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智能指纹锁的原理配置结构与功能详述

时间:2018-06-13 来源:

智能指纹锁的技术原理

本文引用地址: http://power.21ic.com//ce/technical/201806/66806.html

指纹是指手指末端正面皮肤上凸凹不平的纹路,这些纹路在图案、断点和交点上是各不相同的,在信息处理中将它们称作“特征”,医学上已经证明这些特征对于每个手指都是不同的,而且这些特征具有唯一性和永久性,因此,指纹的上述特性成为识别身份的最重要证据而广泛应用于公安刑侦及司法领域。

配置结构

指纹锁的核心部件:主板、离合器、指纹采集器、密码技术、微处理器(CPU)、智能应急钥匙。作为指纹锁来说,最重要的应该是算法芯片,也就是心脏要好,你机械部分再做的好,如果认假度较高,随便谁的指纹都能开,那还有什么用呢?

其次无论什么锁,其本质还是机械产品。指纹锁属于运用现代高科技改造传统产业的典范,它的核心技术首先还是机械技术的把握。机械技术主要由以下五方面:

1、前后面板的合理设计,即外观,是显著区别于同类产品的标志,更重要内部的结构布局,直接决定着产品的稳定性与功能发挥。这个过程,涉及设计、模具制作、表面处理等多个环节。因此,款式越多的厂家,相对来说,开发设计能力更强,稳定性更好些。

2、锁体。即能与门相联的锁舌的母体。锁体的好坏,直接决定着产品的寿命。这是机械技术中,最最核心的技术,也是指纹锁的命脉所在,也是行业中,最难解决的问题。95%的现有生产单位无法解决该问题,主要通过外购的方式配套。有实力的厂家,拥用自行设计、开发锁体的能力。因此,锁体是真正体现厂家技术水平的核心部件,也是整把指纹锁的核心技术所在。

3、电机。电机是驱动器。就像电脑的驱动软件一样。是电子与机械的连接设备,力量的转换中枢,起着承上启下的重大作用。电机若停止工作或障碍,锁将会自动开启和无法锁定。

4、指纹模块及应用系统。这是电子部份的基础。指纹模块,同行功能相差无几,主要还是看芯片及算法。

液晶屏

液晶显示器操作更加方便、简单,使指纹锁更智能。配置液晶不是简单的材料累加,更涉及到软件和电路系统的合理设计。总的来说,使用这项技术就像指纹锁本身替代机械锁一样,是技术和市场发展的必然!

芯片

目前国内已经成功研发出DSP指纹锁专业处理芯片,国内厂家进行算法软件的烧录;绝大部分指纹锁厂家采用国内指纹算法芯片。

传感器

指纹传感器主要为光学传感器和半导体传感器,

指纹模块

基本特点

安全

指纹锁是通过电子部件及机械部件的精密组合而生产出的安全产品。指纹锁最本质的无非是安全、便捷、时尚三个方面。拒真率和认假率无疑是最重要的指标之一,也可以称作拒识率和误识率,目前有几种表达的方式:

(1)所用指纹头的分辨率,如500DPI。

现有光学指纹传感器的精度一般是30万像素,也有个别企业采用10万像素的。

(2)用百分比的方式:比如一些参数上写的等。

当然这都是各个企业宣传的参数,无论是500 DPI还是拒真率《0.1%对于普通用户来说都只是个概念,也没办法检测。

(3)对于“拒真率、认假率”相互之间此消彼长的说法,在一定程度上是正确的,这个好像在数学上是“假设检验”的概念:在同一水平上,拒真率高,认假率就低,反之亦然。这是反比关系。但是为什么说是在一定的程度上是正确的呢,因为如果工艺和技术水平提高的话,这两个指标都能降下来,所以本质上还是要提高技术水平。有些厂家为了加快认证,通过降低安全等级的做法,以牺牲安全为代价,来制造速度快、识别能力强的假像。这在样锁或演示锁中出现的比较多。

(4)根据相关标准,家庭进户门用指纹防盗锁安全等级应当为3级,即拒真率≤0.1%,认假率≤0.001%。

耐用

1.理论上来讲,多一个功能就多一个程序,那么产品损坏的可能性也就更大一点。但是这是在同一技术实力的厂家之间比较,如果技术实力高的,那么他们的产品完成可以做到比那些技术实力差的产品功能多、质量好。

2.更关键的一点是:功能多的益处和功能带来的风险的比较。如果功能带来的益处大,那就可以说这个增加是值得的,就像你开车限速100码,你再踩下油门需不需要付出违章或车祸代价是一样的道理。如果这个功能不能给你带来任何好处,那么这个功能就显得多余了。所以说关键的不是考虑什么“多一个功能就多一个风险”而是这个风险值不值得承受。

