智能指紋鎖的技術原理

　　指紋是指手指末端正面皮膚上凸凹不平的紋路，這些紋路在圖案、斷點和交點上是各不相同的，在信息處理中將它們稱作“特征”，醫(yī)學上已經(jīng)證明這些特征對于每個手指都是不同的，而且這些特征具有唯一性和永久性，因此，指紋的上述特性成為識別身份的最重要證據(jù)而廣泛應用于公安刑偵及司法領域。

　　配置結構

　　指紋鎖的核心部件：主板、離合器、指紋采集器、密碼技術、微處理器（CPU）、智能應急鑰匙。作為指紋鎖來說，最重要的應該是算法芯片，也就是心臟要好，你機械部分再做的好，如果認假度較高，隨便誰的指紋都能開，那還有什么用呢？

　　其次無論什么鎖，其本質(zhì)還是機械產(chǎn)品。指紋鎖屬于運用現(xiàn)代高科技改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的典范，它的核心技術首先還是機械技術的把握。機械技術主要由以下五方面：

　　1、前后面板的合理設計，即外觀，是顯著區(qū)別于同類產(chǎn)品的標志，更重要內(nèi)部的結構布局，直接決定著產(chǎn)品的穩(wěn)定性與功能發(fā)揮。這個過程，涉及設計、模具制作、表面處理等多個環(huán)節(jié)。因此，款式越多的廠家，相對來說，開發(fā)設計能力更強，穩(wěn)定性更好些。

　　2、鎖體。即能與門相聯(lián)的鎖舌的母體。鎖體的好壞，直接決定著產(chǎn)品的壽命。這是機械技術中，最最核心的技術，也是指紋鎖的命脈所在，也是行業(yè)中，最難解決的問題。95%的現(xiàn)有生產(chǎn)單位無法解決該問題，主要通過外購的方式配套。有實力的廠家，擁用自行設計、開發(fā)鎖體的能力。因此，鎖體是真正體現(xiàn)廠家技術水平的核心部件，也是整把指紋鎖的核心技術所在。

　　3、電機。電機是驅(qū)動器。就像電腦的驅(qū)動軟件一樣。是電子與機械的連接設備，力量的轉(zhuǎn)換中樞，起著承上啟下的重大作用。電機若停止工作或障礙，鎖將會自動開啟和無法鎖定。

　　4、指紋模塊及應用系統(tǒng)。這是電子部份的基礎。指紋模塊，同行功能相差無幾，主要還是看芯片及算法。

　　液晶屏

　　液晶顯示器操作更加方便、簡單，使指紋鎖更智能。配置液晶不是簡單的材料累加，更涉及到軟件和電路系統(tǒng)的合理設計?？偟膩碚f，使用這項技術就像指紋鎖本身替代機械鎖一樣，是技術和市場發(fā)展的必然！

　　芯片

　　目前國內(nèi)已經(jīng)成功研發(fā)出DSP指紋鎖專業(yè)處理芯片，國內(nèi)廠家進行算法軟件的燒錄；絕大部分指紋鎖廠家采用國內(nèi)指紋算法芯片。

　　傳感器

　　指紋傳感器主要為光學傳感器和半導體傳感器，

　　指紋模塊

　　基本特點

　　安全

　　指紋鎖是通過電子部件及機械部件的精密組合而生產(chǎn)出的安全產(chǎn)品。指紋鎖最本質(zhì)的無非是安全、便捷、時尚三個方面。拒真率和認假率無疑是最重要的指標之一，也可以稱作拒識率和誤識率，目前有幾種表達的方式：

　　（1）所用指紋頭的分辨率，如500DPI。

　　現(xiàn)有光學指紋傳感器的精度一般是30萬像素，也有個別企業(yè)采用10萬像素的。

　?。?）用百分比的方式：比如一些參數(shù)上寫的等。

　　當然這都是各個企業(yè)宣傳的參數(shù)，無論是500 DPI還是拒真率《0.1%對于普通用戶來說都只是個概念，也沒辦法檢測。

　?。?）對于“拒真率、認假率”相互之間此消彼長的說法，在一定程度上是正確的，這個好像在數(shù)學上是“假設檢驗”的概念：在同一水平上，拒真率高，認假率就低，反之亦然。這是反比關系。但是為什么說是在一定的程度上是正確的呢，因為如果工藝和技術水平提高的話，這兩個指標都能降下來，所以本質(zhì)上還是要提高技術水平。有些廠家為了加快認證，通過降低安全等級的做法，以犧牲安全為代價，來制造速度快、識別能力強的假像。這在樣鎖或演示鎖中出現(xiàn)的比較多。

