基于活體指紋識(shí)別與物聯(lián)網(wǎng)的智能安防系統(tǒng)研究

張艷紅，楊明劍，馬 寧，張 勇

(1.新疆維吾爾自治區(qū)科技人才開發(fā)中心，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆維吾爾自治區(qū)科學(xué)器材公司，新疆 烏魯木齊 830011)

0 引言

近年來，全球智能門鎖技術(shù)快速發(fā)展，市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，隨著智能鎖相關(guān)技術(shù)的日益成熟和發(fā)展，人臉識(shí)別、手機(jī)開鎖、虹膜開鎖、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等相繼誕生，智能鎖產(chǎn)品的功能和應(yīng)用將更加豐富多元，也將進(jìn)一步促進(jìn)未來智能鎖與智能家居的同步發(fā)展和高度融合。在功能上，智能鎖除了作為家居安全防范的一部分，還可與人工智能技術(shù)、云技術(shù)相結(jié)合。

目前，智能鎖產(chǎn)品主要涉及的技術(shù)有機(jī)電一體化技術(shù)、生物識(shí)別技術(shù)、云儲(chǔ)存技術(shù)等，基本涵蓋了電子、通信和機(jī)械設(shè)計(jì)與制造行業(yè)最新技術(shù)。在生物識(shí)別技術(shù)中，目前實(shí)現(xiàn)的且最主要應(yīng)用的是指紋識(shí)別，識(shí)別方式有兩類：一類為光學(xué)模塊識(shí)別技術(shù)，是利用成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)指紋的甄別；另一類為半導(dǎo)體識(shí)別，主要利用電子電量差成像來實(shí)現(xiàn)指紋的甄別。目前也有些產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了利用超聲波識(shí)別指紋技術(shù)。但在未來的發(fā)展中，人臉識(shí)別、靜脈識(shí)別、虹膜識(shí)別等技術(shù)都將成為研發(fā)的主流方向。新的無線通信技術(shù)，如低功耗廣域網(wǎng)LPWAN 等也將在智能鎖領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，通過這些技術(shù)將顯著提高智能鎖各方面的性能，同時(shí)還可以降低智能鎖的生產(chǎn)成本。

傳統(tǒng)的門鎖和防盜柵欄等簡單防護(hù)設(shè)施既破壞辦公環(huán)境的整體形象，又不能安全有效地阻止犯罪分子的“作弊”而入。同時(shí)緊鎖的門鎖在發(fā)生火災(zāi)、地震等緊急情況時(shí)，難以開門處置。為解決防護(hù)設(shè)施的安全問題，采用一種活體指紋檢測(cè)裝置，對(duì)進(jìn)入辦公場(chǎng)所的人員進(jìn)行指紋認(rèn)證，大大提高了安防系統(tǒng)的識(shí)別準(zhǔn)確度，防破解作弊能力強(qiáng)，可以避免一般的作弊方式。當(dāng)系統(tǒng)采用TCP/IP 技術(shù)加密通道接入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，一旦有人員進(jìn)入還會(huì)遠(yuǎn)程通知管理員或用戶本人，及時(shí)提醒用戶知情，更加安全。

1 指紋的特征

指紋是手指前端一節(jié)正面皮膚的乳突線花紋。它有以下特征：人各不同，指指相異；特征穩(wěn)定，終生不變；紋理特征，可供分類；布滿汗液，立體留痕。

活體指紋識(shí)別擁有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是比較明顯的，主要有以下特征。①識(shí)別準(zhǔn)確。活體指紋識(shí)別更加精準(zhǔn)，高安全性是主要特點(diǎn)。②反應(yīng)靈敏?；铙w指紋識(shí)別在反應(yīng)速度上更加靈敏快捷，適應(yīng)多種環(huán)境。③防破解作弊能力強(qiáng)。可以避免一般的作弊方式，比如指紋照片圖像等。

活體指紋檢測(cè)裝置對(duì)當(dāng)前智能安防系統(tǒng)起到了補(bǔ)充和提高檢測(cè)精準(zhǔn)度的作用。同時(shí)，智能物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)還可以將異常進(jìn)入辦公場(chǎng)所的人員進(jìn)行記錄和統(tǒng)計(jì)，以便發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)能夠得到及時(shí)有效地處置。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

活體指紋辨識(shí)用門禁系統(tǒng)是指紋技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)分支。主要由電子門鎖和活體指紋識(shí)別器兩大部分組成。電子門鎖用于對(duì)物理通道的控制，活體指紋識(shí)別器用于活體指紋的錄入和辨識(shí)。

