VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Конструирование биометрических систем на примере биометрического замка
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Испокон веков, охрана личных данных, переписки, жилья, считались в обществе очень важной задачей. Очень часто раскрытие каких-либо секретов приводили к настоящей трагедии, как для одного человека, так и порой, для целого общества или народа. Для хранения личных секретов были изобретены первые охранные устройства – замки. Самые первые замки появились в Древнем Египте. Это были стационарные устройства, встроенные в двери или сундуки. Они устанавливались с внутренней стороны двери, и чтобы открыть их, требовалось просунуть руку с ключом в специальное отверстие и на ощупь открыть засов. Другой вид приспособлений был у греков – там они базировались на прочных узлах, развязать которые под силу было лишь хозяину. Однако как показала история с Гордиевым узлом, который был просто перерублен острым мечом Александра Македонского, такие замки не отличались надежностью. Более серьезно к вопросу изготовления защитных механизмов подошли в Древнем Риме. Именно там появились первые металлические устройства со сложными ключами. Средние века считаются периодом расцвета замочного дела. Ремесленников в этой сфере ценили и уважали, потому что они создавали механизмы, которые можно было назвать произведением искусства. С тех времён, конструкции замков принципиально не претерпели изменений, вплоть до наших дней. Однако, прогресс не стоит на месте и наряду с механическими системами замков, появились их электронные аналоги. Принцип их работы осуществляется без ключа, за счёт набора определённого электронного кода на замке, или с дистанционного пульта. Открыть подобные замки с помощью обычного ключа невозможно, его просто нет. Подобрать код, без специальных электронных устройств, практически невозможно. Благодаря своей надёжности электронные замки получили достаточно широкое распространение в быту, в офисных и рабочих помещениях. Надёжность замков очень высока, но всё-таки подобрать или прочитать код можно, как сказано было выше, с помощью специальных перехватывающих электронных устройств или скоростным перебором кодов, с помощью специальной аппаратуры. Высокая актуальность вопроса охраны личных и служебных данных, подтолкнули учёных к поиску принципиально новых путей их охраны. Одним из перспективных направлений в этой области использование индивидуальных биометрических данных в качестве исходного ключа. Подделать отпечаток пальца, рисунок радужной оболочки глаза абсолютно невозможно – они индивидуальны для каждого человека. Именно по этому пути, в современное время развиваются основные направления охраны информации. Такие системы работают в банкоматах, охраняют доступ в служебные помещения, служат для запуска определённых электронных служб. Можно ли разработать подобную систему в домашних условиях, например для охраны квартиры или запуска личного компьютера? В данной работе мы попытаемся ответить на данный вопрос.
Цель и задачи работы
Целью данной работы является – разработка конструкции электромеханического замка, управляемого биометрическим модулем по отпечатку пальца.
Цель работы предполагала выполнение следующих задач:
- изучение литературных и интернет – источников по вопросам функционирования биометрических систем, их устройства, сфер применения;
- изучить по литературным и интернет источникам основные вопросы технологий разработки биометрических устройств, принципы их действия;
- на основе изученных литературных и интернет – источников разработать собственную модель устройства биометрического запора;
- изготовить собственную конструкцию биометрического замка на основе биометрического модуля, способного идентифицировать отпечаток пальца;
- определить функциональные возможности, изготовленного устройства и сделать вывод о возможных областях применения подобных систем.