3.就像联网功能,一方面指纹在网络传输过程中的稳定性业界还不能肯定,另一方面,要破坏现有装修,更重要的是,一旦被病毒入侵,将无“药”可治。一旦接入网络,被攻击的可能性将大大增加。而电话报警一类的安防技术,则须单独设置相关设备,且存在室内辐射和误报警的问题。特别是后者,由于除指纹锁本身以外的技术和环境等外部因素影响

防盗

1.根据防盗性能划分,流行的指纹锁分为普通指纹锁和防盗指纹锁两类。

普通指纹锁,与原电子锁差别不多,主要是改用指纹认证,但不通用于现有国产防盗门,这类指纹锁不带天地杆钩件,不能使用防盗门天地安保系统(市场上有些进口指纹锁不符合国家行业标准,只能用于木门)。

指纹防盗锁,安全性更好,能适用于标准防盗门和木门上。这类锁能将防盗门的带天地锁系统自动或半自动的联结起来,不影响原有防盗门的性能。

2.防盗性能不同,市场价格也有天壤之别。具有机械防盗功能的指纹锁价格明显会高于没有天地防盗功能的普通指纹锁。因此,在选购指纹锁,首先要根据门来选相应的锁。

3.家庭使用的应选用防盗型指纹锁,这样对门的要求较低,不用改装,售后维护方便。工程指纹锁一般批量采购,能要求门厂同样定向提供符合产品安装的配套门。一般区分指纹锁是工程指纹锁还是家用指纹锁的最直接方法就是看门柜锁舌下长方形锁体边条(导向板)的长宽是否为24X240mm(主要的一种规格),少数为24X260mm、24X280mm、30X240mm,把手中心到门边的距离一般在60mm左右。

主要功能

指纹锁的功能:指纹开启、密码开启、卡片开启、应急钥匙开启,现如今还增加了手机远程开启的方式,让消费者更加的信任和选择指纹锁。指纹锁的主要功能就是安全和方便。除开门功能外,一般有增加、删除和清空指纹功能,高性能的指纹锁还配有液晶触摸屏等人机对话系统,智能化水平较高,操作也相对方便并可提供操作引导、查询使用记录和内置参数、设置状态等功能。指纹管理功能为:增加指纹、删除指纹、清空指纹、设置系统参数等很多功能。

供电方式

指纹锁的供电方式一般分两种,一种采用4节5号碱性电池,一般可以用一年左右;一种是采用两套电路系统,两套4节5号电池,指纹一套电路,密码一套电路,一般一年半左右。(具体视功能、功耗设计、使用次数等不同而不同)。根据行业标准生产防盗指纹锁,应当另加配应急供电接口,可用9V叠层电池外接供电。

附1:锁芯

目前市面上的锁芯等级大概分为A级、B级、超B级、C级、超C级、D级等等。它们的起源要追溯到1994年国家颁布《GA/T73-94》机械防盗锁标准,里面明确了A级锁和B级锁,主要约束条件是A级锁防止技术开锁需大于1分钟,B级锁防技术开锁需大于5分钟。也就是说根据国家标准,目前市面上只有两类锁A级和B级,他们的主要区别是防技术开启的时间,而不是样式。

超B级、C级、超C级、D级等分级是锁具生产商自行制定的企业标准分级,看似高于国家标准的A级、B级,但实际上是一种企业自己拟定的行为,每个企业的等级标准可能都不一样,所以才会有今天锁芯等级凌乱的市场现状。

第一种 单排弹珠锁 俗称A级锁

这种锁使用弹珠结构,通常为7颗弹珠,所以在钥匙上有大约7个深浅不一的圆点,这些圆点是从原先锯齿结构的锯齿发展过来的,结构非常简单。可以使用开锁钩直接技术开启,或者锡纸开锁工具快速打开。

第二种 双排弹珠锁 俗称B级

这种俗称B级的锁芯,就是在A级的基础上进行增加弹珠以达到双排,原理和A级近似,但是由于增加了弹珠量,技术开锁难度会更大,开启使用的时间也会更长。最新的锡纸开锁工具已经为这种锁单独开发了模具,可实现快速开锁,撞匙枪也可以无损开启这种锁。技术开锁时间大于5分钟,属于国家标准中B级锁具。

第三种 双排+叶片 俗称超B级

这种锁是在B级的基础上加了一条叶片槽,大幅提升了原弹珠结构的安全程度,但因为过于复杂比较容易出现故障。它最大亮点就是首次在民用锁使用叶片结构,当然缺点就是叶片结构太少太薄弱。

