Un contrôle d’accès biométrique Première partie : la télécommande à clavier

Dans cet article nous commençons la présentation d’un système d’identification personnelle fondée sur la reconnaissance des empreintes digitales, en partant du clavier de contrôle à distance de toutes les fonctions. L’ensemble permettra d’acquérir et de comparer les empreintes des personnes touchant le senseur placé sur l’unité de base également décrite dans ce numéro.


La biométrie, science relativement neuve, a ouvert de nouveaux horizons dans le domaine de la sécurité et de l’automatisation des procédures d’identification, permettant ainsi de réaliser de nombreuses applications jusqu’ici impensables.
D’ici peu, on sera en mesure de substituer aux divers systèmes de contrôle d’accès, des appareils basés sur un senseur biométrique, c’est-à-dire un dispositif capable de repérer une caractéristique précise d’une personne afin de l’identifier.
Pour preuve de ce que nous venons de dire, le projet en trois parties que nous commençons à décrire dans cet article.
Il s’agit d’une unité “intelligente” d’acquisition et de comparaison des empreintes digitales, composée de trois dispositifs distincts dont le coeur est l’unité centrale d’élaboration.
C’est une platine basée sur un microcontrôleur capable de lire les données relevées sur le senseur biométrique. Un clavier de commande à distance, via radio, mis à la disposition, par exemple, du responsable de la sécurité, du gardien, etc.
Un PC (optionnel) avec son logiciel de mémorisation des diverses opérations confiées à l’unité centrale.
C’est donc un système professionnel pouvant servir à ouvrir des portes électriques aux personnes autorisées.
Dans cette première partie nous décrivons l’unité de gestion à distance du système, c’est-à-dire le clavier grâce auquel un opérateur peut commander l’acquisition de l’empreinte de la personne touchant le senseur, vérifier qu’elle correspond bien à celle de la personne censée être là, ou introduire le code d’identification de la personne si, pour un quelconque motif (exemple : avarie du senseur), son empreinte n’est pas reconnue ou si elle est dans l’impossibilité de poser le doigt sur la fenêtre du senseur.
Dans ce cas, si le gardien connaît la personne, il peut la laisser passer en envoyant au système central (par la télécommande à clavier) son code d’identification ou alors le numéro sous lequel son empreinte a été mémorisée auparavant.
Avant d’entrer dans le vif du sujet, voyons sommairement ce qu’est la biométrie en nous référant, en particulier, aux empreintes digitales. On a fait des pas de géant dans le domaine de leur identification et le résultat de leur analyse est désormais pratiquement certain. En effet, la structure du bout du doigt (dessous de la première phalange, la pulpe) reste toujours la même au fil des années. Les empreintes ont toujours été la méthode la plus utilisée pour relever la présence ou le passage d’une personne et pour l’identifier avec certitude (on pense aux enquêtes de police !).
A ce propos, on relira avec intérêt, dans ELM 23, page 52 et suivantes, l’article intitulé “Petit tour d’horizon sur la biométrie en général et sur l’analyse des empreintes digitales en particulier” et dans ELM 24, page 60 et suivantes, l’article intitulé “Un système d’analyse laser pour empreintes digitales”.
Donc, en ce qui concerne les empreintes digitales, on trouve depuis quelques années dans le commerce des senseurs et des interfaces permettant d’acquérir des images par la technique du scanner à diode laser mais aussi par celle de la variation de capacité (identificateurs sur surface sensible à matrice capacitive).
Le dispositif que nous vous proposons de construire est un système complet de reconnaissance des empreintes digitales, utilisable pour ouvrir des accès contrôlés et donner ou mémoriser des signaux d’identification.
Ce système comporte une unité d’élaboration et un senseur d’empreinte (scanner à LED) que nous analysons dans la deuxième partie de la série d’articles de ce numéro d’ELM consacré à la biométrie, ainsi qu’une télécommande à clavier faisant l’objet du présent article.

Introduction à la biométrie

Figure 1 : Introduction à la biométrie.

