CN104182740A - 一种基于电容感应技术的身份认证系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以生物验证技术支撑的身份认证系统，具体是一种触摸手势密文与个体电容唯一性相结合的身份认证系统，该系统具体包括以下部分：电源装置，提供工作电压和电流；用户交互界面，发送登录、注册、管理请求；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的变化信号；数据处理单元，将采集数据生成固定格式的文件；数据存储装置，存储文件；模式匹配识别单元，对使用者的文件进行模式识别，判断身份是否合法。本发明增强了身份认证的安全性，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身份认证系统。

Description

一种基于电容感应技术的身份认证系统

技术领域

本发明涉及一种以生物验证技术支撑的身份认证系统，具体来说是一种触摸手势密文与个体电容唯一性相结合的身份认证系统，属于信息安全技术领域。

背景技术

随着网络技术的不断发展，人类物理与虚拟活动空间的不断扩大，现代社会对于人类身份识别的准确性、安全性和实用性提出了越来越高的要求。

身份验证方法，大致可以分为：传统的证件验证、签名验证，现代大规模应用的智能卡/IC卡验证，以及未来生物特征验证等。从可靠性与安全性方面来看，证件是最容易被假冒与仿制的，也存在被他人代用的问题；而智能卡不容易被假冒与仿制，在安全性上比证件要高，但同样存在他人代用、遗失与损坏的问题。前两种方案，自身的识别完全依赖于自身以外的其他证物和手段，不方便用户操作，容易被假冒伪造，已经不能很好的适应新的要求。而正在蓬勃发展的生物特征验证技术，由于自身的识别只依赖本身，因而具有极高的准确性，又因为整合了现代先进的电子、通信、网络、计算机等各种高技术手段，具有安全、快速、方便的特性，很好的满足了未来社会的发展需求。

目前较为广泛使用的生物验证手段，有指纹、掌纹、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；掌纹验证技术类似于指纹；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。

而人体电容特征，与人体的完整性相关，可以作为身份认证的参考依据。目前也有利用电容识别的系统，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

为了解决现有身份认证技术中存在的易假冒、他人代用以及容易损坏丢失的诸多困难，本发明提供一种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身份认证，而且非法用户想用模仿合法用户手势的方式通过身份验证是不可行的基于扫频电容感应技术的身份认证系统。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于电容感应技术的身份认证系统，包括

数据存储装置：用于存储用户的密文数据文件；

扫频驱动：用于产生扫频信号，并将扫频信号加载到触摸感应装置上；

触摸感应装置：用户在触摸感应装置上录入手势，引起加载在其上的扫频信号的变化，变化的信号中包含用户身份信息，可作为密文；

数据采集装置：用于采集扫频信号的变化模拟量，并将其转换为数字量；

数据处理单元：用于将数字量转变为数据文件；

模式匹配识别单元：用于将采集到的数据文件与数据存储装置中的数据文件

进行比较，识别是否为录入系统的合法用户。

进一步，包括用户交互界面，所述用户交互界面包括：

(1)用户注册，用于具有合法权限的新用户的手势密文的录入；

(2)用户登录，登录后录入手势密文，等待系统将新密文与数据存储装置中该用户的密文对照后，根据模式匹配认证单元给出的结果，决定认证是否通过；

(3)用户学习，用于已经存入系统的用户，在认证成功状态下，进行密码修改；

(4)管理员管理：管理员通过系统认证后，可以修改系统中使用者的权限。

进一步，所述扫频驱动包括信号发生单元、放大模块、滤波模块和驱动电路，所述信号发生单元用于产生扫频信号，通过放大模块放大，滤波模块滤波，得到频率变化范围为100kHz到250kHz，步进为100Hz的扫频信号，所述驱动电路将扫频信号作用在触摸感应装置上。

进一步，所述数据采集装置包括电压跟随电路、包络检波电路和AD转换模块，减小功率损耗，检出有用信息，并进行采样，采集扫频信号的幅度与频率变化，并将模拟量转换为数据量。

