معماری بیومتریک اثر‌انگشتی (BIOFIHS) برای سیستم امنیت خانه

[vc_row][vc_column][vc_column_text]

چکیده

به گزارش BACpress،سیستم امنیت خانه یک فناوری نوظهور است که اخیرا توجه صاحبخانه‌ها را بسیار به خود جلب کرده است. نصب سیستم سیمی متعارف در خانه‌های در دست ساخت آسان است؛ اما برای خانه‌های ساخته‌شده، به یک پیکربندی پیچیده برای این قبیل سیستمها نیاز هست که متضمن هزینه قابل توجهی است. یک بدیل برای سیستم سیمی، سیستم بی‌سیم امنیت خانه بوده است. در مقاله حاضر یک سیستم ساده امنیت خانه که با استفاده از فناوری بیومتریک اثر انگشت پیاده‌سازی می‌شود را شرح داده‌ایم. این سیستم “امنیت خانه بیومتریکی اثر‌انگشتی” (BIOFIHS) نام دارد.

طرز کار BIOFIHS با استفاده از یک مدل شامل اجزاء سخت‌افزاری و نرم‌افزاری، نشان داده خواهد شد. سخت‌افزار شامل حسگرهای اثر انگشت، یک ریزکنترلر، یک مسیریاب شبکه‌ بی‌سیم، یک سرور اپلیکیشن، و یک گوشی هوشمند است. برای نرم‌افزار یک برنامه تهیه شده است تا داده‌های اثر انگشت را ثبت کرده و داده‌های روی سرور دور را وارسی کند. تمامی اجزاء به صورت بی‌سیم به شبکه خانه متصل شده اند و به این ترتیب می توان سیستم را به سهولت بیشتر و هزینه کمتری نصب کرد.

1.مقدمه

توسعه فناوری اطلاعات و ارتباطات در حال حاضر اسباب آسایش کاربران را فراهم آورده و در حال بهبود جنبه‌های گوناگون حیات بشر است. این فناوری، خانه هوشمند را نیز شامل می‌شود که آن را با نام اتوماسیون خانه نیز می‌شناسند. خانه هوشمند در دهه 60 پدیدار گشت. در آن زمان نخستین دستگاه پردازش اتوماسیون خانه با نام Echo IV طراحی شد. این ماشین، که محصول سرمایه‌گذاری شخصی مهندسی اهل وستینگ‌هاوس بود با هدف کنترل دمای خانه و روشن کردن وسایل خانگی طراحی شده بود (کینگ، 2015).

اما اصطلاح خانه هوشمند را “انجمن خانه‌سازان آمریکا” در سال 1984 جعل کرد (آلدریچ، 2003). سپس در سال 1994، BESTA Norway پروژه فناوری خانه هوشمند را برای سالخوردگان آغاز کرد (فانس، 2014). اما تا سال 2000 ایده خانه هوشمند چندان محبوبیتی نداشت. بحث درخصوص خانه هوشمند در اواخر سال 2013 داغ شد و آن زمان بود که توجه بسیاری از صاحبخانه‌ها را به خود جلب کرد.

فناوری کنونی خانه هوشمند به صاحبخانه‌ها اجازه می‌دهد که دستگاه‌های الکترونیکی مختلف خانه را به یک سیستم یکپارچه متصل کنند که از طریق یک گوشی هوشمند یا گجتهای دیگر به آن دسترسی هست. همچنین در خانه هوشمند برای افزایش امنیت خانه، سیستمی فراهم آمده که دسترسی صاحبخانه‌ها به ساختمان را مورد احراز هویت قرار می‌دهد. مقصود خانه هوشمند، بهبود کیفیت زندگی و ایمنی ساکنین خانه است.

از نظر رابلز و کیم (2010) منظور از اصلاح خانه هوشمند این است که با استفاده از یک سیستم کنترل که با یک سیستم اتوماسیون خانه یکپارچه شده است دسترسی ساکنین مورد احراز هویت قرار می‌گیرد. این سیستم فقط با فشار چند دکمه که به یک سیستم ساده ارتباطات از راه دور متصل هستند امکان کنترل الکترونیکی را برای صاحبخانه‌ها فراهم می‌آورد. جنبه‌های مختلف خانه هوشمند عبارتند از ارتباطات، سرگرمی، امنیتی، و سیستم‌های اطلاعاتی.

