Design and Implementation of a Fingerprint

Based Lock System for Shared Access

Abstract

Security has always been a major concern for the households and the office environment, and for this concern various approaches are in place to address the problem. Most of the major door lock security systems have several loopholes which could be broken down to gain access to the desired places, and it creates a concern for a secure lifestyle and proper working environment. Additionally, terrorism and unauthorized access to places have become a major issue now-a-days, and there is a need for a secure system to prevent unauthorized access especially in shared access environment. With this consideration, a design and prototype of a biometric fingerprint based door lock system has been presented in this paper. Biometric systems such as fingerprint provide tools to enforce reliable logs of system transactions and protect an individualrsquo;s right to privacy. The RFID or password based door lock mechanisms can easily be compromised when the RFID card or passwords are shared or stolen, thus for facilities with shared access require biometric- based secure system. In the proposed system, fingerprints of the authorized users are enrolled and verified to provide access to a facility that is used by multiple users. A user can also be removed and a new user can be enrolled in the system. We have implemented a centralized control system from where we can control who can enter in which rooms and who cannot. This is an Arduino UNO device based flexible working device that provides physical security using the fingerprint sensor technology.

Keywords Bio-metrics; Fingerprint sensor; Security Sys- tem; Authorization

INTRODUCTION

These days office/corporate environment security is a major threat faced by every individual when away from home or at the home. When it comes to security systems, it is one of the primary concerns in this busy competitive world, where human cannot find ways to provide security to his confidential belongings manually. Instead, He finds an alternative solution which provides better, reliable and atomized security. This is an era where everything is connected through network, where anyone can get hold of information from anywhere around the world. Thus chances of onersquo;s info being hacked are a serious issue. Due to these risks itrsquo;s very important to have some kind of personal identification to access onersquo;s own info. Now a dayrsquo;s personal identification is becoming an important issue all around. Among mainstream personal identification methods we mostly see password and identification cards techniques. But it is easy to hack password now and identification cards may get lost, thus making these methods quite unreliable.

There are certain situations which are very annoying like when a person locks himself out of his house or office or he leaves his key inside or sometimes when a thief just breaks the lock and steals everything. These kinds of situations always trouble people who use manual door lock with keys. Although in some places people use smart cards, there might arise a situation when someone loses the card or keeps the card inside. Then in other scenarios there are caretakers for locking houses or offices and keeping the keys safe. But then again there are times when a person in charge of the keys might not be available or has gone to some emergency routine, which can cause unwanted delay for people who need the key straightaway. These are some of the hassles that people might face when using keys or smart cards. That is when our system, fingerprint based lock system comes into play. Our design is implemented to provide better securities as users donrsquo;t need to remember passwords and donrsquo;t need any sort of keys or cards that often get lost. If someonersquo;s fingerprint is authorized in the system he would not face any sort of delays to enter a room.Fingerprint recognition is one of the most secure systems because a fingerprint of one person never matches with the others. Therefore unauthorized access can be restricted by designing a lock that stores the fingerprints of one or more authorized users and unlock the system when a match is found. Bio-metrics authorization proves to be one of the best traits because the skin on our palms and soles exhibits a flow like pattern of ridges on each fingertip which is unique and immutable. This makes fingerprint a unique identification for everyone. The popularity and reliability on fingerprint scanner can be easily guessed from its use in recent hand-held devices like mobile phones and laptops.

In this paper, we discuss the background in Section II where the bio-metric based lock systems have been discussed, pro- posed solution and finger print method are given in Section III. Then we describe the design and implementation of the pro- posed lock system in Section IV. The implementation details includes circuit diagram, software implementation, enrollment and deletion of fingerprints, function of the complete system. Section V contains the results and discussions on the testing and people feedback of the implemented system. This paper is concluded in Section VII following a section on future work.

The significance of electronic lock design and its design features

Single chip microcomputer, also known as single-chip microcomputer or single-chip microcomputer. It is a microcomputer that integrates the main computer functional parts such as CPU, ram, ROM, I / O port on an integrated circuit chip. The emergence of the computer has accelerated the pace of human transformation of the world, but it is large after all. The microcomputer (single chip microcomputer) was born in this situation. What has it changed for us? Looking at all areas of our life, from the navigation device of the missile to the control of various ins