进一步，所述数据存储装置为每一个用户划分一个独立的存储区域。

对比传统身份认证，比如密码认证或者智能卡/IC卡认证，本发明增强了身份认证的安全性，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身份认证系统。与传统身份认证不同，本发明将生物特征验证技术应用在身份验证技术中，与现阶段存在的生物验证技术相比，本文中的身份认证方法，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，这种认证方法，更有利于保护用户的人身安全和认证系统安全。

附图说明

图1为系统结构图；

图2为扫频驱动结构图；

图3为数据采集装置结构图；

图4为通信协议流程图；

图5为异步串口时序图；

其中，1为电源装置，2为用户交互界面，3为触摸感应装置，4为扫频驱动，5为控制单元，6为数据采集装置，7为数据处理单元，8为数据存储装置，9为模式匹配识别单元，10为信号发生单元，11为放大电路，12为滤波电路，13为驱动电路，14为电压跟随电路，15为包络检波电路，16为AD转换模块。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详细说明。

图1为系统结构图。如图1所示，本发明基于电容感应技术的身份认证系统，包括电源装置1、用户交互界面2、触摸感应装置3、扫频驱动4、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。

所述电源装置1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1能对电源整流，得到稳定的工作电流和电压；所述用户交互界面2用于实现用户注册、登录、学习功能，以及管理员管理系统数据，和系统显示对用户的认证结果。

所述用户交互界面2包括：(1)用户注册，用于具有合法权限的新用户的手势密文的录入；(2)用户登录，登录后录入手势密文，等待系统将新密文与数据存储装置8中该用户的密文对照后，根据模式匹配认证单元9给出的结果，决定认证是否通过；(3)用户学习，用于已经存入系统的用户，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)管理员管理：管理员通过系统认证后，可以修改系统中使用者的权限。具体应用情景为，比如这是一个公司的身份验证系统，公司的员工甲跳槽到另外一个公司，那甲就不具有以前这个公司的身份认证权限了，那么管理人员就应该在系统中剔除这个人的数据。

所述触摸感应装置3用于录入用户的触摸手势，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3实现，所述扫频驱动4用于产生扫频信号，其输出的正弦波信号的频率随时间在一定范围内反复扫描，并加载在触摸感应装置3上，用户触摸感应装置时，会引起扫频信号的变化，得到回波电路在一段频率范围内幅频特性曲线；变化的信号中包含用户身份信息，可作为密文；所述数据采集装置6用于采集触摸感应装置3上的变化模拟量，经过滤波、解调，最后转换为数字量；所述数据处理单元7用于将数字量转变为数据文件；所述数据存储装置8将密文数据文件进行存储。

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，触摸感应装置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，即由扫频驱动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。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。

使用者在触摸感应装置3上依次做三个手势密文，所述模式匹配识别单元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都一样，那认为使用者是合法用户，从而实现身份认证的过程。做出判断，将结果发送给控制单元5，去控制用户交互界面2的认证显示结果；各个部分在控制单元5的控制下，有序工作。

借鉴传统密码识别的特点，在数据存储装置8中为每一个用户划分了一个独立的存储区域，分别存储数据文件，降低识别用到的分类数量，提高识别的准确率。

图2为扫频驱动4的结构图。如图2所示，所述扫频驱动4包括信号发生单元10、放大电路11、滤波电路12和驱动电路13，所述信号发生单元10用于产生扫频信号，之后通过放大电路11放大，通过滤波电路12滤波，得到频率变化范围为100kHz到250kHz，步进为100Hz的扫频信号，所述驱动电路将扫频信号作用在触摸感应装置上。

图3为数据采集装置6的结构图。如图3所示，所述数据采集装置6包括电压跟随电路14、包络检波电路15和AD转换模块16，通过电压跟随电路14减小功率损耗，防止前后级电路级联时，带来的影响，比如常见的阻抗匹配问题。当人体触碰触摸感应装置时，作用在触摸感应装置上的信号对触摸感应装置上本来就有的扫频信号进行干扰，两者作用结果相当调制，想要恢复真正的有用信号，需要解调。通过包络检波电路15对信号进行包络解调，检出调制信号，AD转换模块16对调制信号进行采样，得到扫频信号的幅度与频率变化，并将模拟文件转换为数字文件。

