基于無線安全的智能鎖具及其軟件控制系統 

田紅鵬++肖瑾++張媛++高冬冬++吳挺靜++譚健寧

摘要：為了解決當前市場中智能門鎖存在的不足，提出了一種基于無線安全的智能鎖具及其軟件控制系統的總體框架、設計思想及實現方案。在該方案中，智能手機與門鎖進行交互，實現開鎖、關鎖、查看日志等操作。并且采用安全的WIFI鏈接、注冊碼機制、用戶派生機制、門鎖數據庫SHA256加密等方法多維度地提高門鎖的安全性。將認證服務器、數據庫等高度集成于一體，成本低、易于操作，同時，采用冗余的供電方式提高了系統可靠性。測試證明，該系統實現了預期功能，能夠滿足市場需求。

關鍵詞：智能門鎖；WIFI；SHA256；注冊碼機制；用戶派生機制

DOIDOI：10.11907/rjdk.161733

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2016）009009403

基金項目基金項目：陜西省大學生創新創業項目（201510704046）

作者簡介作者簡介：田紅鵬（1970-），男，陜西西安人，西安科技大學計算機科學與技術學院副教授，研究方向為互聯網技術、嵌入式系統、圖像處理。

0引言

近年來，智能家居的熱潮席卷國內外，其作為現代電子技術、自動化技術及通信技術相結合的產物，能夠自動控制和管理家電設備，對家庭環境的安全進行監控報警，并且能夠為住戶提供安全舒適、高效便利的學習生活及工作環境。在國外，智能家居的方案和技術比較成熟，已在美國、新加坡、日本等國有廣泛應用，并且智能家居的產品銷售額每年以大幅度比例增長。而在國內，智能家居的起步比較晚，但隨著科技的提高和經濟的發展，人們對家居環境有了更高要求，因此智能家居在國內打開了一片市場，正以飛快的速度發展。

智能家居時代的到來促使諸多傳統的生活用品正面臨著淘汰與革新，加之城市化加快、生活壓力加大等一系列不和諧因素導致一個個居室犯罪的案例，使得人們愈來愈感受到自己的生命與財產安全受到嚴重威脅。而門鎖作為家居中第一道安防設備，自然而然成為人們關注的焦點。因此智能門鎖順勢而生，它符合現代人既注重安全又崇尚簡單快捷的需求，而且不排斥傳統門鎖使用方法，將成為最有前途的智能家居產品。但同時智能門鎖也面臨著更高要求的安全性、可靠性、便捷性的挑戰[1]。

因此，本文提出一種基于無線安全的智能鎖具及其軟件控制系統的總體框架、設計思路以及實現方案，并分析了系統的功能、性能和特點。

1系統設計

1.1總體設計

本系統由手機客戶端、嵌入式門鎖系統、電能與動能模塊、外部鎖體4部分組成，系統整體結構如圖1所示。

（1）手機客戶端。手機客戶端是基于Android平臺而開發，主要為用戶提供友好的操作平臺并作為連接門鎖服務器的接口。其操作項有注冊、登陸、開鎖、關鎖、查看日志、生成注冊碼、退出和注銷等，用戶可根據自己的需求點擊按鈕向服務器傳遞相對應的指令，從而實現相應的功能。

（2）嵌入式門鎖系統。嵌入式門鎖系統基于RT5350開發板進行開發，其中RT5350開發板內嵌了內部服務器、內部數據庫服務器、內部證書服務器以及自帶的WIFI模塊：內部服務器主要提供連接手機客戶端的接口，完成與手機之間的通信；內部數據庫服務器存儲已注冊用戶的用戶名和密碼并進行哈希SHA256加密，為之后的登陸做驗證匹配；內部證書服務器為注冊成功的用戶頒發認證證書，確保登陸用戶的安全性；自帶的WiFi模塊作為網關實現了手機客戶端與內部服務器之間的信息通信。

（3）電能與動能模塊。電能與動能模塊由步進電機和供電設備組成，步進電機是本系統的唯一動力提供者，它一端與RT5350開發板引腳相連，通過步進電機驅動器接收指令正轉或反轉，另一端門鎖相連，帶動門鎖轉動。供電模塊是本系統的能量提供者，考慮到可能停電的問題，采用市電和備用電組合的方式，使門鎖不間斷使用。