活體指紋檢測(cè)裝置包括：生物電容感應(yīng)片、微控制單元以及按照預(yù)定光路設(shè)置的采集棱鏡、可調(diào)濾光片、成像透鏡、圖像傳感器和多個(gè)LED，且各所述LED 的波長相異。其中，生物電容感應(yīng)片與微控制單元電連接，用于觸發(fā)微控制單元控制圖像傳感器、可調(diào)濾光片和各LED 得電啟動(dòng)；微控制單元與可調(diào)濾光片、圖像傳感器和各LED 均電連接，用于根據(jù)預(yù)設(shè)順序調(diào)節(jié)可調(diào)濾光片的可透過光線波長。這種活體指紋檢測(cè)裝置在光路中設(shè)置可調(diào)濾光片，并通過微控制單元控制時(shí)序調(diào)節(jié)可調(diào)濾光片可透過波長，以便僅通過一組成像透鏡和一個(gè)圖像傳感器即可得到不同波長LED下采集的圖像，光路簡單且體積小巧。活體指紋檢測(cè)裝置示意圖如圖1所示。

1—采集棱鏡；1a—采集面；1b—生物電容感應(yīng)片設(shè)置面；1i—入射面；1o—出射面；2—可調(diào)濾光片；3—成像透鏡；4—圖像傳感器；5—LED；6—生物電容感應(yīng)片；7—微控制單元。

活體指紋檢測(cè)裝置的工作原理為：當(dāng)活體的手指指紋觸摸采集棱鏡的采集面時(shí)，生物電容感應(yīng)片用于通過檢測(cè)接觸采集棱鏡采集面的活體產(chǎn)生的電容變化，來觸發(fā)微控制單元控制各成像模組的LED和圖像傳感器得電啟動(dòng)。由于各成像模組的LED波長相異，各圖像傳感器傳輸至微控制單元的實(shí)際圖像將會(huì)各不相同。微控制單元還預(yù)設(shè)有各LED波長下采集活體圖像的比對(duì)圖像。

活體指紋檢測(cè)裝置包括波長相異的4個(gè)LED燈，眾所周知，中心波段不同的LED燈發(fā)出的光線顏色不同，這4個(gè)LED燈分別為：藍(lán)光LED燈(波長λ=420～470 nm)；綠光LED燈(波長λ=500～570 nm)；紅光LED燈(波長λ=630～780 nm)；紅外光 LED燈(波長λ=780～1100 nm)。當(dāng)然，LED的數(shù)量并不僅限于4個(gè)，技術(shù)人員可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置LED數(shù)量。

當(dāng)LED發(fā)出的光線通過入射面進(jìn)入采集棱鏡到達(dá)采集面時(shí)，若采集棱鏡的采集面沒有被手指遮擋，光線從采集面射出；若采集棱鏡的采集面被手指遮擋，光線則經(jīng)過手指指紋的反射從出射面射出，射出后光線再射入可調(diào)濾光片。

可調(diào)濾光片是一種在較寬的波段范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)可透過波長的光學(xué)儀器?？烧{(diào)濾光片可以為液晶可調(diào)濾光片，液晶可調(diào)濾光片是利用液晶電控雙折射效應(yīng)在很寬的波段范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)可透過波長的液晶組件。

當(dāng)可調(diào)濾光片位于第一濾光位置時(shí)，可調(diào)濾光片濾去其他波長的光線，可調(diào)濾光片僅允許波長λ為420～470 nm的藍(lán)光LED燈透過；調(diào)節(jié)至第二濾光位置時(shí)，可調(diào)濾光片僅允許波長λ為500～570 nm的綠光LED燈透過；調(diào)節(jié)至第三濾光位置時(shí)，可調(diào)濾光片僅允許波長λ為630～780 nm的紅光LED燈透過；調(diào)節(jié)至第四濾光位置時(shí)，可調(diào)濾光片僅允許波長λ為780～1 100 nm的紅外光LED燈透過。

