基于电容感应技术的门禁系统的制作方法

基于电容感应技术的门禁系统的制作方法
【专利摘要】基于电容感应技术的门禁系统涉及一种用生物验证技术来实现身份识别的门禁系统，具体是一种触摸手势密文与个体电容唯一性相结合的门禁系统，该系统具体包括以下部分：电源装置，提供工作电压；交互界面，实现登录、注册、学习；触摸感应装置，感应密文手势；扫频驱动，产生扫频信号；数据采集装置，采集触摸感应装置上变化信号；数据处理单元，将采集数据生成固定格式文件；数据存储装置，存储文件；模式匹配识别单元，识别使用者身份；电子锁；开合检测装置，检测门开合状态；控制单元，控制以上部分协调工作；管理控制总局，记录访问日志，总控制。本发明增强了门禁的安全性，考虑到个体间电容具有差异性，非法者不能模仿合法用户的手势去开门。
【专利说明】基于电容感应技术的门禁系统

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用生物验证技术来实现身份识别的门禁系统，具体是一种触摸手势密文与个体电容唯一性相结合的门禁系统，属于信息安全【技术领域】。

【背景技术】
[0002]门禁系统，是由传统的机械锁发展而来的。随着科学技术的发展，又相继出现了电子密码锁、和利用智能卡/IC卡、生物特征进行身份识别来开锁的门禁系统。
[0003]经过长时间积累，少部分人已经掌握打开机械锁的敲门，大部分机械锁也容易暴力打开。而且，一把机械锁，一定配备了一把唯一的钥匙。如果要开的门多，那钥匙也就多，造成携带和管理不方便。同时，钥匙容易丢失。大部分人都会钥匙丢了后，为了安全考虑，选择换锁，这更加带来不便。针对机械锁的丢钥匙需换锁和钥匙难管理的缺陷，智能卡/IC卡应运而生。在存储范围之内，一张小小的IC卡，可以开启多扇门。然而，随着智能卡的广泛使用，它的缺点也渐渐显现出来，比如信息容易复制、卡存储空间小、卡片与读卡器间磨损大会造成消磁，这一系列的缺陷带来了安全隐患。电子密码锁，虽然使用者只需要记住密码，不用钥匙和卡就可以打开门，但是带来方便的同时，密码容易泄露和破解，因而安全系数也很低。总结上述三种门禁系统，可以发现用到的身份认证系统，都没有把使用者独一无二的身份特征纳入其中，一旦“钥匙掉了”，不采取补救措施，任何一个捡拾的人都可以拿它，都可以打开门。
[0004]而基于生物验证技术的门禁系统，就解决了上述问题。目前较为广泛使用的生物验证手段，有指纹、虹膜、脸部识别等。指纹的特征唯一、易获取，从而成为生物验证的首选。随着指纹验证的推广，其缺点显现出来，比如，某些群体，由于磨损或其它原因造成指纹特征少，难成像，从而不能用指纹识别来验证身份，每使用一次指纹验证，使用者都会在指纹采集头上留下指纹印痕，而留下的指纹痕迹，可能会被不法分子复制，从而伪造指纹通过验证；而虹膜验证技术要求将图像获取设备的尺寸小型化，使用昂贵的摄像头来聚焦，使用比较好的光源，这些造成成本增加，另外，镜头可能会使图像畸变而使得可靠性大为降低，黑眼睛的虹膜极难读取；脸部识别，由于受影响因素太多，如表情、化妆品的使用等，其准确性有待提高，而且脸部识别是针对使用者肖像进行识别的，这会涉及使用者的个人隐私问题。更重要的一点是，以上所有的生物验证技术，都只用到了使用者身上的某一部位。姑且假设，不法分子得到了某个合法用户的用来身份验证的部位，在一定条件下，是可以通过验证的。这不仅给认证系统的安全带来隐患，更为使用者的人身安全带来隐患。
[0005]基于电容感应技术的门禁系统，用到的人体电容特征，是与人体的完整性相关的。只有人体保持完整和活性，才能通过身份验证。目前也有利用电容识别的认证系统，比如智能手机中的图案解锁认证、在电容屏上签名认证等。这些通常是检测触碰触摸屏位置、触碰顺序等，以识别图案密文，签名笔迹，从而实现认证。这些系统同样存在图案密文泄漏，签名笔迹被人模仿的安全隐患。