本发明具体实施例中，控制单元5由MSP430F2619单片机实现。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12，产生频率变化范围为100kHz到250kHz，步进为100Hz的扫频信号。

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100kHz到250kHz中采集500个点，最后发送给数据处理单元7。

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。模式匹配识别单元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。

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。

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：

如图4所示，是学习模式下，单片机与开发板之间的串口通信流程图。所述的“train_req”、“train_start”、“data_req”、“train_end”、“ack”都是利用字符串匹配方式作为协议的命令判定。

其大致过程为：开发板向单片机发送“train_req”学习请求；单片机回应开发板“train_start”；单片机与开发板之间成功建立连接；当单片机采集数据成功后，向开发板发送“data_req”数据请求；开发板发送“ack”回应；单片机向开发板发送一个数据帧，开启定时器；对于成功接收的数据帧，开发板向单片机发送“ack”确认；错误帧不予确认；若单片机定时器时间到，没有接收开发板的确认帧，自动重传此数据帧；当数据全部接收完成，开发板会向单片机发送“train_end”；单片机响应发出“ack”，断开连接，数据传输过程结束。

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。图5为异步串口时序图。如图5所示，异步串口通信协议包含起始位，奇偶效验位，以及停止位。起始位：由一个时钟周期的下降沿构成，表示一个完整的帧的开头定界符；数据位：这是衡量通信中实际数据位的参数，我们采用8位数据位作为传输协议；停止位：用于表示单个包的最后一位，典型的值为1，1.5和2位。

上述各实例仅用于说明本发明，各部分连接、实现使用硬件电路型号都是可以改变的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对各部分连接、改进和等同变化，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种基于电容感应技术的身份认证系统，其特征在于：包括

数据存储装置：用于存储用户的密文数据文件；

扫频驱动：用于产生扫频信号，并将扫频信号加载到触摸感应装置上；

触摸感应装置：用户在触摸感应装置上录入手势，引起加载在其上的扫频信

号的变化，变化的信号中包含用户身份信息，可作为密文；

数据采集装置：用于采集扫频信号的变化模拟量，并将其转换为数字量；

数据处理单元：用于将数字量转变为数据文件；

模式匹配识别单元：用于将采集到的数据文件与数据存储装置中的数据文件

进行比较，识别是否为录入系统的合法用户。

2.根据权利要求1所述的基于电容感应技术的身份认证系统，其特征在于：包括用户交互界面，所述用户交互界面包括：

(1)用户注册，用于具有合法权限的新用户的手势密文的录入；

(2)用户登录，登录后录入手势密文，等待系统将新密文与数据存储装置中该用户的密文对照后，根据模式匹配认证单元给出的结果，决定认证是否通过；

(3)用户学习，用于已经存入系统的用户，在认证成功状态下，可以更新系统存储器对应地址的内容，进行密码修改；

(4)管理员管理：管理员通过系统认证后，可以修改系统中使用者的权限。

3.根据权利要求1所述的基于电容感应技术的身份认证系统，其特征在于：所述扫频驱动包括信号发生单元、放大模块、滤波模块和驱动电路，所述信号发生单元用于产生扫频信号，通过放大模块放大，滤波模块滤波，得到频率变化范围为100kHz到250kHz，步进为100Hz的扫频信号，所述驱动电路将扫频信号作用在触摸感应装置上。

4.根据权利要求1所述的基于电容感应技术的身份认证系统，其特征在于：所述数据采集装置包括电压跟随电路、包络检波电路和AD转换模块，通过所述电压跟随电路减小功率损耗，通过所述包络检波电路检出调制信号，所述AD转换模块对调制信号进行采样，得到扫频信号的幅度与频率变化，并将模拟量转换为数字量。

5.根据权利要求1所述的基于电容感应技术的身份认证系统，其特征在于：所述数据存储装置为每一个用户划分一个独立的存储区域。