè)計，在此不作過多舉例說明．各個表間的連線表示數(shù)據(jù)表約束，例如： RegisterUs-ers表和Worklog表之間的對應關(guān)系為一個注冊用戶可以對應多條日志記錄．同時，RegisterUsers表的主鍵用戶 ID)是表WoALog的外鍵，圖中其他依賴關(guān)系表示含義相同．

　　3 指紋門禁系統(tǒng)實現(xiàn)與集成測試

　　通過反復迭代上述建模及模型驗證過程，便可建立起整個系統(tǒng)的正確模型．建模工作流完成以后便是系統(tǒng)的實現(xiàn)階段，此階段主要進行下列工作：

　　(1)實現(xiàn)平臺的選擇

　?、儆布脑O(shè)計與實現(xiàn)

　　本系統(tǒng)硬件平臺采用SAMSUNG公司的S3C2410開發(fā)板設(shè)計實現(xiàn)，CPU采用,S3C2410A ARM920T．

　　②系統(tǒng)軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

　　ARM應用軟件的開發(fā)需要交叉編譯環(huán)境，而在Windows平臺下常用的ARM SDT調(diào)試器提供了一個集成開發(fā)環(huán)境]DE，可以在一臺Pc機上完成編輯、編譯、鏈接、下載和調(diào)試等工作．開發(fā)工具安裝之后，可以用ARM Project Manager來生成一個自己的工程，并在ARM Debuggefor Windows下進行調(diào)試．因此，本系統(tǒng)的指紋圖像處理及匹配算法采用VC語言在IDE中實現(xiàn)。在系統(tǒng)編碼中，已成熟的指紋處理算法為系統(tǒng)的設(shè)計奠定了良好的基礎(chǔ)。

　圖4 數(shù)據(jù)庫模型設(shè)計

　　(2)軟件編碼

　　建模的最終目的是為了得到可執(zhí)行的代碼，因此在系統(tǒng)實現(xiàn)中很重要的一部分是軟件編碼．為此，在實現(xiàn)階段，需要選擇某種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言來完成代碼部分的實現(xiàn)．本系統(tǒng)所有軟件代碼我采用vC語言在IDE中實現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server2000．由于本文中系統(tǒng)采用滿足UML規(guī)范的建模工具Rational Rose2003，可以很好地支持正，逆向工程，通過對類和對象的詳細設(shè)計中的規(guī)范說明信息，由代碼生成器可自動生成可執(zhí)行的代碼框架，開發(fā)人員在此基礎(chǔ)上對代碼進行修改大大提高了代碼編輯效率．

　　系統(tǒng)實現(xiàn)之后，在集成測試時可聯(lián)合使用所有的UML框圖認真分析每個構(gòu)件的原理，針對每一個系統(tǒng)功能每一個可能發(fā)生的錯誤寫出相應的測試程序，進行完整而可靠的測試．

　　4 小結(jié)

　　本文詳細介紹了UML軟件分析與建模技術(shù)在— 個嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中的應用，使用Rose建立了該系統(tǒng)的完整模型，通過模型的建立對基于UML的嵌入式軟件開發(fā)方法進行了一些探索和研究．通過該實例的開發(fā)，定性地說明了UML的優(yōu)點以及它對嵌入式軟件開發(fā)所能起到的良好的指導作用．但由于UML過于龐大和復雜，不同建模工具對該語言的側(cè)重方面也有所不同，本文是使用了Rational Rose2003完成了所有模型的設(shè)計，因此，所建模型在抽象層次等方面還存在一定不足，有待于進一步驗證準確性及完整性．在實際開發(fā)中可考慮使用多種建模工具對所建模型進行比較，以精化、細化模型，從中選擇最優(yōu)模型來改進系統(tǒng)設(shè)計方案．此外，在以后的開發(fā)實踐中，開發(fā)環(huán)境應該選擇能夠支持直接的可執(zhí)行的模型生成，并且支持基于實時框架的代碼生成，從而解決嵌入式軟件的可移植性問題．