生物特征識(shí)別技術(shù)在小型可穿戴計(jì)算機(jī)中應(yīng)用及挑戰(zhàn)研究

丟失的手機(jī)或平板電腦很難恢復(fù)；以及丟失移動(dòng)設(shè)備帶來的后果是巨大的：太多信息存儲(chǔ)在我們的移動(dòng)設(shè)備中，以至于我們立即面臨虧損，被盜，甚至身份被盜的風(fēng)險(xiǎn)。想一想。除了必須重新創(chuàng)建電子郵件，更改密碼和登錄名，恢復(fù)圖片和保護(hù)財(cái)務(wù)帳戶外，在線零售商（如Amazon，eBay和其他點(diǎn)擊購(gòu)買服務(wù)）都認(rèn)為對(duì)方是您結(jié)束-即使不是。如果我們?cè)谠O(shè)備上使用“記住我”或“保持我已登錄”標(biāo)簽，那么我們創(chuàng)建和記住密碼的無用嘗試將全部無效，并且我們當(dāng)中有多少人攜帶我們的登錄名和密碼的硬拷貝？基于云的服務(wù)也同樣受到黑客的威脅，因此，正如我們經(jīng)?？吹矫藥粼獾胶诳腿肭忠粯?，將信任放在基于云的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或密碼恢復(fù)系統(tǒng)中可能會(huì)帶來風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)固定位置的計(jì)算機(jī)是臺(tái)式機(jī)和塔式機(jī)箱時(shí)，這不是問題，但是現(xiàn)在我們的計(jì)算設(shè)備體積小巧且便于運(yùn)輸，因此它們更容易丟失或被盜。尤其是可穿戴計(jì)算機(jī)，必須“知道”誰在佩戴它們，以確保安全和有用。本文探討了如何將生物識(shí)別技術(shù)與可穿戴技術(shù)相結(jié)合，以幫助確保使用可穿戴計(jì)算機(jī)的人是被授權(quán)這樣做的人。本文研究了一些可以驗(yàn)證用戶身份并保護(hù)敏感數(shù)據(jù)，信息和控制的技術(shù)。所有設(shè)備，數(shù)據(jù)表，教程，

問題與疑慮

考慮在小型可穿戴計(jì)算機(jī)中使用生物識(shí)別技術(shù)時(shí)，尺寸是個(gè)問題。如果您的計(jì)算機(jī)是郵票大小或更小（對(duì)于可穿戴式手表計(jì)算機(jī)來說），那么如何證明比可穿戴設(shè)備更大的生物識(shí)別讀取器的大小，重量和功耗呢？放置也是關(guān)鍵。如果驗(yàn)證設(shè)備以永久的方式物理地連接到可穿戴計(jì)算機(jī)，則它比插入式或無線鏈接連接更安全。例如，指紋檢測(cè)器甚至是視網(wǎng)膜掃描儀的面積可以達(dá)到幾平方英寸。它們很容易安裝在筆記本電腦，平板電腦甚至智能手機(jī)上，但太大而笨重，無法放入郵票大小的設(shè)備中。面部識(shí)別系統(tǒng)也可能如此。如果要使用用戶驗(yàn)證系統(tǒng)的插件或無線連接，最好是將其作為“系留”外圍設(shè)備。在這里，獨(dú)立驗(yàn)證系統(tǒng)可以進(jìn)行檢測(cè)，處理和驗(yàn)證，而無需主機(jī)的任何干預(yù)。這樣，當(dāng)敏感操作即將發(fā)生時(shí)，主機(jī)就可以查詢驗(yàn)證系統(tǒng)。通過有線和無線鏈接，用戶播種的加密密鑰可以在不鏈接到可穿戴設(shè)備的情況下鎖定您的硬件。然后，即使您的驗(yàn)證外圍設(shè)備和可穿戴計(jì)算機(jī)都被盜，生物特征測(cè)試仍將是必須通過的安全屏障。易于使用還規(guī)定了一些限制。如果您在一些偏僻的地方運(yùn)動(dòng)可穿戴設(shè)備，那么您不想每次登錄電子郵件服務(wù)，購(gòu)買東西或希望處理機(jī)密公司文檔時(shí)都進(jìn)行搜索和挖掘。

