Емкостные сканеры отпечатков пальцев. Обзор датчика R301

С развитием технологий изобретается все большее количество способов, ограничивающим какие-то действия одним и позволяющая беспрепятственно совершать какие-либо действия другим. Одним из современных методов ограничения доступа являет распознавание отпечатков пальцев, основанный на уникальности папиллярного узора пальца каждого человека. Распознавание отпечатка пальца человека является одним из методов биометрической аутентификации. Данный метод аутентификации по отпечаткам пальцев, заглядывая в историю, был основан в 1877 году англичанином Уильямом Гершелем, который выдвинул гипотезу о неизменности папиллярного рисунка ладонной поверхности кожи человека. Эта гипотеза стала результатом долгих исследований Уильяма Гершеля, служившего полицейским чиновником в Индии.

Возвращаясь в современный мир, результатом умозаключений этого человека можно наблюдать широкий спектр различных устройств, способных сканировать, обрабатывать и сравнивать отпечатки пальцев разных людей. При этом давая хорошую точность распознавания отпечатка пальца и как результат, получаем лишь небольшой процент возможной ошибки. Ошибки при работе со сканерами отпечатков пальцев могут быть только двух типов: неправильное распознавание верного отпечатка и верное распознавания неверного отпечатка пальца.

Емкостные сканеры отпечатка пальца изготавливают на кремниевой пластине, которая содержит область микроконденсаторов. Они расположены равномерно в квадратной или прямоугольной матрице. Прямоугольные датчики считаются более подходящими, поскольку больше соответствуют форме отпечатка. 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. 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.

Итак, рассмотрим один из сканеров отпечатков пальцев, построенный по принципу емкостного сканера – R301 компании Grow Technology (цена на Aliexpress около 18$). 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
• Baud rate – 9600*n, n=1~12, по умолчанию 57600 bps
• 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
• Уровень безопасности – 5
• Диапазон рабочих температур – -10-+50 градусов Цельсия
• Режимы сравнения – 1:1, 1:N
• Емкость памяти библиотеки отпечатков - 1700

Датчик отпечатков пальцев R301 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 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.

Сканер отпечатков имеет достаточно низкий профиль, что вписывается в небольшие размеры самого модуля и упрощает процесс встраивания в какую-либо систему.

Сама библиотека отпечатков пальцев хранится во flash памяти 25q80 (восьми выводная микросхема), подключенной по SPI к цифровому сигнальному процессору. Кроме этого на этой стороне модуля расположены кварцевый резонатор на 24 МГц, стабилизатор напряжения с низким падением напряжения на 3,3 вольта XC6206 (элемент в корпусе sot-23 с маркировкой 662k) и резисторы и конденсаторы, необходимые для работы схемы.

Применение подобного модуля значительно снижает нагрузку на основной микроконтроллер СКУД или другой системы, использующей идентификацию по отпечаткам пальцев, а также упрощает проектирование этих систем. 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 и др.), что с одной стороны усложняет взлом, но с другой стороны упрощает. Информации о работе, да и другой информации тоже о самом сканере, расположенном на лицевой стороне модуля, производитель не дает. Если при физическом взломе датчика возможно добраться до линии данных UART или USB, то послать ложные данные основному микроконтроллеру для получения доступа не составит труда. Если же доступ есть только к сканеру модуля, то взломать систему будет достаточно сложно. Однако сама по себе технология сканирования отпечатка пальца полупроводниковой емкостной матрицей слабо защищает от взлома с помощью муляжей.

Для того чтобы усилить защиту от муляжей некоторые сканеры отпечатков пальцев имеют восприятие жизненных параметров при сканировании отпечатка: температура тела, частота пульса, кожно-гальваническая реакция, наличие пота и некоторые другие технологии. К сожалению, о наличии такой защиты от муляжей производитель R301 не указывает – либо восприятия жизненных параметров нет в данных датчиках, либо работает это ненадежно.

Следующим слабым местом сканеров отпечатков пальцев компании Grow Technology в целом является сам интерфейс передачи данных. Дело в том, что при успехе выполняемой операции (например, сравнение на совпадение отпечатка пальца в памяти модуля) модуль передает значение 0 (ноль), а если модуль просто отключить, то приемник данных будет все время получать нули, и таким образом будет подаваться разрешение на открытие замка или доступ. Этот момент нужно обязательно учитывать и предусматривать программно защиту от обрыва линии – то есть проверять не только байт данных о выполнении операции, но и остальные байты, включая заголовочные, что наверняка предотвратит доступ при обрыве линии данных сканера отпечатка пальцев.

Для того чтобы подключить модуль R301 к ПК можно использовать контакты USB или переходник USB-UART.

При подключении по USB устройство определиться как запоминающее устройство (здесь мы видим, что в роли цифрового сигнального процессора модуля выступает микроконтроллер STM32, так как устройство подписано именно так – зря производители стирали маркировку с микросхемы и заклеивали царапины). Однако, без готового софта эта функция нам бесполезна. При подключении к ПК через переходник USB-UART для оценки функционала и работоспособности модуля можно воспользоваться программой SFGDemo.

Для начала работы в программе необходимо указать COM порт USB-UART переходника и далее просто использовать кнопки необходимых нам функций модуля.Здесь можно использовать функции сохранению отпечатка, сравнения, поиска отпечатков среди сохраненных, а также получить изображение отпечатка пальца и сохранить его в виде рисунка.

В сравнении с оптическим сканером отпечатков пальцев R308, R301 имеет значительно меньший размер сканера и меньший сканируемый рисунок отпечатка пальца, но на работе это не сказывается – в обоих случаях имеем достаточно большую точность верного определения отпечатков пальцев.

Данные модули в основном предназначены для встраивания в системы, что делает интерфейс UART основным. Подключим датчик к микроконтроллеру:

На LCD дисплее отображаются необходимые данные для работы со сканером отпечатков пальцев, при включении схемы без замкнутых перемычек Jmp1 и  Jmp2 запускается основной цикл программы, когда микроконтроллер ждет получения отпечатка пальца от сканера и запускает поиск в памяти модуля при его появлении. При включении с замкнутой перемычкой Jmp1 запускается полное стирание памяти библиотеки отпечатков пальцев. При включении с замкнутой перемычкой Jmp2 запускается добавление 5 новых отпечатков пальцев в память модуля. Для добавления отпечатка пальца необходимо дважды приложить палец к сканеру для его сохранения в случае отсутствия ошибок при сканировании отпечатков.

Работа разных датчиков отпечатков пальцев компании Grow в основных своих функциях одинакова и при замене датчика на другой, изменять прошивку или структуру команд нет необходимости.

Основные команды, необходимые для работы с модулями сканеров отпечатков пальцев:

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Микроконтроллер
• STM32
• LCD