La biométrie est la partie ô combien passionnante de la science s’occupant de mesurer et de comparer les paramètres caractéristiques d’un individu.
Quatre d’entre eux sont pris en considération : la voix, les empreintes digitales, l’iris (partie colorée de l’oeil) et les traits du visage.
A cause de la complexité des analyses et des appareils requis pour les effectuer, les deux derniers paramètres sont encore peu considérés. En revanche, l’identification de la voix et des empreintes digitales trouve désormais un large emploi. Divers constructeurs se sont spécialisés dans la reconnaissance de la voix et nous-mêmes nous en avons déjà proposé des applications.
Actuellement c’est surtout l’identification des empreintes digitales qui tient le haut du pavé, peut-être parce que c’est le paramètre le plus ancien, déjà utilisé avant que l’ordinateur et les senseurs n’existent. Vous savez tous (grâce aux polars et à la télé), que les empreintes digitales, laissées par le sébum recouvrant la pulpe des doigts sur les objets que nous touchons, sont très utiles aux enquêteurs de la police et ont valeur de preuve de la présence d’une personne en un lieu où s’est produit un crime ou un délit.
La récente disponibilité des senseurs capables de lire les empreintes digitales et des interfaces en mesure de les mémoriser et de les comparer, a rendu et rendra possibles des applications auxquelles on n’aurait pas osé songer jusqu’ici.
Il s’agit d’identifier les personnes, non seulement dans un contexte judiciaire mais encore et surtout pour remplacer les traditionnels systèmes d’accès (badges, transpondeurs, cartes à puce) dans les services où un contrôle de sécurité rigoureux est nécessaire : opérations bancaires et retrait d’argent, accès à des prestations de santé, à des habitations privées ou autres locaux sous surveillance.

Le principe de la télécommande à clavier
Cette télécommande à clavier (figure 5) permet de commander, sur l’unité de base, trois fonctions principales.
La première ajoute l’empreinte digitale de la personne qui touche la surface du senseur à la liste de celles déjà mémorisées.
La seconde supprime une empreinte de la liste, par exemple lorsqu’une personne ne doit plus accéder à un local protégé ou simplement quand, la personne n’étant plus présente (par exemple dans l’entreprise), il n’y a plus de raison de traiter ni de conserver ses caractéristiques biométriques.
La troisième est de permettre le passage d’une personne dont l’identité est connue, même quand le lecteur (senseur) est en panne ou bien lorsque cette personne est dans l’impossibilité matérielle de placer son doigt sur ledit lecteur.
Le système est tel que les actions sur l’unité centrale arrivent par radio de manière unidirectionnelle, de la télécommande à clavier (émetteur) vers l’unité centrale (récepteur).
Cette liaison radio à distance est en UHF sur la fréquence de 433,92 MHz, bien connue de nos plus fidèles lecteurs (et des usagers des modules AUREL… mais ce sont les mêmes, n’est-ce pas ?).
La portée est d’une dizaine de mètres maximum.
Par exemple, le clavier de contrôle à distance peut être placé dans le local du gardien alors que le senseur et l’unité d’élaboration se trouvent devant la porte d’entrée du local contrôlé ou à l’entrée de la société.
L’autonomie complète de la télécommande à clavier, qui peut fonctionner sur la batterie rechargeable dont elle est pourvue, permet aussi de la porter sur soi à proximité immédiate du passage à contrôler, chaque fois que l’on a à acquérir, comparer ou effacer une empreinte.

Figure 2 : Le clavier à membrane occupe toute la surface du couvercle du boîtier.

Figure 3 : Organigramme du microcontrôleur MF377 programmé en usine.