Биометрические системы [1-2]
В основе науки об идентификации личности лежат идеи измерения тела человека и его частей. Эти идеи впервые сформулировал французский криминалист Альфонс Бертильон (Приложение лист I, рис. 1) — сотрудник парижской префектуры, занимавшийся регистрацией преступников. В 1879 г. он представил систему идентификации преступников, которая получила название антропометрии и включала в себя: измерение их роста, длины и объема головы, длины рук, пальцев, стоп, а также словесный портрет преступника, фото - портрет в анфас, и в профиль и описание особых примет. В настоящее время, криминалисты всего мира, продолжают использовать эту систему, дополнив ее антропоскопией, дактилоскопией, фотороботами, новыми методами описания особых примет на лице и теле человека и технологиями их реализации. Однако понятие биометрии как отдельной науки было сформулировано десятилетием позже. У истоков ранней биометрии стоял английский исследователь Френсис Гальтон (Приложение лист I, рис. 2). «Термин «Biometrics» — биометрика, появляется в англоязычной литературе, как новая ветвь биометрии, которая охватывает область знаний, представляющую методы измерения персональных физических и поведенческих характеристик человека и методы их использования для целей идентификации или аутентификации.» В отечественной научно - популярной литературе используется и термин «биометрия». Биометрия — это наука, основанная на описании и измерении характеристик тела живых существ. В применении к системам автоматической идентификации под биометрическими понимают те системы и методы, которые основаны на использовании для идентификации или аутентификации каких-либо уникальных характеристик человеческого организма. Областей, где требуется быстрый и надёжный способ аутентификации пользователя очень много, это доступ к персональному компьютеру или смартфону, доступ к электронной почте, банковские операции, открытие дверей и запуск двигателя автомобиля, контроль доступа в помещения. Биометрические данные — это уникальные биологические и физиологические характеристики, которые позволяют установить личность человека. Есть пять самых распространенных типов биометрии: отпечаток пальца, изображение лица, голос, радужная оболочка глаза и рисунок вен ладони и пальца (Приложение лист I, рис. 3). В настоящее время, наибольшее распространение получили три основные системы доступа к чему – либо (фактор аутентификации) (Приложение лист II, рис. 4):
- факторы знания — это то, что пользователь знает и помнит. Например, пароль, PIN-код, ответ на секретный вопрос;
- факторы владения — это то, что у пользователя есть, например, бесконтактная идентификационная карта, сотовый телефон, физический ключ;
- факторы признака — это то, что является частью нас, например, отпечаток пальца, подпись, голос.
Биометрия — это уникальный «ключ», который нельзя потерять и практически невозможно подделать. По степени достоверности и количеству ошибочных отказов можно различать виды биометрических систем:
-идентификационные;
-верификационные.
В первом случае, конкретное лицо представляет свои биометрические характеристики и получает подтверждение или отказ, что позволяет ему пользоваться доступом к определенным действиям или нет. Здесь не создается всеобщая база данных и нет опасности, что кто-то может знать и использовать чужие биометрические данные. В другом случае, система изучает сведения неизвестного объекта и определяет пользователя по базе данных, дает ему определённый доступ к чему - либо. Так работают биометрические средства защиты информации. По списку используемых параметров биометрические системы безопасности можно подразделить на поведенческие (психологические) и биологические (индивидуальные биологические признаки). Подводя итоги вышесказанному, можно определить основное предназначение данных систем для решения следующих задач: идентификация личности; контроль доступа; защита информации.
Идентификация личности по отпечатку пальца [5]
Если посмотреть на подушечки собственных пальцев, можно увидеть линии, образующие замысловатый узор. Эти линии называются папиллярными. Зачем они нужны человеку, однозначного ответа нет. Одни ученые говорят, что линии повышают чувствительность к шероховатостям, другие — что они позволяют крепче хвататься за гладкие предметы. Но нам важно, в данном случае, что у каждого человека этот узор уникален и не меняется с возрастом. Именно этот факт позволил англичанину Уильяму Гершелю в 1877 году придумать дактилоскопию — способ опознания человека по папиллярному узору. Отпечатки пальцев — это жировые следы, которые остаются от наших рук на любых предметах. Эти следы несут информацию о папиллярных узорах подушечек наших пальцев. Технологии идентификации по отпечаткам пальцев вобрали в себя всё лучшее, что присуще биометрии в целом. По отпечатку пальца идентифицируется конкретный человек. Отпечаток пальца нельзя «подглядеть», забыть, вольно или невольно передать другому. Современные сканеры научились устанавливать принадлежность отпечатка пальца живому человеку, и их нельзя обмануть, предъявляя оттиск отпечатка на бумаге, желатине или стекле. Вероятность ошибочной идентификации составляет 0,000000001%, а время, необходимое для сканирования отпечатка, не превышает доли секунды. Огромный шаг в сторону отказа от паролей был сделан благодаря внедрению сканера отпечатков пальцев в смартфон. Популяризировать и широко внедрить ее удалось компании «Apple». В дальнейшем, применение подобных технологий, стали рассматривать некоторые крупные банки, рассматривая возможность перехода на дактилоскопический сканер в качестве способа аутентификации.
