基于單片機的藍牙加密密碼鎖的設計

魏平俊， 楊 潔, 胥浩陽

(1.中原工學院 電子信息學院， 河南 鄭州 450007； 2.鄭州工業(yè)應用技術學院 信息工程學院, 河南 新鄭 451100)

隨著社會的進步和科技的發(fā)展，人們的安全意識越來越強，傳統(tǒng)的機械鎖已不能滿足人們的需要。電子密碼鎖因其操作簡單、密碼可變、誤碼保護等特點，成為密碼鎖的主流產品，并得以迅速推廣。但有些產品密碼鍵盤外露，易被破解;有些產品需攜帶遙控器、卡片等，安全性和易用性較差。藍牙是一種無線技術標準，可實現固定設備、移動設備和樓宇個人域網之間的短距離數據交換,并可通過密碼算法對數據進行處理，安全性得到極大提升。本文設計了一種藍牙加密密碼鎖，系統(tǒng)以STC89C52單片機為主控模塊，運用藍牙技術實現安卓手機和密碼鎖的通信，在單片機編程的基礎上,通過藍牙地址配對、算法加密、密碼校驗等技術,實現了隨機密碼功能。用戶只需攜帶手機即可實現自由密碼修改，安全性和便捷性大大提高。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 系統(tǒng)流程

系統(tǒng)包括智能手機端和單片機端。其中，手機端采用安卓系統(tǒng)自帶的藍牙模塊；單片機端采用STC公司生產的高性能芯片STC89C52作為中央處理器[1]，基于HCI協(xié)議層的開發(fā)方式，用HC-06藍牙模塊實現密碼信息的無線傳輸。藍牙模塊通信的建立主要分為5個步驟:初始化藍牙芯片、查詢周邊藍牙地址、建立連接、數據傳輸、斷開連接[2]。初始化過程中，通過編寫C語言程序，單片機產生6位初始密碼信息，通過HC-06藍牙模塊查詢周邊藍牙地址，并進行初始化密碼的驗證，待6位密碼配對成功后，建立手機端和單片機端的連接。手機隨機設置4位密碼信息，通過藍牙無線信道發(fā)送到單片機，單片機接收隨機密碼信息并存儲。開鎖時，通過鍵盤輸入密碼并與單片機存儲器中的密碼進行比對，實現密碼驗證；若密碼驗證不成功，則通過繼電器控制和無源蜂鳴器等作出反饋。系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程

1.2 E0加密算法

由于藍牙協(xié)議是一個公開協(xié)議，為保證信息的安全傳輸，每個藍牙設備都須具備密鑰管理的功能，如加密、解密和破解等。本文采用的E0加密算法是一種作用于鏈路層的對稱的單鑰加密算法，加密過程就是將數據流與密鑰比特流進行異或運算[3]。

E0算法實現結構如圖2所示[4]。它主要包含3個部分：LFSR(線性反饋移位寄存器)、混合器和組合邏輯。混合器中L1、L2表示線性變換網絡，可通過異或來實現，Z-1表示延時網絡。E0算法的實現過程如下[5]：首先進行初始化，以加密私鑰Kc、藍牙設備地址ADR、時鐘信號CL和隨機數RAND作為輸入，產生有效載荷字(凈荷密鑰)；然后有效載荷字發(fā)生器對輸入的比特位以適當的形式進行組合，再傳送給LFSR，LFSR產生偽隨機序列，形成密鑰流；最后將密鑰流按模二加運算作用于數據流完成加密，若將密文和形成的密鑰流再異或即可實現解密。

圖2 E0算法實現框圖

2 硬件設計

硬件系統(tǒng)主要包括手機、控制電路、電插鎖和電源等部分，其結構如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)結構

2.1 控制電路模塊設計

控制電路由單片機、液晶顯示屏、HC-06藍牙模塊、繼電器和無源蜂鳴器模塊等組成。電路原理如圖4所示。

2.1.1 單片機

單片機采用高性能、低功耗的8位微控制器STC89C52，它具有8 k字節(jié)Flash,32位I/O口，具有可在線編程功能[6]，可直接使用串口下載、編寫和燒錄程序實現電路控制。本設計使用了STC89C52單片機的15個I/O口，其中P0為LCD1602數據，P2. 2為電插鎖控制端口，P2. 4為蜂鳴器控制端口，P2. 5為讀/寫端口，P2. 6為液晶數據指令端口，P2. 7為液晶使能端口，P3. 0為RXD接口(接藍牙的TX端，是單片機串口的接收端)，P3. 1為TXD接口(接藍牙的RX端，是單片機串口的發(fā)送端)。

2.1.2 液晶屏

液晶屏采用并行驅動的LCD1602，通過電壓控制顯示區(qū)。開機后打開背光燈，成功連接后顯示“enter password:”，每輸入一位密碼，顯示一個“*”，密碼輸入錯誤顯示“error!try again:”，密碼輸入正確顯示“welcome!!!”。

