基于加密無線通訊的家用智能門鎖系統(tǒng)探討

熊壯

【關(guān)鍵詞】加密無線通訊 家用門鎖 智能系統(tǒng)

1. 前言

在智能門鎖系統(tǒng)中，無線路由器通過利用無線信號(hào)與系統(tǒng)使用者的手持性移動(dòng)通訊設(shè)備進(jìn)行連接，而無線路由器又通過無線信號(hào)連接上上位機(jī)。在相互連接的過程中，主要是由采用了WPA2/PSK 協(xié)議和SSH 安全協(xié)議的家庭無線局域網(wǎng)來對(duì)無線連接的無線路由器、手持性通訊設(shè)備以及上位機(jī)進(jìn)行雙層加密，并通過相關(guān)協(xié)議的約束來處理無線門鎖在家庭無線局域網(wǎng)中的無線信號(hào)傳輸?shù)谋Ｃ苄詥栴}。上位機(jī)往往通過產(chǎn)生脈沖信號(hào)來對(duì)下位機(jī)進(jìn)行控制，一般下位機(jī)為門上的鎖具。

2. 家用智能門鎖系統(tǒng)的運(yùn)作模式和產(chǎn)生背景

在家用智能門鎖系統(tǒng)構(gòu)建完畢后，使用者可以通過手持性移動(dòng)通訊設(shè)備發(fā)出相關(guān)指令，而發(fā)出的指令通過網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳遞到無線路由器上，無線路由器在收到指令信號(hào)后，又由無線信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到上位機(jī)上，然后上位機(jī)通過脈沖信號(hào)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行控制，完成對(duì)家用智能門鎖系統(tǒng)內(nèi)鎖具的開關(guān)控制，從而實(shí)現(xiàn)方便快捷的遠(yuǎn)距離控制家庭門鎖，有效的保障家庭財(cái)產(chǎn)安全。

在目前，大多數(shù)家庭安裝的防盜門上安裝的鎖具主要是電子鎖或者防盜鎖。其中，機(jī)械鎖是由彈簧、彈片等機(jī)械部件組成的，要想對(duì)其進(jìn)行開鎖的操作，需要使用固定的鑰匙才能啟動(dòng)，但是這種機(jī)械鎖的保密性能比較差，防盜能力不足，很容易被破解，從而成為小偷的目標(biāo)，造成不必要的財(cái)產(chǎn)損失。電子鎖主要是運(yùn)用IC 卡以及指紋解鎖、人臉解鎖等生物特征識(shí)別的方式來進(jìn)行保密，雖然其相較于傳統(tǒng)的機(jī)械鎖來說，安全性能有著較大的提高，但是在實(shí)際的使用過程中，仍然有著一些難以避免的弊端。對(duì)于IC 卡鎖具的使用來說，其卡密破解難度較小，具有著易丟失、易仿制的特性;而對(duì)于指紋解鎖模式來說，雖然其使用方法簡(jiǎn)單，解鎖主要依靠手指指紋，不像IC 卡易丟失、易仿制，但在實(shí)際使用過程中容易遇到指紋識(shí)別算法錯(cuò)誤的問題，并且在不同的使用環(huán)境和使用條件下，其解鎖速度往往也不盡相同;至于人臉識(shí)別技術(shù)，雖然其相較于IC 卡和指紋解鎖模式來說具有著更加方便衛(wèi)生的使用模式，但是現(xiàn)在市場(chǎng)上流通使用的人臉識(shí)別系統(tǒng)主要采用的是DSP 或ARM 芯片，其對(duì)于信息處理的速度比較慢，使用要求較高，不夠方便，而且識(shí)別錯(cuò)誤率也比較高，在快速對(duì)焦拍攝上依然有著巨大的不足。隨著電子鎖不斷地更新?lián)Q代，其和機(jī)械鎖進(jìn)行對(duì)比時(shí)，安全性得到了極大的提升，但在實(shí)際的使用過程中還是存在一些不足。因此，開發(fā)出更為便捷，錯(cuò)誤率更低，安全性能更高的家用智能門鎖系統(tǒng)是當(dāng)前相關(guān)產(chǎn)業(yè)的研究重點(diǎn)，有著極大的社會(huì)價(jià)值。

3. 方案分析

將加密無線通訊作為主要技術(shù)核心內(nèi)容的智能門鎖系統(tǒng)，其系統(tǒng)構(gòu)成主要包含上位機(jī)、下位機(jī)、系統(tǒng)內(nèi)的門、安裝在門上的鎖具、無線路由器以及手持移動(dòng)設(shè)備等部件。手持移動(dòng)通訊設(shè)備通過利用無線網(wǎng)絡(luò)和路由器之間進(jìn)行有效地連接和融合，并且通過無線路由器傳遞對(duì)應(yīng)的信號(hào)指令，在上位機(jī)收到信號(hào)指令之后再把所收到的信號(hào)指令的內(nèi)容指示轉(zhuǎn)化成為脈沖信號(hào)傳遞給下位機(jī)，上位機(jī)通常與下位機(jī)直接連接，下位機(jī)在家用智能門鎖系統(tǒng)中主要起著控制門鎖的開關(guān)狀態(tài)的功能，對(duì)門鎖進(jìn)行開啟和關(guān)閉的操作。