Методы сканирования отпечатка пальца [3-4]
Все существующие сканеры отпечатков пальцев можно разделить на три группы: оптические, полупроводниковые и ультразвуковые. К тому же в каждом методе существует несколько способов реализации сканирования. Оптические сканеры — основаны на использовании оптических методов получения изображения. Существует несколько основных способов реализации оптического метода:
- оптический метод на отражение. В данном методе используется эффект нарушенного полного внутреннего отражения (Frusted Total Internal Reflection). Эффект заключается в том, что при падении света на границу раздела двух сред световая энергия делится на две части — одна отражается от границы, другая проникает через границу во вторую среду. Доля отраженной энергии зависит от угла падения светового потока. Начиная с некоторой величины данного угла, вся световая энергия отражается от границы раздела. Это явление называется полным внутренним отражением. В случае контакта более плотной оптической среды (поверхности пальца) с менее плотной в точке полного внутреннего отражения пучок света проходит через эту границу. Таким образом, от границы отразятся лишь пучки света, попавшие в определенные точки полного внутреннего отражения, к которым не был приложен папиллярный узор пальца. Для захвата полученной световой картинки поверхности пальца используется специальный датчик изображения (КМОП или ПЗС, в зависимости от реализации сканера). Подобные сканеры обладают неэффективной защитой от муляжей пальцев и очень чувствительны к внешним загрязнениям (Приложение лист II, рис. 5);
- оптический метод на просвет. Сканеры данного типа представляют собой оптоволоконную матрицу, в которой все волноводы на выходе соединены с фотодатчиками. Чувствительность каждого датчика позволяет фиксировать остаточный свет, проходящий через палец, в точке соприкосновения пальца с поверхностью матрицы. Изображение всего отпечатка формируется по данным, считываемым с каждого фотодатчика. Данный метод обладает высокой надёжностью от обмана, но сложен в реализации (Приложение лист II, рис. 6);
- оптические бесконтактные сканеры. В оптических бесконтактных сканерах (touchless scanners), не требуется непосредственного контакта пальца с поверхностью сканирующего устройства. Палец прикладывается к отверстию в сканере, несколько источников света подсвечивают его снизу с разных сторон, в центре сканера находится линза, через которую, собранная информация проецируется на КМОП-камеру, преобразующую полученные данные в изображение отпечатка пальца (Приложение лист II, рис. 7).
В основе полупроводниковых сканеров лежит использование для получения изображения поверхности пальца свойств полупроводников, изменяющихся в местах контакта гребней папиллярного узора с поверхностью сканера. Емкостные сканеры (Сapacitive Scanners) являются сегодня наиболее распространенными полупроводниковыми устройствами для получения изображения отпечатка пальца. Их работа основана на эффекте изменения емкости p-n-перехода полупроводника при соприкосновении гребня папиллярного узора с элементом полупроводниковой матрицы. Существуют модификации емкостных сканеров, в которых каждый полупроводниковый элемент в матрице выступает в роли одной пластины конденсатора, а палец — в роли другой. При приложении пальца к датчику между каждым чувствительным элементом и выступом-впадиной папиллярного узора образуется емкость, величина которой определяется расстоянием между рельефной поверхностью пальца и элементом. Матрица этих емкостей преобразуется в изображение отпечатка пальца. На данный момент это самые дешёвые и надёжные сканеры. Подобным образом работают полупроводниковые системы сканеров давления и термосканеров (Приложение лист III, рис. 8).