　?。?）根據(jù)相關標準，家庭進戶門用指紋防盜鎖安全等級應當為3級，即拒真率≤0.1%，認假率≤0.001%。

　　耐用

　　1.理論上來講，多一個功能就多一個程序，那么產(chǎn)品損壞的可能性也就更大一點。但是這是在同一技術實力的廠家之間比較，如果技術實力高的，那么他們的產(chǎn)品完成可以做到比那些技術實力差的產(chǎn)品功能多、質(zhì)量好。

　　2.更關鍵的一點是：功能多的益處和功能帶來的風險的比較。如果功能帶來的益處大，那就可以說這個增加是值得的，就像你開車限速100碼，你再踩下油門需不需要付出違章或車禍代價是一樣的道理。如果這個功能不能給你帶來任何好處，那么這個功能就顯得多余了。所以說關鍵的不是考慮什么“多一個功能就多一個風險”而是這個風險值不值得承受。

　　3.就像聯(lián)網(wǎng)功能，一方面指紋在網(wǎng)絡傳輸過程中的穩(wěn)定性業(yè)界還不能肯定，另一方面，要破壞現(xiàn)有裝修，更重要的是，一旦被病毒入侵，將無“藥”可治。一旦接入網(wǎng)絡，被攻擊的可能性將大大增加。而電話報警一類的安防技術，則須單獨設置相關設備，且存在室內(nèi)輻射和誤報警的問題。特別是后者，由于除指紋鎖本身以外的技術和環(huán)境等外部因素影響

　　防盜

　　1.根據(jù)防盜性能劃分，流行的指紋鎖分為普通指紋鎖和防盜指紋鎖兩類。

　　普通指紋鎖，與原電子鎖差別不多，主要是改用指紋認證，但不通用于現(xiàn)有國產(chǎn)防盜門，這類指紋鎖不帶天地桿鉤件，不能使用防盜門天地安保系統(tǒng)（市場上有些進口指紋鎖不符合國家行業(yè)標準，只能用于木門）。

　　指紋防盜鎖，安全性更好，能適用于標準防盜門和木門上。這類鎖能將防盜門的帶天地鎖系統(tǒng)自動或半自動的聯(lián)結起來，不影響原有防盜門的性能。

　　2.防盜性能不同，市場價格也有天壤之別。具有機械防盜功能的指紋鎖價格明顯會高于沒有天地防盜功能的普通指紋鎖。因此，在選購指紋鎖，首先要根據(jù)門來選相應的鎖。

　　3.家庭使用的應選用防盜型指紋鎖，這樣對門的要求較低，不用改裝，售后維護方便。工程指紋鎖一般批量采購，能要求門廠同樣定向提供符合產(chǎn)品安裝的配套門。一般區(qū)分指紋鎖是工程指紋鎖還是家用指紋鎖的最直接方法就是看門柜鎖舌下長方形鎖體邊條（導向板）的長寬是否為24X240mm（主要的一種規(guī)格），少數(shù)為24X260mm、24X280mm、30X240mm，把手中心到門邊的距離一般在60mm左右。

　　主要功能

　　指紋鎖的功能：指紋開啟、密碼開啟、卡片開啟、應急鑰匙開啟，現(xiàn)如今還增加了手機遠程開啟的方式，讓消費者更加的信任和選擇指紋鎖。指紋鎖的主要功能就是安全和方便。除開門功能外，一般有增加、刪除和清空指紋功能，高性能的指紋鎖還配有液晶觸摸屏等人機對話系統(tǒng)，智能化水平較高，操作也相對方便并可提供操作引導、查詢使用記錄和內(nèi)置參數(shù)、設置狀態(tài)等功能。指紋管理功能為：增加指紋、刪除指紋、清空指紋、設置系統(tǒng)參數(shù)等很多功能。

　　供電方式

　　指紋鎖的供電方式一般分兩種，一種采用4節(jié)5號堿性電池，一般可以用一年左右;一種是采用兩套電路系統(tǒng)，兩套4節(jié)5號電池，指紋一套電路，密碼一套電路，一般一年半左右。（具體視功能、功耗設計、使用次數(shù)等不同而不同）。根據(jù)行業(yè)標準生產(chǎn)防盜指紋鎖，應當另加配應急供電接口，可用9V疊層電池外接供電。