4. 系統(tǒng)分析與實(shí)現(xiàn)

本方案在智能門鎖系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)規(guī)劃中，無線路由器主要是起到進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射的功能，在實(shí)際使用的過程中其所發(fā)揮的具體功能與用戶平時(shí)進(jìn)行上網(wǎng)操作時(shí)所使用的路由器功能沒有明顯的區(qū)別，當(dāng)路由器通過網(wǎng)絡(luò)或家庭無線局域網(wǎng)接收到來自移動(dòng)通訊設(shè)備所發(fā)出的信號(hào)指令之后，路由器利用本身所具有的天線發(fā)出的無線網(wǎng)絡(luò)把接收到的信號(hào)指令轉(zhuǎn)輸給周圍的在家用智能門鎖系統(tǒng)中的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，一般來說，其利用自身具有的天線發(fā)射出的無線網(wǎng)絡(luò)是以SSH 安全協(xié)議以及WAP2/PSK 協(xié)議為主的家庭無線局域網(wǎng)，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，信號(hào)指令的傳遞與轉(zhuǎn)發(fā)被相關(guān)協(xié)議所約束，極大程度的保障了家庭無線局域網(wǎng)內(nèi)信號(hào)指令傳輸?shù)陌踩?，也保證了家用智能門鎖系統(tǒng)實(shí)際使用的安全保障性。無線路由器不但具備無線AP 的所有功能（包括VPN、防火墻、WEP 加密等等），還能及時(shí)的進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)地址的轉(zhuǎn)化，使用戶可以在局域網(wǎng)中得到數(shù)據(jù)信息的共享和局域網(wǎng)內(nèi)其他用戶的幫助。無線路由器可以和ADSL 調(diào)制解調(diào)器相互連接，并且在實(shí)際使用的過程中利用交換機(jī)、寬帶路由器等媒介融入到局域網(wǎng)中。在無線路由器中還有較為簡(jiǎn)便的撥號(hào)軟件，用戶可以利用賬號(hào)和密碼進(jìn)行網(wǎng)上登錄，還可以利用撥號(hào)和網(wǎng)絡(luò)相互連接，不需要用戶再次為其調(diào)配對(duì)應(yīng)的電腦或是終端服務(wù)器。這些家用智能門鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要核心內(nèi)容基礎(chǔ)就是無線路由器，通過利用無線路由器所發(fā)出的WLAN 網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)家用智能門鎖系統(tǒng)的用戶和上位機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，并利用家庭無線局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無線路由器對(duì)家用智能門鎖系統(tǒng)用戶手持移動(dòng)通訊設(shè)備和上位機(jī)之間的信號(hào)指令的轉(zhuǎn)發(fā)，使得上位機(jī)通過脈沖信號(hào)控制下位機(jī)進(jìn)行門鎖的開關(guān)控制工作，從而實(shí)現(xiàn)家用智能門鎖系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作功能，為用戶的開關(guān)鎖操作帶來極強(qiáng)的便捷性。

本次家用智能鎖系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中選的上位機(jī)為樹莓派迷你電腦，其有網(wǎng)絡(luò)端口、兩個(gè)USB 接口和GPIO 端口來進(jìn)行信號(hào)的接收和傳遞，而對(duì)這些端口進(jìn)行利用可以有效的解決無線路由器發(fā)射的信號(hào)接收問題，并且通過端口連接線和下位機(jī)相互融合，通過將無線路由器轉(zhuǎn)發(fā)過來的信號(hào)指令轉(zhuǎn)化成脈沖信號(hào)來控制下位機(jī)的開合狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)門鎖的開關(guān)控制。樹莓派的主要操作系統(tǒng)有Windows 以及ARM 和Linux操作系統(tǒng)，和一般的電腦進(jìn)行對(duì)比的話，其所占空間比較小，而且具有的“大容量?jī)?nèi)存”也能夠保存很多和家用智能門鎖系統(tǒng)環(huán)節(jié)中所占有的工作內(nèi)容有關(guān)的東西，所以在方案系統(tǒng)內(nèi)可以把其作為通用計(jì)算機(jī)，而且樹莓派迷你電腦在家用智能門鎖系統(tǒng)的實(shí)際工作過程中可以在較短的時(shí)間內(nèi)有效的處理數(shù)目較多的后端數(shù)據(jù)，所以也可以把它作為一個(gè)小型的PC 運(yùn)用在家用智能門鎖系統(tǒng)中來對(duì)信號(hào)指令信息進(jìn)行更為有效的處理。在這次智能門鎖設(shè)計(jì)的過程中，由于樹莓派迷你電腦本身的設(shè)計(jì)原因，其所占的空間比較小，所以很容易隱藏起來，在實(shí)際使用的過程中不容易被人們所察覺，而作為上位機(jī)存在于家用智能門鎖系統(tǒng)中的樹莓派迷你電腦的高隱蔽性，保障了上位機(jī)的運(yùn)用安全，在一定程度上大大的增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。再者因?yàn)闃漭删邆浜芏嗖煌男盘?hào)連接端口，所以在實(shí)際的運(yùn)用過程中可以和鼠標(biāo)、鍵盤、顯示器等操作連接起來，在保證家用智能門鎖系統(tǒng)具有著可操作性的同時(shí)，還有利于及時(shí)的對(duì)系統(tǒng)的缺陷進(jìn)行補(bǔ)足，保障家用智能門鎖系統(tǒng)的可操作性和持續(xù)安全有效性。