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设计并实施基于指纹的锁定系统实现享访问

摘 要

安全问题一直是家庭和办公环境的一个主要问题，为了解决这个问题，有各种方法。大多数主要的门锁安全系统都有几个漏洞，这些漏洞可能会被打破，以便进入所需的地方，这就产生了对安全生活方式和适当工作环境的担忧。此外，恐怖主义和未经授权进入场所已成为当今的一个主要问题，需要一个安全系统来防止未经授权进入，特别是在共享访问环境中。基于此，本文提出了一种基于生物特征指纹的门锁系统的设计与原型。指纹等生物识别系统提供了执行可靠的系统交易日志和保护个人隐私权的工具。当RFID卡或密码被共享或窃取时，基于RFID或密码的门锁机制很容易被破坏，因此对于共享访问的设施，需要基于生物特征的安全系统。在所提出的系统中，授权用户的指纹被登记和验证，以提供对多个用户使用的设施的访问。还可以删除用户，并在系统中注册新用户。我们已经实施了一个集中控制系统，从那里我们可以控制谁可以进入哪些房间，谁不能进入。这是一款基于Arduino UNO设备的灵活工作设备，使用指纹传感器技术提供物理安全性。

关键词 生物计量指标；指纹传感器；安全系统；授权

简介

如今，办公室/公司的环境安全是每个人在离家或在家时面临的主要威胁。当涉及到安全系统，这是一个主要的关注在这个繁忙的竞争世界，在那里人类无法找到方法来提供安全，他的机密财产手动。相反，他找到了另一种解决方案，提供更好、可靠和原子化的安全性。这是一个一切都通过网络连接的时代，任何人都可以从世界任何地方获得信息。因此，一个人的信息被黑客攻击的可能性是一个严重的问题。由于这些风险，有某种个人身份证来获取自己的信息是非常重要的。如今，一天的个人身份认证正成为一个重要的问题。在主流的个人识别方法中，我们主要看到密码和身份证技术。但现在破解密码很容易，身份证可能会丢失，因此这些方法相当不可靠。有些情况非常烦人，比如一个人把自己锁在家里或办公室外面，或者把钥匙忘在里面，或者有时一个小偷把锁撬开偷走了所有东西。这类情况总是困扰着使用带钥匙的手动门锁的人。虽然在一些地方人们使用智能卡，但可能会出现一种情况，即有人丢失了卡或将卡放在里面。然后在其他情况下，有看管锁房子或办公室，并保持安全的钥匙。但是，有时钥匙的负责人可能不在，或者去做了一些紧急事务，这可能会给那些马上需要钥匙的人造成不必要的耽搁。这些是人们在使用钥匙或智能卡时可能面临的一些麻烦。这就是我们的系统，基于指纹的锁系统发挥作用的时候。我们的设计是为了提供更好的安全性，因为用户不需要记住密码，也不需要任何经常丢失的密钥或卡。如果某人的指纹在系统中得到授权，他就不会面临任何形式的进入房间的延误。指纹识别是最安全的系统之一，因为一个人的指纹永远不会与其他人匹配。因此，可以通过设计一个锁来限制未经授权的访问，该锁存储一个或多个授权用户的指纹，并在找到匹配项时解锁系统。生物计量认证被证明是最好的特征之一，因为我们手掌和脚底上的皮肤在每个指尖上都呈现出一种流动的纹路，这种纹路是独特的和不变的。这使得指纹成为每个人的唯一身份。指纹扫描仪的普及程度和可靠性可以很容易地从它在手机和笔记本电脑等手持设备上的应用中猜出来。

本文在第二节讨论了基于生物计量的锁系统的背景，第三节给出了提出的解决方案和指纹识别方法，第四节描述了提出的锁系统的设计和实现，具体实现包括电路图、硬件电路图和硬件电路图，软件实现，注册和删除指纹，功能齐全。第五部分包含测试结果和讨论，以及对所实现系统的人员反馈。本文在第七节结束，随后是关于今后工作的一节。

电子锁设计的意义

单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口 （I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。 计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积大。微计算机（单片机）在这种情况下诞生了，它为我们改变了什么？纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC 卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了，且容易升级改善。

电子锁可以在日常生活和现代办公中，住宅与办公室的安全防范、单位的文件档案、财务报表以及一些个人资料的保存等多种场合使用。大大提高了主人物资的安全性，安全可以代替老式机械锁。目前使用的密码锁种类繁多，各具特色。本文从经济实用的角度出发，采用STC89C52单机，研制了一款具有防盗自动报警功能的电子密码锁。该密码锁设计方法合理，简单易行，成本低，符合住宅、办公室用锁要求，具有一定的推广价值。

