基于KEELOQ技術的遙控門禁系統(tǒng)的實現(xiàn)

薛巨峰，喬 鵬

（東北林業(yè)大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

目前，大部分家庭門禁系統(tǒng)都是采用機械式開鎖，操作比較麻煩，給家里有老人的家庭帶來了諸多不便，且安全性也不能得到很高的保障。近年來RF遙控器件的價格越來越便宜，且電子式遙控開鎖更加方便、安全,從而使其市場有了更大的提升空間，利用其特點已開發(fā)出了一些重要的應用，遙控門禁就是其中之一。機械式開鎖的最大缺點就是不安全，采用滾動碼技術的遙控門禁系統(tǒng)則大大改變了這一現(xiàn)狀，因為其每次發(fā)出的編碼信息不同、不規(guī)則，而且重復出現(xiàn)同一編碼信息被視為無效，傳輸代碼采用了非線性位加密技術,使其產(chǎn)生了具有很高保密性的滾動碼，使得一些非法的裝置不能在一定的時間內(nèi)破解其密碼。本文主要介紹KEELOQ技術在遙控門禁系統(tǒng)中的應用，并且利用PIC16F630進行控鎖和軟件解碼。

1 編碼器的工作原理

本設計的遙控門禁系統(tǒng)[1]通過按鍵遙控器就能開關家門，其工作流程如圖1所示。當系統(tǒng)按鈕被按下時，HCS301將開始準備工作，為使按鈕抖動平息，大約要延遲10 ms。信息將以跳碼的形式進行傳輸，跳碼包括識別碼、按鈕信息和徒步計數(shù)值。跳碼就是跳動的代碼，在每次發(fā)送時都將產(chǎn)生變化，即便同一個按鈕被按下多次，它也會發(fā)生變化。因此，發(fā)送的編碼字在超過64 000次的傳輸中都不會重復。以每天執(zhí)行10次操作為例，跳碼可以保證在18年之內(nèi)編碼字不會重復。溢出信息可用來將唯一發(fā)送的次數(shù)提高超過192 000次。在發(fā)送代碼過程中，如果有按鈕被按下，則會產(chǎn)生復位的效果，并且當前編碼字的傳輸將不會被完成。只要有按鈕處于按下狀態(tài)，松開按鈕就不會對編碼字產(chǎn)生任何影響。在這樣正常的情況下，編碼字將完成并在隨后斷電[2]。

圖1 流程圖

2 KEELOQ技術介紹

KEELOQ技術[3]實際上是一個關于“ASIC”的特別設計，它包括解碼技術和加密技術，并提出了一種實用可靠的KEELOQ算法，適用于遙控或命令辨別的場合。它的加密、解密技術安全，具有變化多、不容易被截獲的特點，KEELOQ技術可應用在車庫門遙控、秘密通信、被動式感應控制、停車場管制、安全鎖等場合，用途廣泛。KEELOQ的傳送可經(jīng)由公共頻道，內(nèi)含一組64 bit的編碼密碼，編碼器將把該編碼密碼傳輸?shù)浇獯a器，其中有32 bit的編碼密碼是不知道的，從而可保證該技術的保密性，并且傳送資料不唯一和不重復。KEELOQ技術的重點在于它獨特的演算法(即數(shù)學推算公式)，當資料進入這演算法并進行運算時，其輸入與輸出是一一對應的，不存在重復。

2.1 KEELOQ技術的密碼編碼和存儲[4]

密鑰的產(chǎn)生是由64 bit廠家代碼和28 bit發(fā)送序列號在密鑰生成算法中實現(xiàn)，并把其生成的密鑰存儲在HCS301中的EEPROM中，如圖2所示。

圖2 密鑰生成和存儲

2.2 滾動碼的產(chǎn)生

當遠程控制按鍵被按下時，就會讀取輸入，并且同步計數(shù)值等于原來的計數(shù)值加1，編碼密碼和16 bit同步技術值、10 bit識別碼、4 bit功能鍵、2 bit溢出指示在KEELOQ演算法下產(chǎn)生32 bit的滾動碼，這種代碼具有很高的安全性，由于其每次在傳輸時都發(fā)生變化，故稱之為跳碼。滾動碼的生成如圖3所示。

圖3 滾動碼生成

2.3 PWM的接收

發(fā)送的信息包括32 bit跳碼和34 bit固定碼，由圖3可知，該固定碼包括識別碼、功能鍵和溢出指示位。首先進入前導資料并進行準備；然后開始接收所傳輸?shù)馁Y料，利用Sync.Header 10 TE來改變接收的速率，會得到TE的時間。當檢測到有上升沿上升時，過一半TE時間后，開始進行取樣并檢測其結果。如果為1，則接收成功；如果為 0，則接收失敗，需要等待 1 TE時間，然后立即取樣，并把采樣結果作為資料位元再重復以上動作，重新采樣并進行測試；如果重測結果為1則失敗。當下一個上升沿出現(xiàn)時，如果等待時間大于1 TE，則可以斷定其結果為失敗。重復以上步驟，直到把這66 bit編碼密碼接收完成[5]，如圖4所示。