راهکار برای افزایش محبوبیت خانه هوشمند

بسیاری از صاحبخانه‌ها هنوز از خانه هوشمند استقبال نمی‌کنند. دلیلش این است که طراحی و نصب یک سیستم سخت‌افزاری خانه هوشمند گران است، ضمن اینکه کار نصبش  آسایش کسانی که هم‌اکنون در خانه ساکنند را بر هم می‌زند. از این رو به بدیلی ساده‌تر و ارزانتر نیاز هست. سیستم خانه هوشمند بی‌سیم یکی از راه‌حلهای موجود برای فائق آمدن بر این دشواری است. سیستم خانه هوشمند بی‌سیم، برخلاف سیستم سیمی، فرایند نصب ساده‌تر و ارزانتری دارد. انتظار می رود که سیستم بی‌سیم نیز همان کارکردها و تجربه سیستم سیمی را برای صاحبخانه‌ها داشته باشد. در همین راستا، مقاله حاضر به امنیت خانه می پردازد که بخشی از سیستم سراسری خانه هوشمند است.

سازمانیابی مقاله از این قرار است. در بخش 2 به بحث درباره مطالعات دیگری که در ادبیات این حوزه وجود دارد می‌پردازیم. سپس در بخش 3 معماری سیستم پیشنهادی را ارائه می‌دهیم. و نهایتا در بخش 4 مقاله را به سرانجام می‌رسانیم.

2.خانه هوشمند و امنیت

یک سیستم خانه هوشمند، از طریق یک سیستم مبتنی بر رایانه، مکانیزیمی خودکار برای نظارت و کنترل دمای خانه، دستگاه‌های چند‌رسانه‌ای، پنجره‌ها، درها، آلارم‌ها و … در اختیار می گذارد. این مکانیزم خودکار بخشی از سیستم امنیت خانه است که از ساکنین در مقابل خطر یا تهدید اعمال مجرمانه یا سایر رویدادهای غیرمنتظره‌ای که حریم خصوصی و امنیت آنها را مختل می‌کند، محافظت می‌کند. این سیستم ممکن است از یک رمز عددی نظیر کلمه‌عبور، یک شماره شناسایی شخصی (PIN)، عبارتهای عبور ، و توکن های امنیتی نظیر کارتهای هوشمند، و روشهای احراز هویت بیومتریک استفاده کند (ایشن‌گوما، 2014).

رمزهای عددی و توکن های امنیتی متداول‌ترین روشهای احراز هویت محسوب می‌شوند و خیلی وقت است که برای چنین کاربردی استفاده می‌شوند. هم‌اکنون یکی از روندهای نوظهور احراز هویت، بهره گرفتن از ویژگی‌های منحصر‌به فرد بخشهای مختلف بدن انسان، یعنی فناوری بیومتریک است. این فناوری را می توان مجموعه‌ای از روشهای خودکار برای تشخیص فردی آدمها براساس یک یا چند بخش منحصر‌به‌فرد بدنها یا رفتارهایشان تعریف کرد، منجمله – چنانکه در شکل 1 می‌بینید – تشخیص اثر انگشت، شبکیه چشم، عنبیه چشم ، چهره، و امضاء و دینامیسم تایپ (طرح دقیق فواصل زمانی فشردن دکمه‌ها).

اثر انگشت؛ متداول ترین روش امنیتی در فناوری بیومتریک

در فهرست اعضاء منحصر‌به‌فرد بدن، استفاده از اثر انگشت بیش از بقیه در احراز هویت کاربرد دارد. این از طریق فناوری تشخیص اثرانگشت (FRT) اجرا می‌شود که برای شناسایی یک شخص، الگوی اثر‌انگشتهای انسانها را مقایسه می‌کند. در سیستم امنیت خانه، ساکنین خانه می توانند از اثرانگشت برای احراز هویت دسترسی به خانه و باز کردن قفل در و سایر ورودی‌های اصلی استفاده کنند. از آنجا که اثرانگشت منحصر به‌فرد است دسترسی به خانه فقط برای ساکنین مجاز امکان‌پذیر خواهد بود. این مکانیزم از ساکنین و خانه در مقابل دسترسی اشخاص ناشناس محافظت می‌کند.

نمونه ای از طرح های ارائه شده در حوزه اثر انگشت و خانه هوشمند

ژوا، هوانگ و ژائو (2013)

تا به امروز مطالعات بسیاری در حوزه اثر انگشت و خانه هوشمند به انجام رسیده است. ژوا، هوانگ و ژائو (2013) با ساخت یک اپ اندرویدی که به یک گیت‌وی هوشمند، جکهای هوشمند، و پایانه مصاحبه‌ای هوشمند وصل می‌شود، معماری یک سیستم مدیریت خانه هوشمند را ارائه داده‌اند. این سیستم ساختار معقولی داشت، گسترش دادنش آسان بود، و نیاز مدیریت خانه هوشمند را برآورده می‌کرد. این سیستم از پروتکلهای ارتباطاتی متداول پشتیبانی می‌کرد و بر روی دستگاه‌های متفاوت نیز قابل‌اجرا بود. نتایج آزمایش آنها از این حکایت دارد که این سیستم پایدار و کار با آن آسان است.