（4）外部鎖體是本系統的基本硬件設備、整個控制系統的承載者。

1.2功能分析

綜合市場需求，設計智能門鎖的總體原則是：高安全性、高可用性、高可靠性、高穩定性、高擴展性、低成本、易操作性。本系統的基本功能如下：

（1）手機智能安全連接門鎖。手機靠近門鎖時，連接由門鎖服務器發出的安全WiFi信號[2]，再通過TLS與服務器端建立安全的通信鏈路。

（2）用戶登錄。當用戶輸入用戶名、密碼登陸手機APP時，首先會驗證用戶碼的合法性，再次連接數據庫服務器，驗證密碼的正確性，最后發送證書并且證書驗證通過，則顯示登陸成功，否則登陸失敗，返回到輸入信息界面。

（3）用戶認證。從兩個方面進行用戶認證：一是登陸時輸入密碼進行SHA256（SHA256（password）+salt）運算，運算得出的值再與數據庫內存儲的psd值進行比對，如相同，則用戶合法；二是證書認證機制，用戶登錄時，將證書和用戶名密碼一并發送到服務器，門鎖服務器先用CA的公開密鑰對證書進行認證，認證通過，則用戶合法。

（4）用戶派生。首次注冊的用戶擁有與門鎖一一匹配的注冊碼，注冊成功后，成為Host用戶，后續門鎖使用者需通過Host用戶用客戶端的<生成注冊碼>功能完成注冊。

（5）控制門鎖開關。手機客戶端發送開或關的指令，服務器收到指令后將相應引腳置高或置低，從而控制步進電機正轉或反轉，達到開關門鎖的目的。

（6）查看門禁記錄。用戶可通過手機客戶端查看門禁記錄，實時掌控來訪者的詳細信息，做到防患于未然。

本系統的拓展功能：針對用戶派生機制，可以通過限制用戶有效時間實現酒店用戶管理，提升酒店的安全性。

1.3性能要求

針對智能門鎖的特點，在設計智能門鎖的過程時應充分考慮以下性能要求：①可靠性：可靠性和穩定性是智能門鎖系統成敗的關鍵，必須使系統持續穩定運作，準確地接收指令并根據指令做出預期動作。因為是電子產品，所以在整個使用過程中，必須保證持續不斷的電能提供；②安全性：手機客戶端與門鎖服務器之間必須建立安全的通信通道，保證用戶信息不被截取或篡改，同時做好用戶認證體系，保證登陸用戶的合法性；③實時性：智能門鎖系統對實時性要求比較高，用戶發出指令5s內要作出響應，不能出現讓用戶長時間等待的尷尬現象；④便捷性：智能手機已被普遍使用，并成為人們日常生活中的必帶品，通過手機開關門鎖，省去了攜帶鑰匙的麻煩，更加方便與時尚；⑤擴展性：本智能門鎖不僅可用于家庭，也可用于酒店、實驗室等，既增加安全性也方便用戶管理。冗余性：若手機丟失，可通過其它手機下載APP進行賬號登陸；⑥易用性：智能門鎖系統必須為用戶提供簡單易用的操作方式，通過簡單說明即可進行設置、控制及管理[3]。

1.4系統特點

與其它智能門鎖系統相比，本系統設計具有以下特點：

（1）易開發、受眾廣、可視化好。該系統基于Android的手機應用平臺開發，因而開發難度低，大大減少了開發周期和開發成本。并且，Android的硬件選擇更加豐富，這對智能門鎖 APP 的推廣和市場覆蓋非常重要。由于 Android 良好的擴展性和開放性，各類手機中軟件兼容和數據同步良好。不同價位的 Android 手機使得 Android 的覆蓋人群更廣。相比之下，IOS 是 Apple 公司的商業系統，覆蓋范圍較低。此外，Android擁有可視化的文件系統，這對智能家居 APP 的開發和調試幫助很大。用戶可以像瀏覽電腦上的文件一樣瀏覽 Android 的文件系統；相比之下，IOS沒有給予用戶這樣的權限。

（2）穩定性好、成本低。嵌入式門鎖硬件系統集成度高，集網關、服務器、認證服務器、數據庫于一體。方便植入鎖體，穩定性高，易于操作與管理，成本較低，避免了有線裝置布線繁瑣、可移動性差且維修和運行成本高的弊端。

（3）系統安全性高。本系統從多角度提升整體安全性，包括手機客戶端與服務器建立安全通道、數據庫加密機制、用戶認證機制、用戶派生機制等。

2系統實現

2.1用戶派生機制

手機正常連接到門鎖WiFi后，首次注冊用戶需提供注冊碼，加上用戶名密碼后方能完成注冊，注冊碼為門鎖出廠設置的隨機碼，門鎖和注冊碼一一匹配，匹配成功，則該用戶成為Host用戶，注冊碼使用一次即失效。后續門鎖使用者需通過Host用戶用客戶端的<生成注冊碼>功能完成注冊，然后其他用戶可憑注冊碼通過手機客戶端正常注冊并登錄。

