基于NFC的門(mén)禁系統(tǒng)

滕智飛+馬金億+李雙+杜磊+陳樂(lè)

摘 要：隨著NFC技術(shù)的發(fā)展和智能手機(jī)的普及，現(xiàn)有的門(mén)禁系統(tǒng)已難以滿足人們的需求。文中設(shè)計(jì)了一種通過(guò)智能手機(jī)控制的門(mén)禁系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用NFC（近場(chǎng)通信）技術(shù)實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖功能，可以隨時(shí)隨地使用，不需要繁瑣的操作與持續(xù)的電源供應(yīng)，只需要NFC功能模塊和電池供給的少量電量即可支持系統(tǒng)功能。該系統(tǒng)的后臺(tái)管理功能可有效管理用戶，并可給予權(quán)限或收回權(quán)限，以使門(mén)禁系統(tǒng)始終處在可控范圍。最后，在所有的通信過(guò)程中加入動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)碼并進(jìn)行加密傳輸，從而有效提高了系統(tǒng)的安全性。

關(guān)鍵詞：NFC；AES；WCF；門(mén)禁系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）06-00-03

0 引 言

計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異，基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)門(mén)禁系統(tǒng)的研究方興未艾，現(xiàn)如今已形成了體系完整的出入管理系統(tǒng)。然而，重復(fù)部署系統(tǒng)耗時(shí)耗力，安全威脅與日俱增，人們的需求也在不斷提高，多數(shù)門(mén)禁系統(tǒng)已難以滿足人們的期望。與此同時(shí)，智能手機(jī)的普及與發(fā)展，以及NFC技術(shù)的出現(xiàn)給了門(mén)禁系統(tǒng)新的展望，人們不斷嘗試將智能手機(jī)應(yīng)用于門(mén)禁系統(tǒng)，并從中積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。取締繁瑣的操作，減少人力資源的浪費(fèi)，酒店門(mén)禁系統(tǒng)、校園卡門(mén)禁系統(tǒng)等都給人們帶來(lái)了便捷。盡管在不斷進(jìn)步，但門(mén)禁系統(tǒng)也存在許多問(wèn)題。用于身份識(shí)別的磁卡因?yàn)榻?jīng)常使用會(huì)受到損壞，而且磁卡本身體積小，容易丟失，落入外人手里可能還會(huì)造成財(cái)產(chǎn)損失和個(gè)人信息的泄露。磁卡還有相當(dāng)?shù)闹谱鞒杀?，有的甚至要一直插在卡槽中才能使用，這也給我們的生活帶來(lái)很多不便。本項(xiàng)目基于這一點(diǎn)，擬用NFC技術(shù)設(shè)計(jì)一種通過(guò)手機(jī)就能更安全便捷地完成身份驗(yàn)證的門(mén)禁系統(tǒng)。門(mén)鎖的管理者可以通過(guò)這個(gè)方式，用手機(jī)刷門(mén)上的NFC模塊來(lái)打開(kāi)門(mén)鎖，同時(shí)還可以將開(kāi)門(mén)權(quán)限賦給其他用戶，讓別人也能用手機(jī)開(kāi)門(mén)，或是取消權(quán)限，保證門(mén)禁安全。使用本解決方案，就可以免除磁卡的制作成本，也避免了磁卡丟失補(bǔ)辦的問(wèn)題，讓個(gè)人信息安全得到保障。該系統(tǒng)不會(huì)受到周?chē)鷾囟鹊拳h(huán)境的影響，且安裝、調(diào)試簡(jiǎn)單，后期維護(hù)方便。我們將通過(guò)不斷地測(cè)試和改進(jìn)，提高用戶體驗(yàn)和應(yīng)用的普及性，讓更多的用戶從中受益。

1 預(yù)備知識(shí)

1.1 NFC

NFC是一種短距離的高頻無(wú)線通信技術(shù)，在13.56 MHz頻率運(yùn)行于20厘米距離內(nèi)。其傳輸速度有106 Kb/s、212 Kb/s、424 Kb/s三種。目前近場(chǎng)通信已通過(guò)成為ISO/IEC IS 18092國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、EMCA-340標(biāo)準(zhǔn)與ETSI TS 102 190標(biāo)準(zhǔn)。NFC采用主動(dòng)和被動(dòng)兩種讀取模式[1]。