【发明内容】

[0006]技术问题:本发明的目的在于克服现有门禁系统中存在的“钥匙”易假冒、容易被他人代用以及容易损坏丢失的诸多困难，提供一种基于电容感应技术的门禁系统，用户在不借助其它物体的条件下，仅靠一组手势即可以完成门禁系统的身份认证，而且非法用户想用模仿合法用户手势的方式来开门是不可行的。
[0007]技术方案:本发明利用了一种电容式触摸感应技术,即扫频电容感应技术,来实现门禁系统的身份认证。作为门禁系统的核心，身份认证过程大致如下:由驱动装置中的信号发生单元产生一定频率范围的扫频信号，经驱动电路加载到触摸感应装置，数据采集装置采集变化信号，得到回波电路在一段频率范围内幅频特性曲线，给数据处理装置生成一定格式的数据文件，存储并发送给模式匹配识别装置做出身份判断。在数据处理装置、控制单元、模式匹配识别装置之间，设计了一个串口通信协议，实现信息交换，包括数据文件由数据处理装置向模式匹配识别装置的传递，以及模式匹配识别装置与控制单元之间控制信号的传递。借鉴传统密码识别的特点，为每一个用户在数据存储装置中划分一个独立的存储区域，存储数据文件，降低识别用到的分类数量，提高识别的准确率。
[0008]本发明的基于电容感应技术的门禁系统具体包括以下部分:
1)电源装置:用于给该系统提供工作电源，内置蓄电池，用于停电时供电，同时电源装置能对电源整流，得到稳点的工作电流和电压；
2)交互界面:用于实现用户注册、登录、学习功能，和系统显示对用户的认证结果；
3)触摸感应装置:用于录入用户的触摸手势密文，录入的过程由使用者按照自己记住的手势密文，触碰触摸感应装置实现；
4)扫频驱动:扫频驱动包括信号发生电路和驱动电路，其中信号发生电路用于产生扫频信号，而扫频信号由驱动电路作用在触摸感应装置上；
5)控制单元:受管理控制总机的控制，且用于协调其他系统构件有序工作的装置；
6)数据采集装置:用于采集触摸感应装置上的变化模拟量，进过滤波、解调，最后转换为数字量；
7)数据处理单元:用于将数字化数据，根据系统所采用的识别算法的要求格式，生成结构、长度确定的数据文件；
8)数据存储装置:用于根据控制单元输出的控制信号，将数据文件存储在指定的地址；
9)模式匹配识别单元:用于对采集数据文件识别，做出判断，将结果发送给控制单元，去控制用户交互界面的认证显示结果；
10)开合检测装置:用于检测门的开合状态，并发送给控制单元；
11)电子锁:在控制信号激励下，电子锁开启，否则闭合；
12)管理控制总机:用于记录来访人员身份、来访离开时间和管理用户信息，如权限。
[0009]所述的电源装置在通过适配器连接外部电源时，有电情况下边充电边供电，充满后只供电，停电时，用蓄电池供电。
[0010]所述的交互界面包括:
1)注册，用于具有合法权限的新用户的手势密文的录入；
2)登录，登录后录入手势密文，等待系统将新密文与存储器中该用户的密文对照后， 跟据模式匹配识别单元给出的结果，决定认证是否通过；
3)学习，已经存入系统中的用户，在认证成功状态下，可以更新系统存储器对应地址的内容，从而修改密码或提高已有数据文件的准确性；
所述的信号发生电路产生的扫频信号，经过所述的驱动电路，施加到所述的触摸感应装置上；
所述的触摸感应装置，在门的内外侧都安装，用于检测进门者的身份和离开者的身份，避免非法用户尾随合法用户随意进入或离开的情形。
[0011]所述的模式匹配识别单元，接收来自数据处理单元的数据，并与数据存储单元的数据做匹配，识别出当前用户是否为录入系统的合法用户；
所述的管理控制总机，其管理人员必须通过身份认证，才能管理用户权限和控制控制单元；管理控制总机，接收来自模式匹配识别单元和由控制单元传递的开合检测装置的数据，记录来访者身份信息、进入离开的时间信息和一次开门时长信息；若检测开门时间太长，向管理人员警示。
[0012]有益效果:本发明提出了一种利用触摸认知进行身份认证的门禁系统，对比普及的门禁系统(机械锁、电子密码，IC卡)和时新的门禁系统(生物认证)，本发明增强了门禁系统的安全性，即使合法用户的手势被非法用户模仿，由于个体间电容差异性的存在，非法用户也不能通过门禁系统。与普及的门禁系统不同，本发明将生物特征验证技术应用在门禁系统的身份验证中。与现阶段存在的生物验证门禁系统相比，本文中的门禁系统用到的验证方法，所需要的硬件平台结构较简单，成本低；装置安装方便，功耗低；信号幅度易于测量；人体电容在一段时间内具有稳定性和唯一性；考虑到电容与人体完整性程度有关，若不法分子想用暴力手段得到人体某一部分，来通过门禁系统的身份认证(例如切手指，通过指纹认证)，是不可行的。所以从某种程度来说，这种门禁系统所用到的认证方法，更有利于保护用户的人身安全和门禁系统的安全。