生物技術(shù)和威懾

生物識(shí)別是基于生物學(xué)的。這些可以是物理屬性，例如指紋，身高，體重，視網(wǎng)膜模式，語音成分頻率和共鳴，甚至是思維模式。這些的組合也可以使用。DNA驗(yàn)證等更復(fù)雜的技術(shù)可以作為解決方案的一部分，但尚未成為可行的實(shí)時(shí)且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。（由于DNA在合適的紫外線波長(zhǎng)下發(fā)出熒光，因此諸如半導(dǎo)體紫外線激光器等較新技術(shù)的可用性可能會(huì)加快這一步。）易于使用和安全性齊頭并進(jìn)。密碼和通行碼易于使用，但是智能手機(jī)已經(jīng)有了應(yīng)用程序，可以通過拍攝某人的密碼或密碼來拍攝他們的長(zhǎng)途視頻，從而找出密碼或密碼。算法根據(jù)虛擬計(jì)算的鍵盤來計(jì)算手部動(dòng)作，并找出正在按下的鍵。我們的生物識(shí)別設(shè)計(jì)的理想功能是重復(fù)使用或多功能。例如，如果我們可以使用可穿戴計(jì)算機(jī)現(xiàn)有的外圍CCD相機(jī)作為指紋讀取器，面部識(shí)別系統(tǒng)和/或手勢(shì)檢測(cè)器，那么我們將大大降低全功能安全系統(tǒng)的成本。我們不再需要四個(gè)攝像機(jī)和相關(guān)的電路。就像窗戶上的警報(bào)貼紙一樣，這些技術(shù)將阻止大量潛在的入侵者。但是，有經(jīng)驗(yàn)的或持久的攻擊者可能可以通過。到目前為止，這些技術(shù)都沒有被證明是100％有效的。有時(shí)可以通過霧化孔徑來欺騙指紋掃描儀。高質(zhì)量的錄音有時(shí)會(huì)掩蓋聲紋識(shí)別。面部識(shí)別有時(shí)會(huì)被照片欺騙。甚至DNA傳感器也可能被您欺騙。

設(shè)計(jì)用戶驗(yàn)證外設(shè)

將可驗(yàn)證計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)為外圍設(shè)備的用戶驗(yàn)證系統(tǒng)可以縮小我們對(duì)處理器的選擇范圍。例如，到目前為止，我們已經(jīng)討論過的具有混合信號(hào)功能和某些DSP功能的中等功率處理器可以成為所有安全系統(tǒng)的任務(wù)負(fù)責(zé)人。例如，意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）的STM32 F3系列采用具有DSP和FPU功能的32位ARM Cortex-M4處理器。先進(jìn)的模擬外設(shè)以72 MHz的頻率運(yùn)行，使其成為與生物識(shí)別系統(tǒng)和傳感器接口的理想選擇。

快速（5 Msample / s）的12位A / D級(jí)和一個(gè)精度為1％的16位過采樣sigma-delta轉(zhuǎn)換器與內(nèi)部DSP功能很好地集成在一起，可提供事件檢測(cè)和排序功能。高速運(yùn)算放大器和比較器的添加還允許內(nèi)部信號(hào)通過多路復(fù)用器進(jìn)行路由，該多路復(fù)用器接受直接輸入或經(jīng)過運(yùn)算放大器濾波（例如）的信號(hào)。

該系列的示例零件包括小型48針STM32F303CCT6和較大的100針STM32F303VCT6，它們可以提供通信外圍設(shè)備以及I / O和混合信號(hào)功能的完整組合。請(qǐng)注意，這些部分針對(duì)醫(yī)療和生物接口系統(tǒng)（圖1）。可在Digi-Key的網(wǎng)站上找到有關(guān)使用F3系列處理器進(jìn)行醫(yī)療保健的產(chǎn)品培訓(xùn)模塊。發(fā)現(xiàn)套件STM32F3DISCOVERY和評(píng)估板STM32373C-EVAL也支持該系列，以進(jìn)行開發(fā)和測(cè)試。