3 PIC16F630的軟解和控鎖

跳碼編碼可用專用芯片進行硬件解碼。由于專用芯片的價格很貴，因此本設計采用PIC系列的單片機芯片PIC16F630進行軟件解碼[6]。當接收器接收到信號時，把信號傳輸?shù)絾纹瑱C中，然后PIC16F630進行軟件解碼，產(chǎn)生控制信號 D0、D1、D2、D3。 其原理圖如圖 5所示。

主機接DC12 V變壓器，+12 V為正極輸入端，GND為負極輸入端，JP1～JP5為短路帽，第一組控制信號由跳線端JP4控制：如果JP4跳到A端，則只有按遙控器A鍵，L1才有開鎖信號；如果JP4跳到 D端，則只有按遙控器D鍵，L1才有控制信號輸出。第二組控制信號由跳線端JP3控制：如果JP3跳到B端，則只有按遙控器B鍵，L2才有開鎖信號；如果JP3跳到 C端，則只有按遙控器C鍵，L2才有控制信號輸出。

4 KEELOQ技術的學習模式

為使生產(chǎn)配對方便、管理簡單，KEELOQ系統(tǒng)要進行學習。解碼器在沒工作時，僅知道其制造商代碼，剩下的都不知道；解碼資訊存儲在EEPROM中，具體包括：序列號(Serial Number)、同步計數(shù)值(Current Sync.Counter Value)、識別碼(Discrimination Value)、編碼密碼(Encrypion Key)[7]。

4.1 簡易學習模式

如果使用簡易學習模式，則編碼密碼就是制造商代碼。此模式的特點是簡單和容易明白，不足之處是假如制造商代碼被知道，則當有兩個使用相同制造商代碼的系統(tǒng)時，這個系統(tǒng)的編碼密碼就很容易被知道，因此安全性被降低。在簡易學習模式下，接收到資料，然后進行解碼，判斷是否與制造商代碼一致。如果超過時間，則學習失??；如果解碼正確，則判斷識別碼與所接收的序列號中較低的10位元是否相等以及功能鍵與所接收資料中的固定碼按鍵值是否相等，如果不相等，則學習失敗，如果相等則把學習到的3種資料記錄在EEPROM中，作為解碼資料庫用。

4.2 標準學習模式

標準學習模式與簡易學習模式的解碼方式其實是一樣的，只是使用不同的解碼密碼(Encrypion Key)。在標準模式中，解碼密碼是通過序列號、制造商代碼經(jīng)過運算后得到的，前后共經(jīng)過兩次，并得到64 bit的編碼密碼。第一次運算，先取得32 bit(LSB)，第二次運算，再取得 32 bit(MSB)。進入標準學習模式下，將第一次接收的資料進行解碼后，得到序列號、識別碼、同步技術值，并判斷識別碼是否與序列號相等；將第二次接收的資料進行解碼后，判斷識別碼與序列號是否相等，并檢查同步技術值是否加1，如果都正確，則存儲學習結果到EERPROM中。

4.3 安全學習模式

安全學習模式與標準學習模式的解碼方式其實是一樣的，只是解碼密碼產(chǎn)生的方式不同。在安全學習模式中，制造商代碼與SEED運算取得解碼密碼，并得到32 bit(LSB)；然后此密碼又與序列號進行運算，運算后所取得的密碼為32 bit(MSB)，即形成了64 bit的解碼密碼。當安全學習模式啟動時，將準備接收跳碼，并檢查新、舊序號是否一樣，利用新的解碼密碼與跳碼進行解碼后會得到識別碼和同步技術值，然后存儲解碼資源中的4種信息到EEPROM中。

5 KEELOQ 紙上解碼

以 HCS301為例，其跳碼（Hopping Code）使用 0～F的制造商代碼，以簡易編碼方式來記錄HCS301所送出的編碼作為解碼輸入。燒錄設定：序列號0001234，同步技術值0000，識別碼序號最低10 bit。把燒錄的HCS301作為編碼器，制造商代碼為0123456789ABCDEF，使用簡易編碼解碼方式將所收到的Hopping碼填入“KEELOQ Decoding Tool”中的解碼資料欄中來解碼，所得到的結果如表1所示。

表1 解碼表

本文運用了單片機技術、無線傳輸技術、KEELOQ技術，采用DXP2004軟件繪制原理圖，設計出了一種方便、成本低、保密性高的防盜門禁系統(tǒng)。在實際使用時還可以適當?shù)丶釉O硬件(例如報警器、LED燈等)來實現(xiàn)更大的作用。

[1]Microchip Crop.AN661-Code hopping decoder using a PIC16C56[Z].2011.

[2]孔慧芳，丘宇寧.PKE智能鑰匙系統(tǒng)設計[J].微型機與應用，2010，29(20)：103-106.

[3]何此昂，周渡海.遠程無鑰匙進入系統(tǒng)的方案設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2006，29(12)：33-35.

[4]王文虎，李建奇，陶曾杰.KEELOQ滾動加密技術在汽車防盜系統(tǒng)中的應用[J].電子測量技術，2007，30(10)：197-199.

[5]陳元.基于轎車車身控制網(wǎng)絡的研究和仿真[D].武漢：武漢理工大學，2008.

[6]丁明勇.KEELOQ技術的文件加密設計與實現(xiàn)[J].遼寧工程技術大學學報，2005，24(5)：727-729.

[7]石幸利.基于滾動碼技術的汽車防盜系統(tǒng)研究[D].重慶：重慶大學，2007.