خیال، خان، و شهزادی (2009)

خیال، خان، و شهزادی (2009) توجه خود را به کنترل وسایل خانگی در مقابل دستکاری‌ها و فراهم آوردن محافظت امنیتی در هنگام عدم حضور ساکنین معطوف کردند. ساکنین می‌توانند وسایل خانگی را از طریق سرویس پیام کوتاه (SMS) کنترل کنند و زمانی که ورود غیرقانونی یا تخطی‌های امنیتی رخ می‌دهند اعلانهایی دریافت می‌کنند.

 کائور (2010)

کائور (2010) یک سیستم اتوماسیون خانه مبتنی-بر-ریزپردازنده طراحی کرد که تمرکزش بر امنیت خانه بود. سیستم امنیت خانه در کار وی تشکیل می‌شد از یک سیستم قفل‌کردن مبتنی-بر-کلمه عبور، یک سیستم سویچ کردن اتوماتیک، یک سیستم خنک‌کننده که با کنترل دما کار می‌کند، یک سیستم روشنایی، و حسگرهای حریق و دود.

گنگی و گولاپودی (2013)

گنگی و گولاپودی (2013) یک سیستم امنیتی کمد قفل‌دار را پیاده‌سازی کردند که از اثر انگشت، کلمه‌عبور و فناوری GSM برای فعال‌سازی سیستم قفل‌کردن استفاده می‌کرد. این سیستم کار احراز هویت و اعتبارسنجی کاربر را انجام داده و سپس همزمان قفل در را باز می‌کند.

افولابی و آلیس (2014)

افولابی و آلیس (2014) یک سیستم امنیت در، با یک حسگر اثر انگشت SN-FOR-UART و ریزپردازنده PIC16F648A  طراحی کردند. از ریزپردازنده برای کنترل تمام سیستم امنیت در استفاده می‌شود. برای نشان دادن وضعیت عملیاتی سیستم از یک نمایشگر وضعیت LCD استفاده شده است. در طراحی از یک مکانیزم حرکت در استفاده شده است تا سیستم اتومات در در جهات ساعتگرد و پادساعتگرد حرکت کند، و سپس مرحله درونداد اثر انگشت با استفاده از SN-FPR-UART پیاده‌سازی شد. تهیه این سیستم، امنیت را درخصوص هرگونه ورود غیرقانونی تضمین می‌کند. این مکانیزم را برای هر گونه ورودی – بغیر از در معمولی- که در آن نیاز به محدودیت دسترسی باشد می‌توان پیاده‌سازی کرد. اما در این سیستم مکانیزمی برای نظارت بر خانه وجود ندارد (نگاه کنید به شکل 2 الف).

 توبینگ (2014)

سیستمهای امنیتی اثرانگشتی توبینگ (2014) شامل چند مولفه بودند. مولفه نخست، بخش درونداد است که به شکل چند حسگر می‌باشد. مولفه دوم بخش پردازشگرهای واحد است (با استفاده از ATMega8) که کنترلر اصلی محسوب می‌شود، و مولفه سوم هم بخش برونداد است که توسط ریزکنترلر کنترل می‌شود. کارکردهای بروندادی برای تعامل با انسان است، و آخری هم بخشی از تامین ولتاژ و جریان برای سیستم است. سیستم همچنین به یک زنگ اخبار مجهز می‌باشد که در صورت وقوع برخی شرایط ازپیش‌تعریف‌شده به صدا در می‌آید. علاوه بر این، سیستم امنیت را می‌توان از طریق اپلیکیشنهای اندرویدی گوشی‌های هوشمند نیز که توسط مولف طراحی‌شده اند (نگاه کنید به شکل 2 ب) کنترل کرد. در میان سیستمهای پیشنهادی قبلی هیچکدام از فناوری شبکه وای‌فای که در مقاله حاضر مورد بحث قرار گرفته است استفاده نمی کنند.

3.معماری پیشنهادی BIOFIHS

در این بخش معماری پیشنهادی “امنیت خانه بیومتریکی اثر‌انگشتی” (BIOFIHS) را توضیح می دهیم. اجزاء این معماری عبارتند از حسگرهای اثر انگشت، یک برد ریزکنترلر، مسیریاب شبکه بی‌سیم، یک سرور اپلیکیشن، اتصال به اینترنت، و یک گوشی هوشمند. در شکل 3 معماری BIOFIHS را به همراه اجزاء آن مشاهده می‌کنید.

