基于活体指纹识别与物联网的智能安防系统研究

张艳红，杨明剑，马 宁，张 勇

(1.新疆维吾尔自治区科技人才开发中心，新疆 乌鲁木齐 830011；2.新疆维吾尔自治区科学器材公司，新疆 乌鲁木齐 830011)

0 引言

近年来，全球智能门锁技术快速发展，市场规模不断扩大，随着智能锁相关技术的日益成熟和发展，人脸识别、手机开锁、虹膜开锁、物联网技术等相继诞生，智能锁产品的功能和应用将更加丰富多元，也将进一步促进未来智能锁与智能家居的同步发展和高度融合。在功能上，智能锁除了作为家居安全防范的一部分，还可与人工智能技术、云技术相结合。

目前，智能锁产品主要涉及的技术有机电一体化技术、生物识别技术、云储存技术等，基本涵盖了电子、通信和机械设计与制造行业最新技术。在生物识别技术中，目前实现的且最主要应用的是指纹识别，识别方式有两类：一类为光学模块识别技术，是利用成像技术实现指纹的甄别；另一类为半导体识别，主要利用电子电量差成像来实现指纹的甄别。目前也有些产品实现了利用超声波识别指纹技术。但在未来的发展中，人脸识别、静脉识别、虹膜识别等技术都将成为研发的主流方向。新的无线通信技术，如低功耗广域网LPWAN 等也将在智能锁领域得到广泛应用，通过这些技术将显著提高智能锁各方面的性能，同时还可以降低智能锁的生产成本。

传统的门锁和防盗栅栏等简单防护设施既破坏办公环境的整体形象，又不能安全有效地阻止犯罪分子的“作弊”而入。同时紧锁的门锁在发生火灾、地震等紧急情况时，难以开门处置。为解决防护设施的安全问题，采用一种活体指纹检测装置，对进入办公场所的人员进行指纹认证，大大提高了安防系统的识别准确度，防破解作弊能力强，可以避免一般的作弊方式。当系统采用TCP/IP 技术加密通道接入互联网时，一旦有人员进入还会远程通知管理员或用户本人，及时提醒用户知情，更加安全。

1 指纹的特征

指纹是手指前端一节正面皮肤的乳突线花纹。它有以下特征：人各不同，指指相异；特征稳定，终生不变；纹理特征，可供分类；布满汗液，立体留痕。

活体指纹识别拥有的技术优势是比较明显的，主要有以下特征。①识别准确。活体指纹识别更加精准，高安全性是主要特点。②反应灵敏。活体指纹识别在反应速度上更加灵敏快捷，适应多种环境。③防破解作弊能力强。可以避免一般的作弊方式，比如指纹照片图像等。

活体指纹检测装置对当前智能安防系统起到了补充和提高检测精准度的作用。同时，智能物联网管理平台还可以将异常进入办公场所的人员进行记录和统计，以便发生危险时能够得到及时有效地处置。

2 系统组成及工作原理

活体指纹辨识用门禁系统是指纹技术应用的一个分支。主要由电子门锁和活体指纹识别器两大部分组成。电子门锁用于对物理通道的控制，活体指纹识别器用于活体指纹的录入和辨识。

活体指纹检测装置包括：生物电容感应片、微控制单元以及按照预定光路设置的采集棱镜、可调滤光片、成像透镜、图像传感器和多个LED，且各所述LED 的波长相异。其中，生物电容感应片与微控制单元电连接，用于触发微控制单元控制图像传感器、可调滤光片和各LED 得电启动；微控制单元与可调滤光片、图像传感器和各LED 均电连接，用于根据预设顺序调节可调滤光片的可透过光线波长。这种活体指纹检测装置在光路中设置可调滤光片，并通过微控制单元控制时序调节可调滤光片可透过波长，以便仅通过一组成像透镜和一个图像传感器即可得到不同波长LED下采集的图像，光路简单且体积小巧。活体指纹检测装置示意图如图1所示。

1—采集棱镜；1a—采集面；1b—生物电容感应片设置面；1i—入射面；1o—出射面；2—可调滤光片；3—成像透镜；4—图像传感器；5—LED；6—生物电容感应片；7—微控制单元。

活体指纹检测装置的工作原理为：当活体的手指指纹触摸采集棱镜的采集面时，生物电容感应片用于通过检测接触采集棱镜采集面的活体产生的电容变化，来触发微控制单元控制各成像模组的LED和图像传感器得电启动。由于各成像模组的LED波长相异，各图像传感器传输至微控制单元的实际图像将会各不相同。微控制单元还预设有各LED波长下采集活体图像的比对图像。