第四种 全叶片锁 俗称C级

全叶片结构、全铣槽的钥匙才是叶片锁。

第五种 其他 俗称C+级或者更高

在叶片锁基础上添加防盗功能,有添加钢梁以及全不锈钢的叶片锁芯,这种设计是为了防止暴力打断设计。C级叶片锁虽然在技术上比较厉害,但是在抗暴力上和普通锁芯没什么区别。

其次还有带空转功能的锁芯,可以抵抗电钻暴力破坏,并增强防技开的能力,是目前比较顶级的技术。

附2:指纹识别技术

目前,市场中应用的指纹图像的获取技术主要有4种类型:光学扫描设备、温差感应式指纹传感器、半导体指纹传感器、超声波指纹扫描。

一、光学识别技术

借助光学技术采集指纹是历史最久远、使用最广泛的技术。将手指放在光学镜片上,手指在内置光源照射下,用棱镜将其投射在电荷耦合器件(CCD)上,进而形成脊线(指纹图像中具有一定宽度和走向的纹线)呈黑色、谷线(纹线之间的凹陷部分)呈白色的数字化的、可被指纹设备算法处理的多灰度指纹图像。

光学的指纹采集技术有明显的优点:它已经过较长时间的应用考验,一定程度上适应温度的变异,可达到500DPI的较高分辨率等,最主要是价格低廉。也有明显的缺点:由于要求足够长的光程,因此要求足够大的尺寸,而且过分干燥和过分油腻的手指也将使光学指纹产品的效果变坏。

光学指纹传感局限性体现于潜在指印方面(潜在指印是手指在台板上按完后留下的),不但会降低指纹图像的质量,严重时还可能导致2个指印重叠,显然,难以满足实际应用需要。此外,台板涂层及CCD阵列会随时间推移产生损耗,可能导致采集的指纹图像质量下降。但是具有无法进行活体指纹鉴别、对干湿手指的适用性差等缺点。

光学指纹识别系统由于光不能穿透皮肤表层(死性皮肤层),所以只能够扫描手指皮肤的表面,或者扫描到死性皮肤层,但不能深入真皮层。在这种情况下,手指表面的干净程度,直接影响到识别的效果。如果,用户手指上粘了较多的灰尘,可能就会出现识别出错的情况。并且,如果人们按照手指,做一个指纹手模,也可能通过识别系统,对于用户而言,使用起来不是很安全和稳定。

 

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二、温差感应式识别技术

温差感应式识别技术是基于温度感应的原理而制成的,每个像素都相当于一个微型化的电荷传感器,用来感应手指与芯片映像区域之间某点的温度差,产生一个代表图像信息的电信号。

它的优点是可在0.1s内获取指纹图像,而且传感器体积和面积最小,即目前通常所说的滑动式指纹识别仪就是采用该技术。缺点是:受制于温度局限,时间一长,手指和芯片就处于相同的温度了。

 

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三、半导体硅感技术(电容式识别技术)

20世纪90年代后期,基于半导体硅电容效应的技术趋于成熟。硅传感器成为电容的一个极板,手指则是另一极板,利用手指纹线的嵴和峪相对于平滑的硅传感器之间的电容差,形成8bit的灰度图像。

电容传感器发出电子信号,电子信号将穿过手指的表面和死性皮肤层,直达手指皮肤的活体层(真皮层),直接读取指纹图案。由于深入真皮层,传感器能够捕获更多真实数据,不易受手指表面尘污的影响,提高辨识准确率,有效防止辨识错误。半导体指纹传感器包括半导体压感式传感器、半导体温度感应传感器等,其中,应用最广泛的是半导体电容式指纹传感器。

半导体电容传感器根据指纹的嵴和峪与半导体电容感应颗粒形成的电容值大小不同,来判断什么位置是嵴什么位置是峪。其工作过程是通过对每个像素点上的电容感应颗粒预先充电到某一参考电压。

当手指接触到半导体电容指纹表现上时,因为嵴是凸起、峪是凹下,根据电容值与距离的关系,会在嵴和峪的地方形成不同的电容值。然后利用放电电流进行放电。因为嵴和峪对应的电容值不同,所以其放电的速度也不同。

嵴下的像素(电容量高)放电较慢,而处于峪下的像素(电容量低)放电较快。根据放电率的不同,可以探测到嵴和峪的位置,从而形成指纹图像数据。

与光学设备多采用人工调整改善图像质量不同,电容传感器采用自动控制技术调节指纹图像像素以及指纹局部范围敏感程度,在不同环境下结合反馈信息生成高质量图像。由于提供了局部调整能力,即使对比度差的图像(如手指压得较轻的区域)也能被有效检测到,并在捕捉瞬间为这些像素提高灵敏度,生成高质量指纹图像。

半导体电容指纹传感器优点为图像质量较好、一般无畸变、尺寸较小、易集成于各种设备。其发出的电子信号将穿过手指的表面和死性皮肤层,达到手指皮肤的活体层(真皮层),直接读取指纹图案,从而大大提高了系统的安全性。