کارکرد هر یک از اجزاء در زیر توضیح داده شده است:

(1) حسگرهای اثرانگشت، حسگرهایی هستند که تصاویر اثرانگشتها را دریافت می کنند. این حسگر برای ایجاد یک تمپلت بیومتریک، داده‌های دیجیتال تولید می کند و این داده‌ها را برای نخستین بار در پایگاه‌های داده‌ای ذخیره‌سازی می‌کند و همچنین در یک دستگاه درونداد، تا بعدا آن اثرانگشتها احراز هویت شوند.

(2) برد ریزکنترلر هم به عنوان هاب سیستمها عمل می کند و هم تمامی فعالیتهای دروندادی و بروندادی را تنظیم می‌کند. این برد، داده‌ها را از حسگرهای اثرانگشت بازیافت کرده و سپس آنها را پردازش کرده و در یک حافظه ذخیره‌سازی می‌کند. برد ریزکنترلر از طریق شبکه با سرور در ارتباط است.

(3) مسیریاب شبکه بی سیم داده‌ها را از برد ریزکنترلر به سرور منتقل می‌کند، و بالعکس.

(4) سرور، داده‌ای درونداد و برونداد را پردازش کرده و اپلیکیشن امنیت خانه را اجرا می کند.

(5) از گوشی هوشمند برای کنترل کردن و نظارت بر خانه از طریق یک شبکه دور استفاده می‌شود.

شبیه سازی اجرای BIOFIHS بر روی درب خانه

در مطالعه حاضر قصد داریم تا BIOFIHS را بر روی در اصلی خانه و گاراژ پیاده‌سازی کنیم. زمانی که BIOFIHS در خانه پیاده‌سازی می‌شود، از ساکنین مجاز خواسته می‌شود تا داده‌های اثرانگشت خود را با اپلیکیشنی که روی سرور است ثبت کنند. ساکنین اثرانگشتهایشان را با استفاده از حسگرهای اثرانگشت اسکن می کنند. نتیجه اسکن به صورت دیجیتال در سرور ذخیره‌ می‌شود. پس از آن، با تولید فهرستی از ویژگی‌های الگویی منحصر‌به‌فرد،  رکوردهای اثرانگشت مورد پردازش قرار می گیرند. ویژگی‌های الگویی اثرانگشتها در پایگاه‌داده‌ها ذخیر می‌شوند.

زمانی که {در هنگام استفاده از سیستم} ساکنین انگشتشان را اسکن می‌کنند، الگوی حاصل از آن اثر انگشت با آن الگویی که در پایگاه‌داده‌ای ذخیره شده است مطابقت داده می‌شود. اگر این دو داده با یکدیگر مطابقت داشته باشند، سرور یک سیگنال تایید به ریزکنترلر ارسال می‌کند تا در را باز کرده و اجازه دسترسی دهد. جریان این فرایند را در فلوچارت شکل 4 می‌بینید. این امکان اضافی هم فراهم شده است که سیستم را بتوان از راه دور و توسط گوشی هوشمند کنترل کرد. در صورتی که ورود غیرمجاز رخ دهد، اعلانهایی از طریق گوشی‌ هوشمند به ساکنین ارسال می‌شود.

سیستم بیومتریکی اثرانگشت، راه‌حل خوبی برای امنیت خانه است. یک معماری نوین برای یک فناوری بیومتریکی به‌صرفه اثرانگشتی در این مقاله پیشنهاد شده است. این معماری به طور کلی نشان می‌دهد که چطور می توان یک قفل در، حسگر اثرانگشت، ریزکنترلر، مسیریاب‌های شبکه، و گوشی هوشمند را براساس شبکه بی‌سیم با یکدیگر یکپارچه کرد. لازم است که این معماری، به عنوان یکی از روندهای کنونی سیستم امنیتی بیومتریک، در سیستمهای واقعی پیاده‌سازی شود تا بتوان از این سیستمها بیشتر بهره برد. به عقیده مولفین، این معماری بسیار به‌صرفه خواهد بود.

4.نتیجه‌گیری

استفاده از بیومتریک اثرانگشت برای سیستم امنیت خانه با استفاده از شبکه بی سیم می تواند بدیلی برای قابل‌اعتماد و راحت برای سیستم سیمی امنیت خانه باشد. به علاوه، اجزاء آن نسبتا ارزانند و در بازار به راحتی یافت می‌شوند. انتظار می‌رود که BIOFIHS کارکردهایی مشابه با سیستم سیمی در اختیار مصرف‌کنندگان قرار دهد.

منبع:researchgate.net[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][ult_ihover][/ult_ihover][/vc_column][/vc_row]