【专利附图】

【附图说明】
[0013]图1是本发明的系统结构图；
图2是本发明的扫频驱动4的结构图；
图3是本发明的数据采集装置6的结构图；
图4是本发明的通信协议流程图；
图5是本发明的异步串口时序图。

【具体实施方式】
[0014]本发明利用电容识别的原理，人触碰感应装置时，会引起感应装置上的扫频信号变化，经过实验发现不同的人，以相同手势触碰感应装置，引起的变化不同，由此可以作为区分不同人依据，来实现人身份的识别与认证。下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0015]如图1、2、3所示,本发明包括由电源装置1、交互界面2、扫频驱动4、触摸感应装置
3、控制单元5、数据采集装置6、数据处理单元7、数据存储装置8和模式匹配识别单元9、开合检测装置17、电子锁18、管理控制总机19 ;其中扫频驱动4包括信号发生单元10、放大模块11、滤波模块12和驱动电路13 ;数据采集装置6包括电压跟随电路14、包络检波电路15和AD转换模块16 ；电源装置I给系统提供稳定的工作电压和电流；各模块在控制单元5的控制下有序工作、且控制单元5由管理控制总机19控制。
[0016]使用者在交互界面2上，输入用户名登录；控制单元5触发扫频驱动4，产生稳定有效的扫频信号，加载到触摸感应装置3上；使用者在触摸感应装置3上依次做三个手势密文；数据采集装置6从触摸感应装置3中的变化信号中，解调出有用信号，再做AD采样，发送给数据处理单元7 ;数据处理单元7，按照特定格式生成数据文件，发送给模式匹配识别装置9 ;模式匹配识别装置9，从数据存储单元中，调用该用户的历史数据文件，使用模式匹配算法进行匹配，若在规定误差之内，三次手势生成的数据文件都与历史数据文件一样，那认为使用者是合法用户，从而实现门禁系统的身份认证过程；模式匹配装置将认证信息发送给控制单元5和管理控制总机19，前者根据认证是否通过，发出控制信号选择控制电子锁18开启，后者记录访问者个人信息和访问时间；开合检测装置17时刻检测门的开合状态，将检测结果实时发送给控制单元5，若检测到门开启的时间长度异常，报告给管理控制总机19，由管理员做出响应。
[0017]其认证过程的工作原理:人体具有电阻性和电容性，所以直流信号会被阻隔，交流电流可以穿越皮肤。当人碰触触摸感应装置3时，3与人体内的可导电液体之间形成了一个电容性接口，人体在整个电路中相当一个充电器，扫频信号作为一种交流电流，通过骨骼以及器官传送到地面。人体在这个回路中，会对加载在触摸感应装置3上的，即对扫频驱动4产生的扫频信号，造成干扰，改变其幅度和频率。由于扫频信号随频率变化，数据采集装置6，可以采集不同频率下，变化信号的幅度，从而得到变化信号幅度随频率而变化的特征曲线。
[0018]若改变触碰触摸感应装置3的方式，特征曲线随之变化；若换一个人，用跟之前的人一样的手势去触碰触摸感应装置3，特征曲线也不同。所以可以认为，特征曲线具有唯一性和可辨识性。而模式匹配就是采用一定的方法，把当前得到的特征曲线与历史特征曲线对比，最后给出认证结果，从而实现身份验证。
[0019]上述实施例中，根据门的材质，选择MCMC系列中合适的门磁，构成开合检测装置17，，该门磁在完成基本门开合状态检测的同时，还可以实现异常状况开启蜂鸣器的功能。
[0020]电子锁18型号为NB-S2的电控锁，锁舌具有防撬锁作用，使用寿命长，静态无功耗，安全性较好，电控、旋钮、钥匙三种可选方式开锁，在上述实施案例中使用电控开锁方式。
[0021]控制单元5由MSP430F2619单片机实现。管理控制总机19可由PC机实现，控制单元5与管理控制单元19之间，采用RS485总线联网。
[0022]触摸感应装置3可以用任意的导体构成，信号发生单元10是由AD9850芯片构成的，经过由NE5534构成的放大电路11放大，再经过一个带通滤波电路，产生频率变化范围为10kHz到250kHz，步进为10Hz的扫频信号。
[0023]数据采集装置6，由NE5534实现了电压跟随电路14，包络检波电路15简单地由二级管包络检波电路构成。采用MSP430F2619单片机的AD采用模块，对检波后得到的调制信号进行采样，其中在10kHz到250kHz中采集500个点，最后发送给数据处理单元7。
[0024]模式匹配识别单元9,使用嵌入式开发板Devkit8500来实现。由于Devkit8500中，带有显示模块，再利用Qt软件开发环境，用户交互界面2可以在上面实现。模式匹配识另Ij单元9，采用了 LIBSVM分类识别算法，所以数据处理装置7都是按照LIBSVM中的规定格式，生成数据文件的。而且，数据存储装置8中的数据文件格式也符合LIBSVM算法要求。
[0025]模式匹配识别单元9，利用LIBSVM实现认证过程如下:调用svmscale对数据进行简单的缩放操作；考虑选用RBF核函数；采用交叉验证选择最佳参数C与s;调用svmtrain对整个训练集进行训练，获取支持向量机模型；调用svmpredict利用获取的模型对测试样本进行预测；根据预测结果，系统做出判断，是否为合法用户；
所述的svmscale、svmtrain、svmpredict都是LIBSVM软件包里的函数。
[0026]在此实例中，控制单元5和数据采集装置6，实际由MSP430F2619单片机实现，数据处理单元7、数据存储单元8和模式匹配识别单元9由Devkit8500实现，两者之间采用了串口通信方式，数据帧包含500个采用点，和end定界符，数据帧结构如下:

【权利要求】
1.一种基于电容感应技术的门禁系统，其特征在于该门禁系统具体包括以下部分: 1)电源装置:用于给该系统提供工作电源，内置蓄电池，用于停电时供电，同时电源装置能对电源整流，得到稳点的工作电流和电压； 2)交互界面:用于提供用户注册、登录、学习功能，和显示对用户的认证结果； 3)触摸感应装置:用于录入用户的触摸手势密文，录入的过程由使用者按照自己记住的手势密文，触碰触摸感应装置实现； 4)扫频驱动:扫频驱动包括信号发生电路和驱动电路，其中信号发生电路用于产生扫频信号，而扫频信号由驱动电路作用在触摸感应装置上； 5)控制单元:受管理控制总机的控制，且用于协调其他系统构件有序工作； 6)数据采集装置:用于采集触摸感应装置上的变化模拟量，进过滤波、解调，最后转换为数字量； 7)数据处理单元:用于将数字化数据，根据系统所采用的识别算法的要求格式，生成结构、长度确定的数据文件； 8)数据存储装置:用于根据控制单元输出的控制信号，将数据文件存储在指定的地址； 9)模式匹配识别单元:用于对采集数据文件识别，做出判断，将结果发送给控制单元，去控制用户交互界面的认证显示结果； 10)开合检测装置:用于检测门的开合状态，并发送给控制单元； 11)电子锁:在控制信号激励下，电子锁开启，否则闭合； 12)管理控制总机:用于记录来访人员身份、来访离开时间和管理用户信息。
2.根据权力要求I所述的一种基于电容感应技术的门禁系统，其特征在于:所述的电源装置在通过适配器连接外部电源时，有电情况下边充电边供电，充满后只供电，停电时，用蓄电池供电。
3.根据权力要求I所述的一种基于电容感应技术的门禁系统，其特征在于:所述的交互界面提供如下功能: 注册，用于具有合法权限的新用户的手势密文的录入； 登录，登录后录入手势密文，等待系统将新密文与存储器中该用户的密文对照后， 跟据模式匹配识别单元给出的结果，决定认证是否通过； 学习，已经存入系统中的用户，在认证成功状态下，可以更新系统存储器对应地址的内容，从而修改密码或提高已有数据文件的准确性。
4.根据权力要求I所述的一种基于电容感应技术的门禁系统，其特征在于:所述的信号发生电路产生的扫频信号，经过所述的驱动电路，施加到所述的触摸感应装置上。
5.根据权力要求I所述的一种基于电容感应技术的门禁系统，其特征在于:所述的触摸感应装置，在门的内外侧都安装，用于检测进门者的身份和离开者的身份，避免非法用户尾随合法用户随意进入或离开的情形。
6.根据权力要求I所述的一种基于电容感应技术的门禁系统，其特征在于:所述的模式匹配识别单元，接收来自数据处理单元的数据，并与数据存储单元的数据做匹配，识别出当前用户是否为录入系统的合法用户。
7.根据权力要求I所述的一种基于电容感应技术的门禁系统，其特征在于:所述的管理控制总机，其管理人员必须通过身份认证，才能管理用户权限和控制控制单元；管理控制总机，接收来自模式匹配识别单元和由控制单元传递的开合检测装置的数据，记录来访者身份信息、进入离开的时间信息和一次开门时长信息；若检测开门时间太长，向管理人员警/Jn ο
8.根据权力要求I所述的一种基于电容感应技术的门禁系统，其特征在于:所述用户信息包括用户权限。
【文档编号】G07C9/00GK104183045SQ201410430972
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2014年8月28日
【发明者】罗平, 宋宇波 申请人:东南大学