活体指纹检测装置包括波长相异的4个LED灯，众所周知，中心波段不同的LED灯发出的光线颜色不同，这4个LED灯分别为：蓝光LED灯(波长λ=420～470 nm)；绿光LED灯(波长λ=500～570 nm)；红光LED灯(波长λ=630～780 nm)；红外光 LED灯(波长λ=780～1100 nm)。当然，LED的数量并不仅限于4个，技术人员可根据实际需要设置LED数量。

当LED发出的光线通过入射面进入采集棱镜到达采集面时，若采集棱镜的采集面没有被手指遮挡，光线从采集面射出；若采集棱镜的采集面被手指遮挡，光线则经过手指指纹的反射从出射面射出，射出后光线再射入可调滤光片。

可调滤光片是一种在较宽的波段范围内任意调节可透过波长的光学仪器。可调滤光片可以为液晶可调滤光片，液晶可调滤光片是利用液晶电控双折射效应在很宽的波段范围内任意调节可透过波长的液晶组件。

当可调滤光片位于第一滤光位置时，可调滤光片滤去其他波长的光线，可调滤光片仅允许波长λ为420～470 nm的蓝光LED灯透过；调节至第二滤光位置时，可调滤光片仅允许波长λ为500～570 nm的绿光LED灯透过；调节至第三滤光位置时，可调滤光片仅允许波长λ为630～780 nm的红光LED灯透过；调节至第四滤光位置时，可调滤光片仅允许波长λ为780～1 100 nm的红外光LED灯透过。

经可调滤光片过滤处理后，特定波长光线射入成像透镜汇聚成像，然后传输至图像传感器内。

当手指触摸采集棱镜的采集面时，微控制单元检测到生物电容感应片电容变化，微控制单元触发可调滤光片、图像传感器和各LED 启动，即各LED 得电发光，可调滤光片根据预设顺序选择可透过波长，图像传感器获取经成像透镜汇聚的实际图像并传输至微控制单元，微控制单元比对图像传感器传输的各LED的实际图像与对应的比对图像并输出比对结果，微控制单元比对各实际图像与对应的比对图像信息并判断两者是否匹配。若是，则确定检测结果为真人；若不是，则确定检测结果为不是真人。

3 智能安防系统物联网管理平台

智能安防系统物联网管理平台通信方式支持NB-IoT(窄带物联网)、Sub-1G 无线、RS485有线、蓝牙等多种主流组网方式，即可单一组网，也支持复合组网增加备用通信通道，极大提高了系统的健壮性，采用银行级别的加密技术，低功耗且安全度高，能够实现实时联网，保证数据传输稳定畅通。

办公智能门锁支持刷卡开门、密码开门、指纹开门、人脸识别开门、蓝牙开门、二维码开门、远程授权开门、机械应急钥匙开门等多种开门方式。领导及财务等高权限办公室，若负责人不在，有他人临时进入需打开门锁，可以使用远程授权通过手机app直接做到远程临时开锁。该开门方式智能区分外来人员身份属性，将无关人员拒之门外，减少不必要的麻烦。当门锁打开后，在设定时间内如果无人开门进入，则会自动关闭，且临时授权只能开锁一次，超时则授权自动取消。

指纹开门方式支持一个人录入多个指纹；与一卡通系统平台实现数据无缝无损对接，真正实现了一卡通用。

智慧物联管理平台无需安装，Web 端登录即可操作和远程维护，平台能够显示每一把门锁的工作状态，例如通信是否正常、是否关门、是否锁门，实时采集每一把门锁的开门数据，如果有异常情况发生，平台也会预警显示。其中，企业会议室安装办公智能门锁，各部门可通过后台提前预约使用会议室，不再出现多部门同时征用会议室，根据参会人数多少选择相应规模的会议室，实现会议室利用效率最大化。

平台支持管理员手工录入、电子文档批量导入新员工资料两种方式，支持快速人员查找功能，满足按部门、姓名、拼音及各种组合查找，平台采用多级树形部门管理方式，做到权限分工明确。当有员工离职时，管理员在后天一键注销其开门权限，公司与离职员工即可划清界限。

此外，平台也具备建筑管理、设备管理、管理员及用户角色管理、账户管理，电池电量及消耗查询、指令查询、异动查询、授权未下发查询等实时统计查询等功能，真正地构筑企业智慧安防第一道防线，开启智慧化管理新篇章。

4 结语

在安防大数据时代下，网络监控、数据采集分析更加智能高效，安防系统从自动化逐步实现智能化。基于活体指纹识别与物联网的智能安防系统时代开启，不仅对当前智能安防系统起到了补充和提高检测精准度的作用，还将异常进入办公场所的人员进行记录和统计，以便发生危险时能够得到及时有效地处置。