下位機(jī)在家用智能門鎖系統(tǒng)的實(shí)際使用過程中主要是用來接收上位機(jī)傳送的脈動(dòng)信號(hào)，并根據(jù)脈動(dòng)信號(hào)的實(shí)際指示進(jìn)行操作，然后控制對(duì)應(yīng)的門鎖開合，實(shí)現(xiàn)門鎖的遠(yuǎn)程可控制性，家用智能門鎖系統(tǒng)實(shí)際方案中的下位機(jī)是Arduino 下位機(jī)，其除了可以被上位機(jī)通過端口連接線傳輸?shù)拿}沖信號(hào)進(jìn)行控制外，還可以在Arduino 控制板連接無線網(wǎng)絡(luò)接口或是藍(lán)牙接口被無線通訊設(shè)備進(jìn)行控制?？刂瓢宕嬖贗/O 端口，這次設(shè)計(jì)方案中我們把MCU 作為核心控制器的AVR 單片機(jī)進(jìn)行相互連接。AVR 單片機(jī)在家用智能門鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中主要承擔(dān)為下位機(jī)接收信號(hào)的功能，所以，下位機(jī)可以利用AVR 的脈沖信號(hào)來進(jìn)行相應(yīng)信號(hào)指令的接收，并根據(jù)相應(yīng)的信號(hào)指令進(jìn)行相應(yīng)的工作，從而執(zhí)行門鎖開啟與閉合的動(dòng)作。手持移動(dòng)通訊設(shè)備主要是指具備無線網(wǎng)絡(luò)板塊的移動(dòng)設(shè)備，其在家用智能門鎖的實(shí)際使用過程中必須具備可以發(fā)出對(duì)應(yīng)的信息指令的功能，從而保障整個(gè)系統(tǒng)的有效進(jìn)行。在所有家用智能門鎖系統(tǒng)的系統(tǒng)操作中，用戶通過帶著對(duì)應(yīng)的移動(dòng)設(shè)備，在使設(shè)備連接上網(wǎng)絡(luò)時(shí)，利用連接外部網(wǎng)絡(luò)的無線路由器和家中的網(wǎng)絡(luò)相互連接，并且不影響手持移動(dòng)通訊設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)的瀏覽等上網(wǎng)的操作，通常情況下，手持移動(dòng)通訊設(shè)備與家庭無線路由器連接的這個(gè)過程是自動(dòng)化的過程，在第一次進(jìn)行手持移動(dòng)通訊設(shè)備與家庭無線路由器連接相關(guān)的連接操作后，下一次用戶在進(jìn)行手持移動(dòng)通訊設(shè)備與家庭無線路由器連接時(shí)便不需要再進(jìn)行較為繁瑣的操作。

5. 技術(shù)特征

這次家用智能門鎖具備一定的安全性和實(shí)用性，主要包含了以下幾方面的內(nèi)容：

第一，具備隱秘性。這次設(shè)計(jì)所使用的是SSH 安全協(xié)議以及以WPA2/PSK 作為基礎(chǔ)的無線局域網(wǎng)，同時(shí)具有WLAN以及SSH 密鑰進(jìn)行多重保護(hù)的功能，從而有效的加強(qiáng)了門鎖的隱蔽性。

第二，具有安全性。本次設(shè)計(jì)主要是把智能鎖隱藏到無線局域網(wǎng)所覆蓋的范圍中，和傳統(tǒng)的機(jī)械鎖或是電子鎖進(jìn)行對(duì)比，其中的安全性得到了大大的提升，破解往往需要耗費(fèi)較大的時(shí)間和精力，最重要是成功的幾率較低。

第三，損耗情況比較輕。本次設(shè)計(jì)屬于防盜門的范疇中，并且門鎖的開關(guān)主要是靠移動(dòng)設(shè)備來操控的，如果使用外力進(jìn)行暴破的話，可行性也不高。

第四，資金經(jīng)費(fèi)較少，本次設(shè)計(jì)還兼顧了傳統(tǒng)鎖具的功能，不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定及其他特殊情況造成無法解鎖的尷尬。

6. 結(jié)束語

綜上所述，與過去的門鎖進(jìn)行對(duì)比，智能門鎖的優(yōu)勢(shì)更為明顯，具備較強(qiáng)的安全性，資金耗損比較低，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能門鎖的發(fā)展速度也十分迅猛，使用范圍也在不斷增加，很大程度上提高了人們的生活質(zhì)量。