В группе ультразвуковых сканеров пока существует только один метод, который так и называется. Ультразвуковые сканеры (Ultrasonic Scanners) сканируют поверхность пальца ультразвуковыми волнами. Расстояния между источником волн и гребешковыми выступами, и впадинами папиллярного узора измеряются по отраженному от них эху. Качество получаемого изображения в десятки раз лучше, чем у любого другого представленного на биометрическом рынке метода. Кроме того, данный способ практически полностью защищен от муляжей, поскольку позволяет помимо отпечатка папиллярного узора пальца получать информацию и о некоторых других характеристиках, например, о пульсе (Приложение лист III, рис. 9).
Разработка и изготовление электронного биометрического замка, на основе ёмкостного сканера отпечатка пальца
1.Ёмкостный сканер отпечатка пальца [6-7]
Емкостные сканеры отпечатка пальца изготавливают на кремниевой пластине, которая содержит область микроконденсаторов. Они расположены равномерно в квадратной, прямоугольной или круглой матрице. Способы емкостного сканирования основаны на заряде и разряде конденсаторов в зависимости от расстояния до кожи пальца в каждой отдельной точке поля и считывании соответствующего значения (Приложение лист III, рис. 10). Это возможно, поскольку размеры гребней и впадин на коже достаточно велики. Средняя ширина гребня - около 450 мкм. Сравнительно небольшой размер конденсаторных модулей (50 х 50 мкм) позволяет замечать и фиксировать различия емкости даже на близких точках кожи. Рассмотрим принцип работы ёмкостных модулей отпечатка пальцев на примере модуля R301 (в нашем сканирующем устройстве применён модуль R503 – принципиальных отличий между этими модулями нет, они различаются по исполнению корпуса и индикационным элементам) компании «Grow Technology»
Технические характеристики модуля:
- напряжение питания 4,2 – 6 Вольт (работает и при 3,3 В.);
- ток потребления – 40 мА.;
- пиковый ток потребления – 100 мА.;
- интерфейс – UART, USB;
- время сканирования отпечатка пальца – до 0,2 сек.;
- размер шаблона отпечатка – 810 байт;
- коэффициент ложного пропуска FAR (False Acceptance Rate) – менее 0,001 %;
- коэффициент ложного отказа в доступе FRR (False Rejection Rate) – менее 0,1 %;
- время среднего поиска – менее 0,05 сек.;
- диапазон рабочих температур – -10 - +50 0С;
- режимы сравнения – 1:1;
- ёмкость памяти библиотеки отпечатков – 1700 (модуль R503 – 300 отпечатков).
