一種基于加密無線通訊的家用智能門鎖系統(tǒng)

王銘杰

摘要：本文描述了一種基于加密無線通訊的家用智能門鎖系統(tǒng)，包括家用無線路由器、上位機(jī)、下位機(jī)、門、設(shè)置在所述門上的鎖具以及手持式移動(dòng)設(shè)備，所述家用無線路由器通過無線網(wǎng)絡(luò)與手持式移動(dòng)設(shè)備通訊連接，所述家用無線路由器與所述上位機(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)通訊連接，上位機(jī)通過脈沖信號(hào)與所述下位機(jī)通訊連接，所述下位機(jī)設(shè)置成控制所述門上的鎖具。本文采用基于WPA2/PSK協(xié)議和SSH 安全協(xié)議的家用無線局域網(wǎng)進(jìn)行雙層加密實(shí)現(xiàn)無線門鎖的高保密性，實(shí)現(xiàn)用戶的安全、遠(yuǎn)距離門鎖，價(jià)格低廉，操作便捷。

關(guān)鍵詞：加密；無線通訊；智能門鎖；系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）09-0049-02

目前，市面上防盜門使用的多為機(jī)械鎖或電子鎖。機(jī)械鎖是通過機(jī)械零件組裝而成，用鑰匙來開啟。這類機(jī)械鎖的保密性和防盜性差，易成為盜賊的目標(biāo)。電子鎖則可采用 IC 卡、輸入口令開啟、指紋識(shí)別、人臉識(shí)別等方式門鎖。這類電子鎖相較于機(jī)械鎖安全性雖然有所提高，但仍存在一定的弊端。就IC卡而言，容易丟失、容易仿制。指紋識(shí)別雖然相對(duì)安全簡(jiǎn)便，但不排除指紋識(shí)別算法錯(cuò)誤率的問題和處理速度問題。人臉識(shí)別更加方便、衛(wèi)生，但由于大部分人臉識(shí)別系統(tǒng)采用的是DSP或ARM芯片處理速度慢，使用不方便，還有識(shí)別錯(cuò)誤率和不能快速對(duì)焦拍攝的問題。

市場(chǎng)上曾有智能門鎖易被技術(shù)破解或者暴力損壞的新聞，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)上較安全的智能門鎖價(jià)格高昂，不利于推廣和普及。針對(duì)上述技術(shù)的不足，本文描述了一種基于加密無線通訊的家用智能門鎖系統(tǒng)，采用基于WPA2/PSK協(xié)議和SSH 安全協(xié)議的家用無線局域網(wǎng)進(jìn)行雙層加密實(shí)現(xiàn)無線門鎖的高保密性，實(shí)現(xiàn)用戶的安全、遠(yuǎn)距離門鎖，價(jià)格低廉，操作便捷。

1方案描述

基于加密無線通訊的家用智能門鎖系統(tǒng)，由家用無線路由器、上位機(jī)、下位機(jī)、門及門上的鎖具以及例如手機(jī)等手持式移動(dòng)設(shè)備組成。手持式移動(dòng)設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)與路由器連接，而連接路由器的上位機(jī)通過脈沖信號(hào)與下位機(jī)通訊連接，而下位機(jī)控制門上的鎖具實(shí)現(xiàn)門鎖的開啟和關(guān)閉。結(jié)構(gòu)如下圖所示：

在本方案中，無線路由器是一種應(yīng)用于用戶上網(wǎng)、帶有無線覆蓋功能的路由器，可將其看作一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，將寬帶網(wǎng)絡(luò)信號(hào)通過天線轉(zhuǎn)發(fā)給附近的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，采用的無線網(wǎng)絡(luò)為基于WPA2/PSK協(xié)議和SSH 安全協(xié)議的家用無線局域網(wǎng)。無線路由器不僅具備單純性無線AP所有功能，如支持DHCP客戶端、支持VPN、防火墻、支持WEP加密等等，而且還包括了網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）功能，可支持局域網(wǎng)用戶的網(wǎng)絡(luò)連接共享。無線路由器可以與所有以太網(wǎng)接的ADSL MODEM或CABLE MODEM直接相連，也可以在使用時(shí)通過交換機(jī)/集線器、寬帶路由器等局域網(wǎng)方式再接入。其內(nèi)置有簡(jiǎn)單的虛擬撥號(hào)軟件，可以存儲(chǔ)用戶名和密碼撥號(hào)上網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)為撥號(hào)接入Internet的ADSL、CM等提供自動(dòng)撥號(hào)功能，而無需手動(dòng)撥號(hào)或占用一臺(tái)電腦做服務(wù)器使用。在本方案中，它的主要用途利用WLAN連接移動(dòng)設(shè)備和上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)手持式移動(dòng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接功能。