Le schéma électrique de la télécommande à clavier
Etudions maintenant la conception et le fonctionnement de ce périphérique en nous reportant au schéma électrique de la figure 4. Le circuit est relativement simple et la gestion complète du système est confiée au microcontrôleur U2. En dehors de celui-ci, on trouve le clavier à matrice et un émetteur radio. Le circuit intégré U3 est un élévateur de tension permettant d’obtenir le 12 V nécessaire pour une puissance d’émission convenable de U4 (le module HF).
U2, un microcontrôleur, référencé MF377, est vraiment le sous-ensemble le plus important. L’organigramme du programme qu’il porte est donné en figure 3. Il a été programmé en usine pour lire le clavier à matrice à membrane (touches sensitives étanches), déchiffrer les diverses touches de commande et transmettre vers la centrale le code contenant la commande que celle-là devra exécuter. En outre, le microcontrôleur produit des signaux acoustiques pour aider l’usager dans la “frappe” des codes et des commandes.
Après la mise sous tension et le RESET initial, le microcontrôleur initialise les I/O et paramètre les lignes RA3, RB4, RB5, RB6 et RB7 comme sorties alors que RA4 l’est comme entrée. RA0, RA1 et RA2, en revanche, sont des entrées à résistances de “pull-up” alors que RB0, RB1, RB2 et RB3 sont des sorties.
Pour la lecture du clavier on a programmé une “routine” permettant l’activation cyclique de toutes les lignes RB0, RB1, RB2 et RB3 par séquence et l’analyse des niveaux logiques sur RA0, RA1 et RA2. Si une touche est pressée, une de ces dernières portes reçoit le niveau logique 0. Par exemple si, au moment où RB1 (alignement 2*) est au niveau logique 0, le microcontrôleur lit le même niveau logique sur la broche 18 (colonne centrale*) cela signifie que la touche située au croisement de l’alignement 2 et de la colonne 2, c’est-à-dire la touche 5, a été pressée.
La broche 10 commande une diode LED DL1 alors que la broche 2 active le buzzer BZ1 à travers le transistor T1.
RB6 et RB7 s’occupent, quant à eux, de gérer le module émetteur HF U4 : RB6 contrôle la broche d’activation du module hybride.
En effet U4 est normalement en “stand-by” (en attente) et il ne consomme pratiquement aucun courant.
Lorsqu’il doit transmettre des données (passer en émission donc), on impose un niveau logique 1 à la broche 2 et l’oscillateur se met en marche : c’est alors seulement que l’on peut moduler l’entrée DATA IN (broche 4) et que le signal HF est émis par l’antenne.
L’alimentation de l’appareil est confiée à une batterie rechargeable tampon (permettant d’utiliser la télécommande à clavier partout de manière autonome) maintenue chargée par une alimentation externe connectée aux points “VAL” (voir schéma figure 4).
Le pont redresseur permet d’appliquer indifféremment une tension continue de 15 à 18 Vcc ou alternative de 12 à 15 Veff. Dans le premier cas, l’avantage est de pouvoir brancher l’alimentation sans souci de polarité. La tension aux bornes de la batterie (toujours présente, même si on débranche la télécommande à clavier pour l’utiliser sans fil) alimente directement le buzzer BZ1 alors que le régulateur U1 7805 donne le 5 V stabilisé servant à alimenter le microcontrôleur ainsi que le circuit hybride émetteur U4, sauf que ce dernier reçoit en réalité 12 V.
Comment cela se fait-il ? Eh bien c’est facile : la broche 1 de U4 reçoit une tension élevée de 5 à 12 V par le circuit intégré élévateur de tension U3 (MAX662A de MAXIM). Celui-ci emploie le procédé de charge de condensateurs et n’a besoin que de deux condensateurs externes C6 et C7. De plus il présente une particularité notable : quand il est alimenté, il peut rester en attente, sans produire aucun signal en sortie ; il ne commence à donner le 12 V que lorsque sa broche 8 (SHDN) passe au niveau logique 0.

*Note : Nous appelons “alignement” une ligne de touches du clavier horizontale et “colonne” une ligne de touches du clavier verticale.


Figure 4 : Schéma électrique de la télécommande à clavier.

Les fonctions du clavier

Figure 5 : Les fonctions du clavier.