Датчик отпечатков пальцев R301 - R503 предназначен для сканирования отпечатка пальца, его обработки, хранения в собственной памяти библиотеки сохраненных отпечатков пальцев и поиска на совпадение нового отпечатка пальца с библиотекой сохраненных отпечатков пальцев по запросу. Сам модуль состоит из двух основных частей: полупроводниковый емкостный сканер отпечатков с одной стороны модуля и цифровой сигнальный процессор, обрабатывающий данные, получаемые со сканера и выполняющий функции по хранению, обработке и поиску в библиотеке отпечатков пальцев. Сканер отпечатков имеет достаточно низкий профиль, что вписывается в небольшие размеры самого модуля и упрощает процесс встраивания в какую-либо систему. R301 – сканер открытого типа, встраиваемый в любые системы, R503 – располагается в герметичном корпусе и предназначен для установки в двери (Приложение лист IV, рис. 11). Сам модуль состоит из двух основных частей: полупроводниковый емкостной сканер отпечатков с одной стороны модуля и цифровой сигнальный процессор, обрабатывающий данные, получаемые со сканера и выполняющий функции по хранению, обработке и поиску библиотеке отпечатков пальцев. Библиотека отпечатков пальцев хранится во flash - памяти, подключенной по SPI к цифровому сигнальному процессору. Кроме этого, на плате модуля расположены кварцевый резонатор на 24 МГц, стабилизатор напряжения с низким падением напряжения на 3,3 вольта, резисторы, и конденсаторы, необходимые для работы схемы. При работе с внешним микроконтроллером данный модуль не передает никаких данных об отпечатке пальца, кроме данных о результате выполнения операции (прием отпечатка, обработка, поиск на совпадение), что усложняет несанкционированное открытие какого-либо устройства. Информации о самой сканирующей панели производитель не даёт. Способ передачи данных модулю обработки результата – цифровой. 0 – доступ открыт, 1 – доступ закрыт. Для того чтобы подключить модуль R301или 503 к ПК можно использовать контакты USB или переходник USB-UART. При подключении по USB устройство определиться как запоминающее устройство (в роли цифрового сигнального процессора модуля выступает микроконтроллер STM32). Для работы с модулем необходима программа «SFG Demo». В программе можно использовать функции сохранения отпечатка, сравнения, поиска отпечатков среди сохраненных, а также получить изображение отпечатка пальца и сохранить его в виде рисунка (Приложение лист IV, рис. 12). Подключение датчика сканера к микроконтроллеру осуществляется шлейфом (Приложение лист V, рис. 13). Основная задача микроконтроллера — это коды подтверждения, выбор отпечатков из библиотеки, ввод новых отпечатков, коды завершения процесса выбора и запоминания. С процессора подаётся и сигнал исполнительным устройствам, которые работают совместно, в системах защиты. Кнопкой SET осуществляется программирование модуля на сохранение и распознавание новых отпечатков пальцев. В сканере R503 применяется оригинальная система индикации режимов работы, которая осуществляется с помощью RGB – светодиодов. Фиолетовый цвет означает режим ожидания, синий режим доступа, красный – отказ к доступу (Приложение лист VI, рис. 14).
2.Исполнительное устройство, ёмкостного сканера отпечатка пальца
В качестве исполнительного устройства, для использования в системе с биометрическим модулем, был выбран электромеханический замок 5Y0A, применяемый в работе электронномеханических запоров с системами домофонов (Приложение лист VI - VII, рис. 15 - 16). Замок электромагнитного типа, имеет внутреннюю герконовую блокировку (срабатывание только при закрытой двери). В разрабатываемой системе, можно было применить любую электромагнитную нагрузку, например реле для управления включением компьютера, телевизора и других подобных устройств, но замок нагляднее демонстрирует работу системы. Схема подключения электромагнитной нагрузки к системе ёмкостного сканера отпечатка пальца, приведена в приложении (Лист VII, рис. 17).
3.Изготовление действующей модели электромагнитного замка с ёмкостным сканером отпечатка пальца
Все элементы замка разместили на основании из органического стекла. Для полной имитации работы электромагнитного замка изготовили подобие двери (ответная часть замка). В ответной части замка приклеен мощный магнит, воздействующий на встроенный геркон. При закрывании двери замок, в результате воздействия на геркон, автоматически закрывается. В этом состоянии открыть его можно, только воздействием, зафиксированного в памяти микроконтроллера, отпечатком пальца, приложенного к ёмкостной панели датчика. Фотографии, изготовленной модели электромагнитного замка с ёмкостным сканером отпечатка пальца, приведены в приложении (Лист VIII, рис. 18-20).