背景

本研究分析了目前住宅和办公室使用的门锁系统。人们发现，虽然这些方法在最初的日子里是有用的，但最终它们会过时，并对安全问题构成很大威胁。它们也被认为是非常昂贵的。下面是对现有系统优缺点的讨论。（1）门闩系统。该系统遵循的安全协议是“一把钥匙换一把锁”。有几天，这是令人满意的，但有一次，它被证明是错误的，事实上，多个钥匙可以很容易地为一个锁。因此，这一制度在当今时代被认为是脆弱和过时的。（2）密码验证。该系统存储经过身份验证的用户的密码，用于验证，为用户提供了相当大的安全性。耗电效率高，使用方便。但是，未经授权的用户可以通过不同的方法（黑客、猜测等）轻松获取密码。（3）RFID阅读器认证。射频识别（RFID）是一种基本且廉价的技术，可实现无线数据传输。有了RFID，无线自动识别采取了一种非常特殊的形式：物体、位置或个人用一个带有RFID标签的唯一识别码进行标记，该标签以某种方式附着或嵌入目标。该系统具有一些优点，如RFID卡上的数据只能通过专用设备读取，从而保证了芯片上记录的数据的安全性。RFID系统可以很容易地复制或卡可能落入坏人手中。（4）面部探测器锁这些系统很难从两个完全不同的视角和不同的光照条件下拍摄的图像中识别人脸。在没有任何背景信息的情况下，面部本身是否是从大量身份中识别一个人的充分基础，并具有极高的可信度，这是值得怀疑的。(5)视网膜扫描仪。视网膜血管系统结构丰富，应该是每个人和每只眼睛的特征。图像采集需要一个人窥视一个眼睛并聚焦在视野中的一个特定点上，这样就可以对视网膜血管系统的预定部分进行成像。此设备经常用于安全目的。该装置的误收率和拒收率较低。但该装置存在的问题是，使用不方便，设备成本高。（6）虹膜扫描仪。虹膜识别是一种基于虹膜特征提取的生物认证方法。每个个体都有一个独特的虹膜；这种变异甚至存在于同卵双胞胎之间以及同一个人的左右眼之间。使用虹膜扫描仪的优点是，它具有非常高的精度，并且虹膜扫描仪的精度会受到照明变化的影响。由于虹膜是一个小目标和扫描仪不能正确执行多人不同的身高。虹膜识别技术的主要缺点是虹膜扫描仪非常昂贵，需要大量内存来存储数据。

1. 语音识别。语音识别或说话人识别是从简短的话语中识别说话人的问题。这种生物特征识别技术利用了语音的声学特征，这些特征在不同的个体中是不同的。这些声学模式反映了解剖学（如喉咙和嘴巴的大小和形状）和学习到的行为模式（如音调、说话风格）。基于语音的识别的一个缺点是，语音特征对许多因素非常敏感，例如背景噪声。

拟建船闸系统

人类使用指纹进行个人识别已经有很多世纪了，而使用指纹进行匹配的准确率已经被证明是非常高的。指纹是指尖表面的隆起和凹陷的图案，其形成是在胎儿发育的前7个月确定的。同卵双胞胎的指纹是不同的，同一个人每个手指上的指纹也是不同的。如今，一台指纹扫描仪的价格约为20美元

当大量订购时，将基于指纹的生物识别技术嵌入系统（如笔记本电脑）的边际成本在大量应用中变得可以承受。目前可用的指纹识别系统的精度足以用于涉及几百个用户的验证系统和中小型识别系统。一个人的多个指纹提供了额外的信息，允许大规模识别涉及数百万个身份。这是一个完美的解决方案，以保护一个人从麻烦的被盗/丢失的钥匙或未经授权的进入。

1. 基于指纹的门锁

我们提出的基于指纹的锁系统是一个可靠和非常安全的锁，不仅可以确保更安全的环境，而且可以简化生活方式。该系统在住宅楼、大型办公楼、大学等领域有着广泛的应用前景。因为它提供了向系统添加更多功能的灵活性。用户不需要从头开始实现许多系统。他们可以简单地使用我们的指纹锁系统，因为指纹扫描是更准确和更具成本效益的方法。它也是安全的，因为指纹复制几乎是不可能的。此外，我们还使用了密码安全认证系统，确保未注册人员的访问。

2.指纹识别

指纹是生物特征识别的多种形式之一，用于识别个人和验证其身份。为了匹配而分析指纹通常需要比较指纹图案的几个特征。这些特征包括纹路和细节点，纹路是纹路的集合特征，细节点是纹路中的独特特征。为了成功地应用某些成像技术，还必须了解人类皮肤的结构和特性。细节和模式在指纹分析中非常重要，因为没有两个手指被证明是相同的。指纹脊的三种基本图案是拱形、环形和螺纹。