La télécommande à clavier présentée dans cet article fait exécuter à l’unité centrale trois opérations :
- l’acquisition de l’empreinte du doigt appuyé sur le senseur,
- l’effacement d’une empreinte dans la mémoire du système et l’habilitation, c’est-à-dire laisser la voie libre à une personne dont on connaît l’identité,
- le numéro d’identification, quand il n’est pas possible de comparer son empreinte.
La structure des fonctions implique que chacune d’elles soit définie par une touche de fonction, associée à un nombre et validée avec ENTER.
En particulier :
L’acquisition est la phase par laquelle une empreinte relevée par le senseur de l’unité centrale est inscrite dans la mémoire du système.
Pour la mettre en fonction, il faut respecter la séquence, c’est-à-dire appuyer sur la touche F1 (ADD).
Il faut évidemment spécifier le nombre (à 4 chiffres) par lequel identifier l’empreinte.
Cette identification par un nombre sert à accomplir ensuite toute autre opération sur l’empreinte, par exemple son retrait (REMOVE) de la mémoire.
Elle permet aussi d’enregistrer le passage d’une personne reconnue par l’opérateur, lorsque pour une raison quelconque il n’est pas possible de relever son empreinte.

La syntaxe est la suivante :
SHIFT + F1 + ID + ENTER.

L’effacement est la fonction qui permet d’effacer l’empreinte indiquée par son numéro à 4 chiffres d’identification.
La fonction REMOVE est associée à la touche F2, alors que le numéro d’ID est celui de la position dans laquelle l’empreinte a été mémorisée.

La syntaxe est la suivante :
SHIFT + F2 + ID + ENTER.

Le passage est l’option permettant d’enregistrer le passage d’une personne ou bien de lui laisser la voie libre (PASS) même si le senseur (à cause d’une avarie ou autre) ne reconnaît pas son empreinte et si toutefois, bien sûr, le gardien qui la reconnaît a de bonnes raisons de la laisser passer : dans ce cas l’opérateur n’a qu’à frapper le numéro d’identification utilisé précédemment pour mémoriser l’empreinte de cette personne.

La syntaxe est la suivante :
SHIFT + F3 + ID + ENTER.


Les fonctions de contrôle
Examinons maintenant les fonctions accessibles au moyen du clavier.
Après une période d’inactivité (aucune touche pressée), ce sous-ensemble passe au repos : toutes les touches sont alors inactives sauf une, bien sûr.
Pour rendre à nouveau le clavier actif, il faut appuyer sur ENTER (entrée) pendant au moins 3 secondes. Le “réveil” du clavier se manifeste par deux brèves notes aiguës du buzzer.
L’unité est opérationnelle et elle peut à nouveau contrôler à distance la centrale pour effectuer les différentes fonctions.
Respectez bien l’ordre : SHIFT+FONCTION+ID+ENTER qui constitue la syntaxe correcte d’utilisation du clavier (voir figure 5).