（1）卡模擬模式：此模式相當(dāng)于一張采用RFID技術(shù)的IC卡，可以替代現(xiàn)有的大量IC卡。在此種方式下，卡片通過(guò)非接觸讀卡器的RF域來(lái)供電，即便是寄主設(shè)備（如手機(jī)）沒(méi)電也可以工作。

（2）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式：此模式類(lèi)似于紅外線，可用于數(shù)據(jù)交換，傳輸創(chuàng)建速度較快，傳輸速度也快，功耗低，只是傳輸距離較短。將兩個(gè)具備N(xiāo)FC功能的設(shè)備鏈接，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，如下載音樂(lè)、交換圖片或者同步設(shè)備地址薄。因此通過(guò)NFC，多個(gè)設(shè)備如數(shù)位相機(jī)、PDA、計(jì)算機(jī)和手機(jī)之間都可以交換資料。

（3）讀卡器模式：作為非接觸讀卡器使用，比如從海報(bào)或者展覽信息電子標(biāo)簽上讀取相關(guān)信息。

相對(duì)于藍(lán)牙，NFC兼容于現(xiàn)有的被動(dòng)RFID（13.56 MHz ISO/IEC 18000-3）設(shè)備。NFC的功耗更低，與藍(lán)牙V4.0低能協(xié)議類(lèi)似。當(dāng)NFC在一臺(tái)無(wú)動(dòng)力設(shè)備（比如一臺(tái)關(guān)機(jī)的手機(jī)、非接觸式智能信用卡，或智能海報(bào)）上工作時(shí)，NFC的能量消耗會(huì)大大低于低功率藍(lán)牙V4.0[2]。

1.2 AES算法

高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（Advanced Encryption Standard，AES）在密碼學(xué)中又稱(chēng)為Rijndael加密法，是美國(guó)聯(lián)邦政府采用的一種區(qū)塊加密標(biāo)準(zhǔn)。

假定讀者熟悉AES加密算法的過(guò)程，我們以128-比特分組長(zhǎng)度128-比特密鑰長(zhǎng)度為例簡(jiǎn)要描述AES算法的加密過(guò)程。AES加密過(guò)程在一個(gè)4×4 字節(jié)的矩陣上運(yùn)作，這個(gè)矩陣又稱(chēng)為“體”，也可看成一個(gè)16×1的列向量，即（aij）=（a00，…，a30，a01，…，a31，…，a33）T。在AES加密中包括四個(gè)變換（除最后一輪），依次為：字節(jié)替換，行移位，列混合和輪密鑰加[3，4]。

1.2.1 非線性混亂

字節(jié)矩陣中的每個(gè)元素按照S[#]進(jìn)行查表替換。替換表由三個(gè)變換組成。

（1）在GF（28）中計(jì)算y=x-1（0-1=0）；

（2）計(jì)算z=LA·y，這里L(fēng)A是一個(gè)GF上的8×8矩陣；

（3）S-盒輸出為L(zhǎng)A·y+63

1.2.2 線性擴(kuò)散

字節(jié)矩陣的每一行進(jìn)行循環(huán)移位，字節(jié)aij變?yōu)閍i（j-imod4），可以用一個(gè)16×16的字節(jié)矩陣RA來(lái)完成行移位操作，即：

（2）把字節(jié)矩陣的每一列看成是4維GF（28）-向量，然后計(jì)算y=D·x，這里D是一個(gè)4×4的GF（28）-矩陣。同樣的，可以用一16×16的塊對(duì)角矩陣MixA（每一塊都是D）來(lái)完成列混合操作，即線性擴(kuò)散的輸出為：

1.2.3 密鑰輪加

字節(jié)矩陣的每一個(gè)字節(jié)與相應(yīng)的輪子密鑰字節(jié)進(jìn)行異或，因此，AES的輪函數(shù)可以表示為：

2 基于NFC門(mén)禁系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 整體方案設(shè)計(jì)

本方案主要由客戶端、服務(wù)端、NFC模塊及Arduino開(kāi)發(fā)板三個(gè)端構(gòu)成。服務(wù)端由C#實(shí)現(xiàn)，后臺(tái)管理由PHP提供支持。整個(gè)方案流程分為如下幾步：

（1）新用戶打開(kāi)App注冊(cè)；

（2）管理員使用后臺(tái)管理系統(tǒng)通過(guò)用戶注冊(cè)并分配開(kāi)鎖列表及權(quán)限[5]；