（1）弓形：脊从手指的一侧进入，在中间上升形成一个弧形，然后从手指的另一侧退出。

（2）循环：脊线从手指的一侧进入，形成曲线，然后从同一侧退出。

（3）轮匝：围绕手指的中心点形成环状纹路。在轮生图案中，纹路在手指周围形成圆形。

指纹识别系统可用于验证和识别。在验证中，系统将输入指纹与特定用户的注册指纹进行比较，以确定它们是否来自同一个手指（1:1匹配）。在身份识别中，系统将输入的指纹与数据库中所有注册用户的指纹进行比较，以确定该人是否已经以重复身份或虚假身份（1:N匹配）为人所知。检测多个注册，即同一个人以不同的名字获得多个凭证（如护照），需要指纹的否定识别功能。

在设计锁时，我们希望在整个锁本身以及内部组件方面实现简单性。锁将挂在门口旁边的墙上，包括一个指纹传感器。我们增加了一个蜂鸣器系统来通知设备的使用情况，以及一个键盘，可以用来输入密码，以便在指纹持有者不存在的情况下允许访问。如图1所示，系统中增加了一个附加开关，以便内部人员可以打开车门。我们使用的是光学指纹传感器。光学指纹传感器使用反射光扫描手指表面，几乎100%的准确率。我们使用的传感器叫做FPM10A指纹传感器。

本项目的主要组成部分包括：

（1）Arduino Uno，指纹传感器

（2）电子锁、按钮、蜂鸣器

（3）4X4矩阵键盘

（4）通道继电器模块

此外，我们使用了一个试验板，公对公连接线，塑料胶，12V电源适配器，硬塑料外壳和门。

图1指纹门锁示意图

图2系统流程图

如图2所示，当将手指放置在传感器上时，它将读取打印并将其与保存在传感器内的指纹匹配。如果找不到匹配项，设备将不会执行任何操作。如果找到匹配，它将发出一声嗡嗡声，并触发电子锁以解锁车门。除了保存在设备中的指纹外，还将保存4位密码。键盘可用于输入密码以供访问。每按一个按键，在输入代码时，都会发出低嘟嘟声；如果输入了正确的代码，车门将打开，发出一声嗡嗡声。如果输入错误代码，车门将保持锁定状态，并发出两次蜂鸣声。3次失败尝试后，车门将持续嗡嗡3秒钟。在门道内安装开关。按一下门就会发出一声嗡嗡声。本项目总成本仅为7790 BDT。本项目的大规模制造将以较低的成本获得收益。

设计与实现

本节详细介绍了硬件和软件实现。

1. 系统块图。

图3整个系统的块图

2.硬件实现。

如图3所示，我们设置设备，然后根据框图连接它们。传感器的Tx out和Rx in分别连接到Arduino Uno的针脚2和针脚3。电子锁与Uno的一个输出端口相连。使用继电器建立网络，可在5V和12V电气部件之间切换。现在我们已经把ArduinoUno连接到笔记本电脑上，用于注册指纹。我们需要与计算机连接，以便将ID分配给打印。这可以通过智能手机和Arduino应用程序来完成。我们将ID保存到传感器中，并将代码上传到Uno。我们断开Uno与计算机的连接，打开电源适配器。一旦获得电源，系统就会启动保存在内部的指纹ID，等待匹配打印。如果找不到匹配，键盘和开关保持激活状态。一旦找到匹配，蜂鸣器会嗡嗡一次，锁将打开。如果找不到匹配项，系统将根本不会采取任何操作。扫描仪每秒可以执行100次以上的扫描，因此当有人放置手指时，如果指纹匹配，它会立即响应。该系统可存储多达126个指纹ID。因此，它可以控制126个不同的人的访问。整个系统回顾：（1）126个不同的指纹可注册到系统中，以打开门。

（2）放置注册手指时，锁将解锁5秒，无噪音或嗡嗡声。（3）可通过键盘输入4位密码。（4）每按一个键，都会发出嘟嘟声。一个成功的代码打开了一个单一的嗡嗡门。（5）输入不正确不会打开车门；系统将在不久内发出两次嗡嗡声。（6）键盘上3次失败尝试将使系统持续嗡嗡3秒钟，通知入侵尝试。（7）从内部按下开关时，锁会发出一声嗡嗡声，解锁5秒。

3.软件实现。

首先，我们从网上下载了ada水果指纹传感器库。为了注册新手指，我们把简单的草图并上传到Arduino。然后遵循下面图4所示的过程。

（1） 指纹验证过程：为了验证卷起来的手指，我们将手指放在已经卷起来的手指上。如果arduino识别出指纹，车门将解锁，否则车门将保持锁定。

（2） 指纹删除过程：要删除任何指纹，请在串行监视器中键入ID，它将删除该指纹。步骤如图5所示。图6给出了基于指纹

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