上位機(jī)為樹莓派計(jì)算機(jī)，設(shè)置有網(wǎng)絡(luò)端口、USB接口以及GPIO端口，用于向下位機(jī)發(fā)送門鎖信號(hào)。樹莓派是基于ARM和linux或windows操作系統(tǒng)的卡片式電腦，可以用于計(jì)算量大的環(huán)境，可以作為一個(gè)通用計(jì)算機(jī)來用，也可以用于復(fù)雜控制系統(tǒng)的后端數(shù)據(jù)處理和GUI，像一個(gè)很小的PC機(jī)。在本方案中，這種結(jié)構(gòu)就有很好的隱蔽性，不容易被人發(fā)現(xiàn)，安全性能高。樹莓派計(jì)算機(jī)上設(shè)置不同的端口可實(shí)現(xiàn)與外界設(shè)備不同形式的通訊，可鏈接鼠標(biāo)、鍵盤和網(wǎng)線等。在具體實(shí)施例中，可選用以下的結(jié)構(gòu)參數(shù)：

芯片：Broadcom BCM2835

CPU：700 MHz， ARM1176JZF-S 核心

分辨率：1080p

USB：2 x USB 2.0 1個(gè)SD插口 3.5mm 音頻輸出接口

尺寸：85.6 x 53.98 x 17mm

GPU：Broadcom VideoCore IV，OpenGL ES 2.0， 1080p30 h.264/MPEG-4 AVC high-profile decoder

下位機(jī)用于接收上位機(jī)指令，執(zhí)行門鎖動(dòng)作。下位機(jī)為arduino下位機(jī)，設(shè)置有arduino控制器、與arduino控制板連接的藍(lán)牙接口以及無線網(wǎng)絡(luò)接口。arduino控制器配置的I/O端口與AVR單片機(jī)相連接。AVR單片機(jī)包括MCU微控制器。因此，arduino下位機(jī)可通過AVR單片機(jī)處理接收的信號(hào)，發(fā)出執(zhí)行動(dòng)作。

手持式移動(dòng)設(shè)備為具有無線網(wǎng)絡(luò)接口的手機(jī)或平板電腦，用于發(fā)出用戶指令。

在應(yīng)用時(shí)，手持式移動(dòng)設(shè)備（如手機(jī)）由用戶隨身攜帶，通過家用無線路由器連接家里的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)手持式移動(dòng)設(shè)備的上網(wǎng)功能，這一步通常是自動(dòng)完成的。

手機(jī)可預(yù)先通過秘鑰登錄樹莓派計(jì)算機(jī)，發(fā)出門鎖命令。通常，一般家庭都設(shè)有自己的家用無線局域網(wǎng)。樹莓派計(jì)算機(jī)置于局域網(wǎng)內(nèi)，本文采用基于WPA2/PSK協(xié)議和SSH 安全協(xié)議的家用無線局域網(wǎng)，使得通信系統(tǒng)具有高保密性，首先利用WLAN的密鑰形成第一層加密，考慮到有很多現(xiàn)成密鑰（例如Wi-Fi萬能鑰匙等）會(huì)將無線網(wǎng)密鑰泄密，以及無線網(wǎng)絡(luò)密鑰可能是弱口令，設(shè)置了第二層加密：登陸樹莓派計(jì)算機(jī)必須用SSH密鑰連接。SSH使用RSA加密，破解難度高。以上兩層加密保證了整體控制過程高度的安全性。樹莓派計(jì)算機(jī)通過GPIO端口處的GPIO引腳產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)度大于100ms的電流脈沖（也可以用I2C總線來發(fā)信號(hào)，更可靠）這時(shí)arduino下位機(jī)通過AVR單片機(jī)控制接收到的信號(hào)，并發(fā)出執(zhí)行門鎖命令，從而使鎖具通過無線的方式安全門鎖。

2技術(shù)特點(diǎn)

本方案具有較強(qiáng)的實(shí)用性，具有以下突出的特點(diǎn)：

1）保密性強(qiáng)：本方案采用基于WPA2/PSK協(xié)議和SSH 安全協(xié)議的家用無線局域網(wǎng)進(jìn)行雙層加密實(shí)現(xiàn)無線門鎖的高保密性；

2）安全性能高：本方案將加密門鎖隱藏于家家戶戶都有的家用無線局域網(wǎng)中，隱蔽性很強(qiáng)，增加了破解的難度，安全性能高；

3）不易破損，本方案整個(gè)門鎖系統(tǒng)處于防盜門的保護(hù)范圍之內(nèi)，門鎖用手持式移動(dòng)設(shè)備操作，日常使用不接觸門鎖系統(tǒng)，常規(guī)暴力損壞鎖的方式難以實(shí)現(xiàn)門鎖的目的，并且這種方式的成本與破壞防盜門的成本相當(dāng)，不易被他人掌控；

4）成本低，操作方便：本方案可直接加裝于防盜門和原有傳統(tǒng)鎖具之上，保證了諸如停電等情況下仍可以用鑰匙開門，安裝成本低，便于普及。