Экспериментальные исследования режимов работы замка
Многочисленные эксперименты, с незнакомыми памяти устройства пальцевыми отпечатками, доказали высокую надёжность устройства. В результате экспериментов ни одного ложного срабатывания замка не происходило. При отключении модуля сканирования (имитация его разрушения) замок находится в закрытом состоянии. Аналогично происходит охрана двери и при подаче импульсных сигналов, вместо емкостного модуля, на входы микроконтроллера. Замыкания проводов шлейфа сенсорной панели, не влияют на работу замка. Эти эксперименты доказали надёжность электромагнитного запора, с точки зрения несанкционированного разрушения сенсорной панели и попытки открыть замок, используя провода шлейфа. Недостатком данной конструкции является, открывание замка при полном обесточивании устройства. Поэтому, желательно в системе замка применить небольшой резервный аккумулятор с системой зарядки, который будет дублировать систему питания замка. Подобные системы могут найти широкое применение в сферах ограничения доступа в помещения, при включении аппаратуры, в качестве охранных систем домашних и офисных сейфов.
Выводы
В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы:
- в ходе работы изучен значительный объём литературных и интернет – источников по вопросам функционирования биометрических систем, их устройства, областей применения и их возможностям по осуществлению охраны каких-либо объектов;
- изучены основные вопросы технологий разработки биометрических исполнительных устройств, принципы их действия;
- на основе изученной литературы разработана и изготовлена собственная модель биометрического замка с ёмкостным сканером отпечатка пальца;
- определены функциональные возможности, изготовленного устройства и сделан вывод о возможных областях применения подобных систем.
Список литературы и интернет – источников
1.https://securityrussia.com/blog/biometriya.html - Биометрия от «А» до «Я» полное руководство биометрической идентификации и аутентификации.
2.http://moysignal.ru/okhrannye/datchiki-i-pribory/vse-plyusy-i-minusy-biometricheskojj-sistemy-zashhity.html - Все плюсы и минусы биометрической системы защиты.
3.http://www.techportal.ru/glossary/biometricheskaya_identifikaciya.html - Биометрическая идентификация.
4.http://www.tadviser.ru/index.php/Статья:Технологии_биометрической_идентификации
5.https://habr.com/ru/post/116458/ - Сканеры отпечатков пальцев. Классификация и способы реализации
6.https://bms.ucoz.ru/statii/identifikacija_po_otpechatkam_palcev.pdf -B. Задорожный, Идентификация по отпечаткам пальцев
7.https://cxem.net/guard/3-86.php - Емкостные сканеры отпечатков пальцев
Приложение
Рис.2. Сэр Фрэнсис Гальтон — английский исследователь, географ, антрополог и психолог; основатель дифференциальной психологии и психометрики, статистик.
Рис.1. Альфонс Бертильон — французский юрист, изобретатель системы бертильонажа — системы идентификации преступников по их антропометрическим данным.
Рис.3. Области современной биометрической идентификации.
Рис.4. Факторы аутентификации.
Рис.5. Принцип работы FTiR – сканера.
Рис.6. Механизм работы оптоволоконного сканера.
Рис.7. Схема работы бесконтактного оптического сканера.
Рис.8. Схемы работы нескольких типов полупроводниковых сканеров, в том числе и ёмкостного.
Рис.9. Схема работы ультразвукового сканера.
Рис.10. Схема сканирования отпечатка пальца ёмкостным датчиком.
Рис.11. Ёмкостные сканеры отпечатка пальца, встраиваемый R301 и герметизированный дверной R503.
Рис.12. Интерфейс программы «SFG Demo» при работе с модулем сканера.
Рис.13. Подключение сканера к микроконтроллеру STM32.
Рис.14. Индикация режимов доступа (синий цвет – доступ открыт, красный – доступ закрыт).
Рис.15. Электромеханический замок 5Y0A.
Рис.16. Схема подключения замка в системе домофона.
Рис.17. Схема подключения электромагнитной нагрузки к биометрическому модулю.
Рис.18. Действующая модель биометрического замка.
Рис.19. Демонстрация работы биометрического модуля.
Рис.20. Доступ к замку открыт.