　　附1：鎖芯

　　目前市面上的鎖芯等級大概分為A級、B級、超B級、C級、超C級、D級等等。它們的起源要追溯到1994年國家頒布《GA/T73-94》機械防盜鎖標準，里面明確了A級鎖和B級鎖，主要約束條件是A級鎖防止技術開鎖需大于1分鐘，B級鎖防技術開鎖需大于5分鐘。也就是說根據(jù)國家標準，目前市面上只有兩類鎖A級和B級，他們的主要區(qū)別是防技術開啟的時間，而不是樣式。

　　超B級、C級、超C級、D級等分級是鎖具生產(chǎn)商自行制定的企業(yè)標準分級，看似高于國家標準的A級、B級，但實際上是一種企業(yè)自己擬定的行為，每個企業(yè)的等級標準可能都不一樣，所以才會有今天鎖芯等級凌亂的市場現(xiàn)狀。

　　第一種 單排彈珠鎖 俗稱A級鎖

　　這種鎖使用彈珠結構，通常為7顆彈珠，所以在鑰匙上有大約7個深淺不一的圓點，這些圓點是從原先鋸齒結構的鋸齒發(fā)展過來的，結構非常簡單?？梢允褂瞄_鎖鉤直接技術開啟，或者錫紙開鎖工具快速打開。

　　第二種 雙排彈珠鎖 俗稱B級

　　這種俗稱B級的鎖芯，就是在A級的基礎上進行增加彈珠以達到雙排，原理和A級近似，但是由于增加了彈珠量，技術開鎖難度會更大，開啟使用的時間也會更長。最新的錫紙開鎖工具已經(jīng)為這種鎖單獨開發(fā)了模具，可實現(xiàn)快速開鎖，撞匙槍也可以無損開啟這種鎖。技術開鎖時間大于5分鐘，屬于國家標準中B級鎖具。

　　第三種 雙排+葉片 俗稱超B級

　　這種鎖是在B級的基礎上加了一條葉片槽，大幅提升了原彈珠結構的安全程度，但因為過于復雜比較容易出現(xiàn)故障。它最大亮點就是首次在民用鎖使用葉片結構，當然缺點就是葉片結構太少太薄弱。

　　第四種 全葉片鎖 俗稱C級

　　全葉片結構、全銑槽的鑰匙才是葉片鎖。

　　第五種 其他 俗稱C+級或者更高

　　在葉片鎖基礎上添加防盜功能，有添加鋼梁以及全不銹鋼的葉片鎖芯，這種設計是為了防止暴力打斷設計。C級葉片鎖雖然在技術上比較厲害，但是在抗暴力上和普通鎖芯沒什么區(qū)別。

　　其次還有帶空轉(zhuǎn)功能的鎖芯，可以抵抗電鉆暴力破壞，并增強防技開的能力，是目前比較頂級的技術。

　　附2：指紋識別技術

　　目前，市場中應用的指紋圖像的獲取技術主要有4種類型：光學掃描設備、溫差感應式指紋傳感器、半導體指紋傳感器、超聲波指紋掃描。

　　一、光學識別技術

　　借助光學技術采集指紋是歷史最久遠、使用最廣泛的技術。將手指放在光學鏡片上，手指在內(nèi)置光源照射下，用棱鏡將其投射在電荷耦合器件（CCD）上，進而形成脊線（指紋圖像中具有一定寬度和走向的紋線）呈黑色、谷線（紋線之間的凹陷部分）呈白色的數(shù)字化的、可被指紋設備算法處理的多灰度指紋圖像。

　　光學的指紋采集技術有明顯的優(yōu)點：它已經(jīng)過較長時間的應用考驗，一定程度上適應溫度的變異，可達到500DPI的較高分辨率等，最主要是價格低廉。也有明顯的缺點：由于要求足夠長的光程，因此要求足夠大的尺寸，而且過分干燥和過分油膩的手指也將使光學指紋產(chǎn)品的效果變壞。

　　光學指紋傳感局限性體現(xiàn)于潛在指印方面（潛在指印是手指在臺板上按完后留下的），不但會降低指紋圖像的質(zhì)量，嚴重時還可能導致2個指印重疊，顯然，難以滿足實際應用需要。此外，臺板涂層及CCD陣列會隨時間推移產(chǎn)生損耗，可能導致采集的指紋圖像質(zhì)量下降。但是具有無法進行活體指紋鑒別、對干濕手指的適用性差等缺點。