半导体硅感技术最重要的优点是能够达到活体指纹识别。还可以在较小的表面上获得比光学技术更好的图像质量,在1cm&TImes;1.5cm的表面上获得200-300线的分辨率(较小的表面也导致成本的下降和能被集成到更小的设备中)。体积小、成本低,成像精度高,而且耗电量很小,因此非常适合在安全防范和高档消费类电子产品中使用,被称为光学以后的第二代指纹识别技术。

 

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四、超声波识别技术

超声波指纹采集是一种新型技术,其原理是利用超声波具有穿透材料的能力,且随材料的不同产生大小不同的回波(超声波到达不同材质表面时,被吸收、穿透与反射的程度不同)。因此,利用皮肤与空气对于声波阻抗的差异,就可以区分指纹嵴与峪所在的位置。

超声波技术所使用的超声波频率为1&TImes;104Hz-1&TImes;109Hz,能量被控制在对人体无损的程度(与医学诊断的强度相同)。超声波技术产品能够达到最好的精度,它对手指和平面的清洁程度要求较低,但其采集时间会明显地长于前述两类产品,而且价格昂贵,也并不能做到活体指纹识别,所以目前使用稀少。

 

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微光学式指纹识别技术

当前无论是的主流——电容式指纹识别传感器,还是新秀——超声波式指纹识别传感器,都需要额外的指纹传感器,只是前者需要在屏幕上开孔,后者可以隐藏在屏幕下面而已。

2017年,苹果公司和汇顶科技推出了基于微型光学感测技术的指纹识别技术,这种技术巧妙地将显示屏和指纹传感器的融合于一体,支持全屏幕多处进行指纹识别。

指纹识别传感器的工作原理“始”于光学式,“盛”于电容式,“延续”于超声波式和微型光学式。转了一圈,现在又回到了光学感测的路子上来了,不同的是,如今的微型光学感测技术先进性足以引起智能手机的全“面”革新。微型光学式指纹传感器的原理是什么?汇顶科技和苹果采用的技术是有所差异的,汇顶科技暂未透露出细节,不过我们可以就苹果采用的MicroLED技术来了解一番。

2012年前MicroLED技术还停留在实验室研发阶段。随着苹果公司于2014年5月收购拥有MicroLED多项专利技术的LuxVue公司,市场对该项技术的关注度达到了空前的高度。MicroLED技术,即LED微缩化和矩阵化技术。指的是在一个芯片上集成的高密度微小尺寸的LED阵列,显示屏每一个像素可定址、单独驱动点亮,将像素点距离从毫米级降低至微米级。

 

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MicroLED display,是将LED结构设计进行薄膜化、微小化、阵列化,其尺寸仅在1~10μm等级左右,再将MicroLED批量式转移至电路基板上,其基板可为硬性、软性之透明、不透明基板上;再利用物理沉积制程完成保护层与上电极,即可进行上基板的封装,完成结构简单的MicroLED显示。

根据美国专利和商标局于在2017年2月14日公布苹果公司美国专利号为9570002“集成红外二极管的交互式显示面板”,展示了采用MicroLED传感技术的触摸显示屏以及其如何实现指纹识别技术功能。

具体而讲,单独的红外发射管与传感二极管连接作为驱动,选择电路用于创建子像素电路。由于其体积小,这些红外二极管可以与RGB LED嵌入显示基板,或者安装在微型芯片上后再集成到所述基板。

在进行指纹识别操作时,集成有交互像素(所谓的“交互像素”,这种子像素排列可以将红、绿、蓝、红外发光二极管、红外探测器,以及其它颜色的阵列集成在分辨率非常高的面板)的屏幕的某一特定区域或者某几行扫描到用户的指纹信息。

当该距离达到足以感应到的距离,将生成位图并通知系统近似定位数据。在某些情况下,位图包括入射光强度信息,允许对对象及其表面进行深层分析。例如,通过检查位图的暗点和亮点,样本系统可以检测用户指纹中相应的脊线和皱褶。从而实现指纹识别的功能。

指纹识别技术是生物识别技术的主流技术,是身份认证的主流技术,它在各行各业得到了广泛的应用。现在用指纹功能的设备,必须有一个物理键让你扫描一个指纹,但随着触控和显示芯片的发展,高度集成化,未来的发展趋势是任何位置,我们可以在屏幕上完成的指纹识别。嵌入式指纹识别出现在核心,所以任何限制不影响设备制造商的工业设计的设备。随着指纹识别和触摸显示技术的融合越来越成熟,它也将越来越广泛,例如,快速付款、识别、个性化偏好定制等,很可能将密码用指纹识别技术所取代。

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