2.1.3 藍牙模塊

HC-06藍牙模塊支持藍牙2.0協(xié)議標準，采用CSR藍牙芯片，具有2～3 Mbps的調制度，內置2.4 GHz天線[7]，有效距離可以達到10 m，輸入電壓為3.6～6 V，未配對時電流約為30 mA，配對后約為10 mA，具有標準HCI端口(UART or USB)并采用自適應跳頻技術。

2.2 雙電源供電系統(tǒng)

采用內置和外接雙電源供電系統(tǒng)，如圖5所示。Vcc IN為12 V、1 A的電源適配器，BT1為13 V、0.6 A、2 000 mAh的鋰電池。當外接電源斷開時使用內置電源供電，采用繼電器切換，繼電器采用T73型12 V電磁式5腳繼電器。

圖4 控制電路原理圖

圖5 雙電源供電電路圖

2.3 電插鎖

采用XL03型電磁式電插鎖，工作電流為0.6 A，電壓為12 V，額定功率為7.5 W，開鎖時間為1 s，允許連續(xù)通電時間10 s。通過繼電器來控制一個D觸發(fā)器，電流通過，觸點斷開，開鎖；斷電時，觸點閉合，關鎖。

3 軟件設計

該系統(tǒng)軟件采用上位機和下位機分別編程的方法來實現。上位機利用Eclipse平臺，使用Java語言編程，將智能手機設置的隨機密碼信息通過HC-06模塊傳輸給下位機[8]。

單片機作為下位機，采用Keil平臺，使用C語言編程。89C52單片機具有3個16位的定時/計數器，其中，T1、T2都可以用作串口波特率發(fā)生器。在本設計中采用T2作為波特率發(fā)生器，使用11.059 2 MHz的晶振，其產生的波特率最高且誤差較小[9]。采用RS-232C通信標準，8位數據位、1位停止位、無奇偶校驗的通信格式。

采用隨機編碼方式，逐一傳輸6組密碼信息，每組范圍為0X00到0XFF，可以表示“0”到“9”的任意數，具有256種變化方式。主要程序如下：

if (RI) //RI接收中斷標志

{ RI=0; //清除RI接收中斷標志

table3[i]=SBUF-m; /*SUBF為接收/發(fā)送緩沖器；m為隨機編碼種子，若使用ASCII碼，m為48*/

i++; }

單片機通過隨機編碼產生6位密碼信息與手機進行地址匹配，匹配成功后接收手機端設置的4位密碼，同樣采用隨機編碼方式進行編碼并保存在單片機存儲芯片中。開鎖時，與鍵盤輸入的隨機密碼信息進行比對，密碼正確則開鎖。

4 系統(tǒng)調試

4.1 硬件電路調試

硬件電路搭建完成后，暫不通電，先觀察焊接情況，看有無虛焊漏焊現象；然后根據電路原理圖判斷線路連接是否正確；再用萬用表檢查關鍵元件的電壓、電流是否正常，排除隱患后進行系統(tǒng)調試。

4.2 藍牙模塊調試

采用單片機開發(fā)裝置調試單片機程序，用藍牙串口通信助手調試HC-06藍牙模塊[10]。將單片機I/O口的P3.0接HC-06藍牙模塊的TX端，P3.1接藍牙模塊的RX端，給HC-06模塊上電，進入AT指令模式；在PC端啟動串口調試助手,選擇正確的端口和波特率并打開串口，勾選自動發(fā)送，在輸入框中輸入AT指令并回車，回收框中顯示OK，則說明串口正常；打開手機的藍牙，利用串口調試助手查詢HC-06藍牙地址并進行連接，匹配成功后在輸入框中輸入一個AT命令，若LED燈亮且回收框中顯示返回值，則說明HC-06藍牙模塊調試成功，可以與手機及單片機連接進行數據傳輸。

4.3 報警電路調試

在單片機燒寫程序和電路板制作時，電路報警裝置提前設置好參數，若輸入密碼錯誤，則單片機會驅動報警裝置，蜂鳴器做出響應，時間為2 s。若連續(xù)5次出現密碼輸入錯誤，則蜂鳴器長時間鳴叫，需按下復位鍵方可停止報警。

5 結 語

本文設計的密碼鎖,利用藍牙無線技術進行數據傳輸,通過加密算法和隨機密碼的設置,實現了手機對密碼的控制,提高了密碼鎖的安全性和方便性。實驗表明，該密碼鎖具有安全性高、使用方便、價格低廉等特點，可以應用在圖像處理設備、安全產品、建筑、家用電器等領域，具有廣闊的應用前景。本設計已通過中華人民共和國國家知識產權局審批，被授予實用新型專利權(201420358698X)。