　　光學指紋識別系統(tǒng)由于光不能穿透皮膚表層（死性皮膚層），所以只能夠掃描手指皮膚的表面，或者掃描到死性皮膚層，但不能深入真皮層。在這種情況下，手指表面的干凈程度，直接影響到識別的效果。如果，用戶手指上粘了較多的灰塵，可能就會出現(xiàn)識別出錯的情況。并且，如果人們按照手指，做一個指紋手模，也可能通過識別系統(tǒng)，對于用戶而言，使用起來不是很安全和穩(wěn)定。

　　二、溫差感應式識別技術

　　溫差感應式識別技術是基于溫度感應的原理而制成的，每個像素都相當于一個微型化的電荷傳感器，用來感應手指與芯片映像區(qū)域之間某點的溫度差，產(chǎn)生一個代表圖像信息的電信號。

　　它的優(yōu)點是可在0.1s內(nèi)獲取指紋圖像，而且傳感器體積和面積最小，即目前通常所說的滑動式指紋識別儀就是采用該技術。缺點是：受制于溫度局限，時間一長，手指和芯片就處于相同的溫度了。

　　三、半導體硅感技術（電容式識別技術）

　　20世紀90年代后期，基于半導體硅電容效應的技術趨于成熟。硅傳感器成為電容的一個極板，手指則是另一極板，利用手指紋線的嵴和峪相對于平滑的硅傳感器之間的電容差，形成8bit的灰度圖像。

　　電容傳感器發(fā)出電子信號，電子信號將穿過手指的表面和死性皮膚層，直達手指皮膚的活體層（真皮層），直接讀取指紋圖案。由于深入真皮層，傳感器能夠捕獲更多真實數(shù)據(jù)，不易受手指表面塵污的影響，提高辨識準確率，有效防止辨識錯誤。半導體指紋傳感器包括半導體壓感式傳感器、半導體溫度感應傳感器等，其中，應用最廣泛的是半導體電容式指紋傳感器。

　　半導體電容傳感器根據(jù)指紋的嵴和峪與半導體電容感應顆粒形成的電容值大小不同，來判斷什么位置是嵴什么位置是峪。其工作過程是通過對每個像素點上的電容感應顆粒預先充電到某一參考電壓。

　　當手指接觸到半導體電容指紋表現(xiàn)上時，因為嵴是凸起、峪是凹下，根據(jù)電容值與距離的關系，會在嵴和峪的地方形成不同的電容值。然后利用放電電流進行放電。因為嵴和峪對應的電容值不同，所以其放電的速度也不同。

　　嵴下的像素（電容量高）放電較慢，而處于峪下的像素（電容量低）放電較快。根據(jù)放電率的不同，可以探測到嵴和峪的位置，從而形成指紋圖像數(shù)據(jù)。

　　與光學設備多采用人工調(diào)整改善圖像質(zhì)量不同，電容傳感器采用自動控制技術調(diào)節(jié)指紋圖像像素以及指紋局部范圍敏感程度，在不同環(huán)境下結合反饋信息生成高質(zhì)量圖像。由于提供了局部調(diào)整能力，即使對比度差的圖像（如手指壓得較輕的區(qū)域）也能被有效檢測到，并在捕捉瞬間為這些像素提高靈敏度，生成高質(zhì)量指紋圖像。

　　半導體電容指紋傳感器優(yōu)點為圖像質(zhì)量較好、一般無畸變、尺寸較小、易集成于各種設備。其發(fā)出的電子信號將穿過手指的表面和死性皮膚層，達到手指皮膚的活體層（真皮層），直接讀取指紋圖案，從而大大提高了系統(tǒng)的安全性。

　　半導體硅感技術最重要的優(yōu)點是能夠達到活體指紋識別。還可以在較小的表面上獲得比光學技術更好的圖像質(zhì)量，在1cm×1.5cm的表面上獲得200-300線的分辨率（較小的表面也導致成本的下降和能被集成到更小的設備中）。體積小、成本低，成像精度高，而且耗電量很小，因此非常適合在安全防范和高檔消費類電子產(chǎn)品中使用，被稱為光學以后的第二代指紋識別技術。

　　四、超聲波識別技術

　　超聲波指紋采集是一種新型技術，其原理是利用超聲波具有穿透材料的能力，且隨材料的不同產(chǎn)生大小不同的回波（超聲波到達不同材質(zhì)表面時，被吸收、穿透與反射的程度不同）。因此，利用皮膚與空氣對于聲波阻抗的差異，就可以區(qū)分指紋嵴與峪所在的位置。