Le montage et le réglage
Le montage du circuit est vraiment très simple et il est à la portée de tous.
Procurez-vous ou réalisez d’abord le circuit imprimé par photogravure en photocopiant le dessin à l’échelle 1 de la face cuivrée (figure 8) sur transparent, pour la méthode classique, ou sur PnP-blue (relire ELM 26, page 59 et suivante, l’article intitulé “Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?”) si vous utilisez cette nouvelle méthode (voir les publicités des annonceurs).
En vous aidant du schéma d’implantation des composants de la figure 6 et de la photo du montage de la figure 7, commencez le montage par l’insertion des composants au profil le plus bas : la diode D1 (en respectant la polarité : bague vers la gauche, soit C1 et C2), les résistances, les deux supports à 18 et 8 broches.
Ensuite insérez et soudez le pont redresseur PT1 (en respectant la polarité : “+” vers BZ1, “–” vers le repère détrompeur de U2), le buzzer BZ1 (le “+” vers le connecteur plug VAL), le quartz Q1 et les condensateurs (en respectant la polarité des électrolytiques C1, C2 et C8).
Le régulateur de tension U1 est monté à plat et fixé au circuit imprimé à l’aide d’un petit boulon M3.
Le module hybride HF AUREL U4 ne peut être inséré dans les trous du circuit imprimé que d’une seule manière (la bonne !) : côté composants tourné vers l’extérieur de la platine (figure 7).
Quand vous souderez les pattes de ce dernier, évitez un échauffement excessif.
La connexion avec le clavier à membrane est dévolue à un connecteur mâle de type “pin-strip” dont les 7 pôles seront soudés près des 3 résistances R7, R8 et R9 (figures 6 et 7).
La prise femelle placée près du pont PT1 accueille la fiche de l’alimentation extérieure.
Pour la batterie, type 6F22 rechargeable, 9 V, soudez les deux fils de la prise de pile aux trous “+” et “–” BAT (rouge au “+” et noir au “–” évidemment !). Voir figures 9 et 6.
Vous pouvez enfin insérer les deux circuits intégrés U2 et U3 dans leurs supports avec leurs repères détrompeurs orientés respectivement vers PT1 et R6, soit pour les deux vers l’intérieur de la platine.
Connectez une batterie rechargeable de 9 V 6F22 sur son clip et une alimentation secteur monobloc (voir photo de première page) sur la prise “VAL”.
Vérifiez que la LED émet bien de brefs éclairs : cela signifie que le microcontrôleur “tourne” correctement.
Maintenez appuyée 3 secondes la touche ENTER (le buzzer fera entendre une brève note).
Frappez une séquence de commande (figure 5) et contrôlez, à l’aide d’un multimètre, que l’élévateur de tension U3 fournit bien le 12 V sur la broche 6.

Figure 6 : Schéma d’implantation des composants de la télécommande à clavier.

Figure 7 : Photo d’un de nos prototypes de télécommande à clavier, platine seule non encore connectée au clavier à membrane.

Figure 8 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé côté cuivre.

Liste des composants
R1 = 150 Ω
R2 = 10 kΩ
R3 = 4,7 kΩ
R4 = 470 Ω
R5 = 1 kΩ
R6 = 4,7 kΩ
R7 = 10 kΩ
R8 = 10 kΩ
R9 = 10 kΩ
C1 = 220 μF 25 V électrolytique
C2 = 100 μF 25 V électrolytique
C3 = 100 nF multicouche
C4 = 22 pF céramique
C5 = 22 pF céramique
C6 = 220 nF polyester pas 5 mm
C7 = 220 nF polyester pas 5 mm
C8 = 4,7 μF 16 V électrolytique
U1 = Régulateur 7805
U2 = μContrôleur MF377
U3 = Intégré MAX662
U4 = Module Aurel TXDFM
Q1 = Quartz 4 MHz
T1 = Transistor NPN BC547B
LD1 = LED rouge 5 mm
BZ1 = Buzzer pour ci sans électronique
PT1 = Pont redresseur 1 A
D1 = Diode 1N4002
S1 = Micro-interrupteur pour ci

Divers :
1 Support 2 x 4 broches
1 Support 2 x 9 broches
7 Supports en bande sécable
1 Prise alim. pour ci
1 Boulon 3 MA pour régulateur
1 Boîtier TEKO 880 BSW
1 Prise pile 9 V
1 Clavier à membrane à matrice 12 touches


Figure 9 : Disposition de la platine principale de la télécommande à clavier dans le boîtier plastique TEKO 880 doté d’un emplacement pour la batterie rechargeable 9 V 6F22. La platine est à fixer au fond du boîtier à l’aide de 4 vis auto-taraudeuses.

Figure 10 : La liaison entre le clavier à membrane et la platine principale est dévolue à une nappe de fils. Le boîtier TEKO est déjà pourvu d’une fente pour le passage de la nappe. Il suffit d’ôter la pellicule plastique au dos du clavier et d’appliquer la membrane sur le couvercle du boîtier après avoir enfilé la nappe dans la fente. Soudez les fils rouge “+” et noir “–” de la prise de pile dans les trous “+” et “–” BAT de la platine et clipsez la prise sur la batterie rechargeable. Connectez la nappe à la platine à l’aide du connecteur femelle déjà serti et du connecteur mâle que vous avez soudé sur le circuit imprimé.

À suivre…

2ème et 3ème Parties

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