圖1：外圍設(shè)備和醫(yī)療系統(tǒng)都在人體區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中捆綁在一起，其中可以包括用于用戶驗(yàn)證的生物傳感器。一旦可以可靠地建立用戶身份，甚至可以確保外圍功能。

功率越低越好

請(qǐng)注意，即使是更為適中的處理器也可以利用高端外部信號(hào)處理和調(diào)節(jié)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)所需的性能。當(dāng)功率敏感度在約束列表中處于較高位置時(shí)，尤其如此。德州儀器（TI）流行的MSP430低功耗處理器系列可以屬于此類，尤其是F2系列，例如MSP430F2001IPWR。這些部件包括一個(gè)“斜率A / D轉(zhuǎn)換器”，可以與內(nèi)部比較器一起使用，以精確測(cè)量電阻和電容傳感器元件以及變化率。當(dāng)需要更高的精度時(shí)，也可以使用TI的外部小型ADS1118IRUGR 16位，4通道860 Msample / s外部A / D轉(zhuǎn)換器。它的體積小，可以更靠近被監(jiān)控的傳感器，其串行接口允許更小，更非侵入式的訪問。該器件還包含一個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和一個(gè)溫度傳感器?？稍贒igi-Key的網(wǎng)站上獲得MSP430上的幾個(gè)培訓(xùn)模塊，其中包括TI的便攜式醫(yī)學(xué)培訓(xùn)模塊。當(dāng)需要更高的分辨率時(shí)，有幾種不錯(cuò)的混合信號(hào)嵌入式處理器選擇，具有20位和24位A / D轉(zhuǎn)換步驟。例如，ADI公司ADuCM系列處理器的32位寬基于ARM Cortex-M3的Analog Devices ADUCM360BCPZ128，該處理器具有11個(gè)24位寬A / D轉(zhuǎn)換器。ADI公司還為人體傳感器和調(diào)節(jié)器提供線性接口和電極接口解決方案（圖2）。

圖2：除了微控制器的保護(hù)電路外，還需要考慮用于精密線性傳感器的前端保護(hù)，尤其是在醫(yī)療環(huán)境中，可能存在高壓除顫器脈沖時(shí)。賽普拉斯提供其CY8C3866AXI-040 67 MHz 8位基于8051的處理器，該處理器具有20位A / D轉(zhuǎn)換器和電容檢測(cè)技術(shù)。作為PSoC3系列的成員，該處理器具有全面的混合信號(hào)和低功耗功能，非常適合放置在某人的個(gè)人局域網(wǎng)通信的近場(chǎng)中的某處的分立傳感器。

圖3：將參考設(shè)計(jì)用于指紋識(shí)別等已建立的生物識(shí)別系統(tǒng)，可以通過可預(yù)先評(píng)估的剪切粘貼解決方案來縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。雖然某些生物識(shí)別解決方案基本上是模擬領(lǐng)域中的傳感器，但其他解決方案可能是數(shù)字的且需要大量過程。例如，指紋，聲紋和視網(wǎng)膜識(shí)別可能需要短時(shí)間的非常高性能的處理，以便能夠快速做出確定。這意味著在大多數(shù)情況下，使用低功耗技術(shù)將使其進(jìn)入睡眠狀態(tài)。但是，在運(yùn)行時(shí)，它會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大量處理。對(duì)于那些過程密集型突發(fā)事件，您可能需要查看高端設(shè)備，例如Atmel ATSAMA5D31A-CUR，它們是基于32位536 MHz ARM ARM Cortex-M5的高性能SAMA5D3系列的成員。同樣，

綜上所述，生物識(shí)別技術(shù)是已經(jīng)發(fā)展并完善到一定程度的技術(shù)領(lǐng)域。存在證明其潛在功能的系統(tǒng)。隨著我們可穿戴設(shè)備的安全性問題變得越來越普遍，人們期望看到這些用戶驗(yàn)證系統(tǒng)的更多實(shí)施，采用巧妙的技術(shù)來縮小尺寸，提高有效性并使其更具用戶吸引力。

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