　　超聲波技術所使用的超聲波頻率為1×104Hz-1×109Hz，能量被控制在對人體無損的程度（與醫(yī)學診斷的強度相同）。超聲波技術產(chǎn)品能夠達到最好的精度，它對手指和平面的清潔程度要求較低，但其采集時間會明顯地長于前述兩類產(chǎn)品，而且價格昂貴，也并不能做到活體指紋識別，所以目前使用稀少。

　　微光學式指紋識別技術

　　當前無論是的主流——電容式指紋識別傳感器，還是新秀——超聲波式指紋識別傳感器，都需要額外的指紋傳感器，只是前者需要在屏幕上開孔，后者可以隱藏在屏幕下面而已。

　　2017年，蘋果公司和匯頂科技推出了基于微型光學感測技術的指紋識別技術，這種技術巧妙地將顯示屏和指紋傳感器的融合于一體，支持全屏幕多處進行指紋識別。

　　指紋識別傳感器的工作原理“始”于光學式，“盛”于電容式，“延續(xù)”于超聲波式和微型光學式。轉(zhuǎn)了一圈，現(xiàn)在又回到了光學感測的路子上來了，不同的是，如今的微型光學感測技術先進性足以引起智能手機的全“面”革新。微型光學式指紋傳感器的原理是什么？匯頂科技和蘋果采用的技術是有所差異的，匯頂科技暫未透露出細節(jié)，不過我們可以就蘋果采用的MicroLED技術來了解一番。

　　2012年前MicroLED技術還停留在實驗室研發(fā)階段。隨著蘋果公司于2014年5月收購擁有MicroLED多項專利技術的LuxVue公司，市場對該項技術的關注度達到了空前的高度。MicroLED技術，即LED微縮化和矩陣化技術。指的是在一個芯片上集成的高密度微小尺寸的LED陣列，顯示屏每一個像素可定址、單獨驅(qū)動點亮，將像素點距離從毫米級降低至微米級。

　　MicroLED display，是將LED結構設計進行薄膜化、微小化、陣列化，其尺寸僅在1~10μm等級左右，再將MicroLED批量式轉(zhuǎn)移至電路基板上，其基板可為硬性、軟性之透明、不透明基板上；再利用物理沉積制程完成保護層與上電極，即可進行上基板的封裝，完成結構簡單的MicroLED顯示。

　　根據(jù)美國專利和商標局于在2017年2月14日公布蘋果公司美國專利號為9570002“集成紅外二極管的交互式顯示面板”，展示了采用MicroLED傳感技術的觸摸顯示屏以及其如何實現(xiàn)指紋識別技術功能。

　　具體而講，單獨的紅外發(fā)射管與傳感二極管連接作為驅(qū)動，選擇電路用于創(chuàng)建子像素電路。由于其體積小，這些紅外二極管可以與RGB LED嵌入顯示基板，或者安裝在微型芯片上后再集成到所述基板。

　　在進行指紋識別操作時，集成有交互像素（所謂的“交互像素”，這種子像素排列可以將紅、綠、藍、紅外發(fā)光二極管、紅外探測器，以及其它顏色的陣列集成在分辨率非常高的面板）的屏幕的某一特定區(qū)域或者某幾行掃描到用戶的指紋信息。

　　當該距離達到足以感應到的距離，將生成位圖并通知系統(tǒng)近似定位數(shù)據(jù)。在某些情況下，位圖包括入射光強度信息，允許對對象及其表面進行深層分析。例如，通過檢查位圖的暗點和亮點，樣本系統(tǒng)可以檢測用戶指紋中相應的脊線和皺褶。從而實現(xiàn)指紋識別的功能。

　　指紋識別技術是生物識別技術的主流技術，是身份認證的主流技術，它在各行各業(yè)得到了廣泛的應用?，F(xiàn)在用指紋功能的設備，必須有一個物理鍵讓你掃描一個指紋，但隨著觸控和顯示芯片的發(fā)展，高度集成化，未來的發(fā)展趨勢是任何位置，我們可以在屏幕上完成的指紋識別。嵌入式指紋識別出現(xiàn)在核心，所以任何限制不影響設備制造商的工業(yè)設計的設備。隨著指紋識別和觸摸顯示技術的融合越來越成熟，它也將越來越廣泛，例如，快速付款、識別、個性化偏好定制等，很可能將密碼用指紋識別技術所取代。