經(jīng)可調(diào)濾光片過濾處理后，特定波長光線射入成像透鏡匯聚成像，然后傳輸至圖像傳感器內(nèi)。

當(dāng)手指觸摸采集棱鏡的采集面時(shí)，微控制單元檢測(cè)到生物電容感應(yīng)片電容變化，微控制單元觸發(fā)可調(diào)濾光片、圖像傳感器和各LED 啟動(dòng)，即各LED 得電發(fā)光，可調(diào)濾光片根據(jù)預(yù)設(shè)順序選擇可透過波長，圖像傳感器獲取經(jīng)成像透鏡匯聚的實(shí)際圖像并傳輸至微控制單元，微控制單元比對(duì)圖像傳感器傳輸?shù)母鱈ED的實(shí)際圖像與對(duì)應(yīng)的比對(duì)圖像并輸出比對(duì)結(jié)果，微控制單元比對(duì)各實(shí)際圖像與對(duì)應(yīng)的比對(duì)圖像信息并判斷兩者是否匹配。若是，則確定檢測(cè)結(jié)果為真人；若不是，則確定檢測(cè)結(jié)果為不是真人。

3 智能安防系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)

智能安防系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)通信方式支持NB-IoT(窄帶物聯(lián)網(wǎng))、Sub-1G 無線、RS485有線、藍(lán)牙等多種主流組網(wǎng)方式，即可單一組網(wǎng)，也支持復(fù)合組網(wǎng)增加備用通信通道，極大提高了系統(tǒng)的健壯性，采用銀行級(jí)別的加密技術(shù)，低功耗且安全度高，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)，保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定暢通。

辦公智能門鎖支持刷卡開門、密碼開門、指紋開門、人臉識(shí)別開門、藍(lán)牙開門、二維碼開門、遠(yuǎn)程授權(quán)開門、機(jī)械應(yīng)急鑰匙開門等多種開門方式。領(lǐng)導(dǎo)及財(cái)務(wù)等高權(quán)限辦公室，若負(fù)責(zé)人不在，有他人臨時(shí)進(jìn)入需打開門鎖，可以使用遠(yuǎn)程授權(quán)通過手機(jī)app直接做到遠(yuǎn)程臨時(shí)開鎖。該開門方式智能區(qū)分外來人員身份屬性，將無關(guān)人員拒之門外，減少不必要的麻煩。當(dāng)門鎖打開后，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)如果無人開門進(jìn)入，則會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，且臨時(shí)授權(quán)只能開鎖一次，超時(shí)則授權(quán)自動(dòng)取消。

指紋開門方式支持一個(gè)人錄入多個(gè)指紋；與一卡通系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無縫無損對(duì)接，真正實(shí)現(xiàn)了一卡通用。

智慧物聯(lián)管理平臺(tái)無需安裝，Web 端登錄即可操作和遠(yuǎn)程維護(hù)，平臺(tái)能夠顯示每一把門鎖的工作狀態(tài)，例如通信是否正常、是否關(guān)門、是否鎖門，實(shí)時(shí)采集每一把門鎖的開門數(shù)據(jù)，如果有異常情況發(fā)生，平臺(tái)也會(huì)預(yù)警顯示。其中，企業(yè)會(huì)議室安裝辦公智能門鎖，各部門可通過后臺(tái)提前預(yù)約使用會(huì)議室，不再出現(xiàn)多部門同時(shí)征用會(huì)議室，根據(jù)參會(huì)人數(shù)多少選擇相應(yīng)規(guī)模的會(huì)議室，實(shí)現(xiàn)會(huì)議室利用效率最大化。

平臺(tái)支持管理員手工錄入、電子文檔批量導(dǎo)入新員工資料兩種方式，支持快速人員查找功能，滿足按部門、姓名、拼音及各種組合查找，平臺(tái)采用多級(jí)樹形部門管理方式，做到權(quán)限分工明確。當(dāng)有員工離職時(shí)，管理員在后天一鍵注銷其開門權(quán)限，公司與離職員工即可劃清界限。

此外，平臺(tái)也具備建筑管理、設(shè)備管理、管理員及用戶角色管理、賬戶管理，電池電量及消耗查詢、指令查詢、異動(dòng)查詢、授權(quán)未下發(fā)查詢等實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)查詢等功能，真正地構(gòu)筑企業(yè)智慧安防第一道防線，開啟智慧化管理新篇章。

4 結(jié)語

在安防大數(shù)據(jù)時(shí)代下，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集分析更加智能高效，安防系統(tǒng)從自動(dòng)化逐步實(shí)現(xiàn)智能化?；诨铙w指紋識(shí)別與物聯(lián)網(wǎng)的智能安防系統(tǒng)時(shí)代開啟，不僅對(duì)當(dāng)前智能安防系統(tǒng)起到了補(bǔ)充和提高檢測(cè)精準(zhǔn)度的作用，還將異常進(jìn)入辦公場(chǎng)所的人員進(jìn)行記錄和統(tǒng)計(jì)，以便發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)能夠得到及時(shí)有效地處置。