2.2客戶端控制系統

客戶端控制系統主要實現用戶注冊、登陸以及操作指令。客戶端工作流程如圖2所示。

手機搜索到門鎖WIFI后，輸入正確的密碼成功連接。首次使用該APP，需要完成注冊，得到合法的注冊碼，并通過服務器的驗證，最終得到服務器頒發的證書，擁有合法的用戶名密碼。

用戶登錄APP時，會進行密碼的驗證過程。將用戶輸入的密碼經過哈希運算得到的值和數據庫中存儲的pst值進行比較，確保門鎖的安全性。密碼驗證通過后，發送所持有的證書，若證書合法，則登陸成功，進入后續的指令操作。手機客戶端與服務器端通過http建立可靠連接，用戶可向服務器發送開鎖、關鎖、查看日志、生成注冊碼、退出、注銷等操作，服務器收到指令后執行相應程序，完成用戶請求。

2.3用戶認證系統

本系統采用多種手段保證門鎖的安全性，確保門鎖使用者的可信性。一是輸入信息與數據庫信息比對：將已注冊用戶的用戶名和密碼將存儲在門鎖的內置服務器內，并采用哈希函數SHA256加密[4]，加密函數形式為：psd=SHA256（SHA256（password）+salt），其中salt為每個注冊用戶產生的隨機數。最終數據庫內將以psd作為用戶密碼而非用戶在手機客戶端輸入的密碼，并且，數據庫內也將存儲相應的salt值。當用戶需登錄時，將其提供的密碼進行SHA256（SHA256（password）+salt）運算，運算得出的值再與數據庫內存儲的psd值進行比對，如相同，則登錄成功。二是證書頒發機制：注冊成功的用戶將收到來自門鎖內部的證書服務器（CA）頒發的證書，此證書包含了用戶的個人身份信息和其公開密鑰，并且CA用自己的私密密鑰對這些信息進行了簽名。當用戶需要登錄時，將證書和用戶名密碼一并發送到服務器，門鎖服務器先用CA的公開密鑰對證書進行認證，認證通過后驗證用戶名密碼，密碼正確后方能登錄[5]。

2.4服務器端控制系統

服務器端工作流程如圖3所示，主要完成對客戶端的監聽，并根據指令實現各模塊功能，主要如下：①判斷用戶注冊碼是否和門鎖固定注冊碼相同；②用戶登錄工程中，CA服務器檢驗證書的合法性，并對用戶密碼進行加鹽哈希加密與數據庫存儲值的比較；③執行開鎖動作，控制步進電機正傳；④判斷鎖體是否對準，執行關鎖動作，控制步進電機反轉；⑤每個功能的實現都會更新日志文件，方便用戶查看；⑥生成十六位隨機數寫入注冊碼文件。

2.5系統供電模塊

本系統采用市電和備用點組合的方式，解決了停電時的不便，增強了系統的可用性。

3結語

本系統針對門鎖市場的需求，提出了一種基于無線安全的智能鎖具及其軟件控制系統，并完成了系統的設計開發，實現了相應功能。以手機代替鑰匙，更加便捷與時尚，安全的WiFi網絡以及TLS加密提供了手機客戶端與服務器之間的安全通信。從數據庫加密機制、用戶認證機制、host賦權機制等方面增強系統的安全性。并且，本系統采用高度集成的方式，具有方便安裝、可移動性強、成本低等優點。測試表明，該系統具有可行性、可靠性、安全性與便捷性，相信在不久的將來，智能門鎖將在國內市場迅速普及，徹底改變人們使用傳統門鎖的觀念，提高人們的生活質量。

參考文獻參考文獻：

[1]趙瑞芬.關于物聯網智能家居的初探[J].科技信息，2010（22）：199.

[2]彭華，何軍.WiFi技術在家庭無線網絡中的應用研究[J].技術與市場，2010（5）：1516.

[3]向軍，謝贊福.基于嵌入式Internet/Intranet的智能家居系統模型及實現[J].計算機工程與設計，2005（26）：24252427.

[4]md5 在線查詢破解，md5 解密加密[EB/OL].http：//www.cmd5.com/，20120116.

[5]加鹽hash保存密碼的正確方式[EB/OL].https：//crackstation.net/hashing-security.htm ，20140313.

責任編輯（責任編輯：孫娟）