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與系統(tǒng)使用者的手持性移動通訊設(shè)備進行連接，而無線路由器又通過無線信號連接上上位機。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)來對無線連接的無線路由器、手持性通訊設(shè)備以及上位機進行雙層加密，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)中的無線信號傳輸?shù)谋Ｃ苄詥栴}。上位機往往通過產(chǎn)生脈沖信號來對下位機進行控制，一般下位機為門上的鎖具。

2. 家用智能門鎖系統(tǒng)的運作模式和產(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)信號傳遞到無線路由器上，無線路由器在收到指令信號后，又由無線信號轉(zhuǎn)發(fā)到上位機上，然后上位機通過脈沖信號對下位機進行控制，完成對家用智能門鎖系統(tǒng)內(nèi)鎖具的開關(guān)控制，從而實現(xiàn)方便快捷的遠距離控制家庭門鎖，有效的保障家庭財產(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，機械鎖是由彈簧、彈片等機械部件組成的，要想對其進行開鎖的操作，需要使用固定的鑰匙才能啟動，但是這種機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，造成不必要的財產(chǎn)損失。電子鎖主要是運用IC 卡以及指紋解鎖、人臉解鎖等生物特征識別的方式來進行保密，雖然其相較于傳統(tǒng)的機械鎖來說，安全性能有著較大的提高，但是在實際的使用過程中，仍然有著一些難以避免的弊端。對于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;而對于指紋解鎖模式來說，雖然其使用方法簡單，解鎖主要依靠手指指紋，不像IC 卡易丟失、易仿制，但在實際使用過程中容易遇到指紋識別算法錯誤的問題，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)在市場上流通使用的人臉識別系統(tǒng)主要采用的是DSP 或ARM 芯片，其對于信息處理的速度比較慢，使用要求較高，不夠方便，而且識別錯誤率也比較高，在快速對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，其和機械鎖進行對比時，安全性得到了極大的提升，但在實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，錯誤率更低，安全性能更高的家用智能門鎖系統(tǒng)是當前相關(guān)產(chǎn)業(yè)的研究重點，有著極大的社會價值。

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、下位機、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設(shè)備等部件。手持移動通訊設(shè)備通過利用無線網(wǎng)絡(luò)和路由器之間進行有效地連接和融合，并且通過無線路由器傳遞對應(yīng)的信號指令，在上位機收到信號指令之后再把所收到的信號指令的內(nèi)容指示轉(zhuǎn)化成為脈沖信號傳遞給下位機，上位機通常與下位機直接連接，下位機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，對門鎖進行開啟和關(guān)閉的操作。

4. 系統(tǒng)分析與實現(xiàn)

本方案在智能門鎖系統(tǒng)功能設(shè)計規(guī)劃中，無線路由器主要是起到進行信號的發(fā)射的功能，在實際使用的過程中其所發(fā)揮的具體功能與用戶平時進行上網(wǎng)操作時所使用的路由器功能沒有明顯的區(qū)別，當路由器通過網(wǎng)絡(luò)或家庭無線局域網(wǎng)接收到來自移動通訊設(shè)備所發(fā)出的信號指令之后，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)，在這個網(wǎng)絡(luò)中，信號指令的傳遞與轉(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)信號指令傳輸?shù)陌踩裕脖ＷC了家用智能門鎖系統(tǒng)實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），還能及時的進行網(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，并且在實際使用的過程中利用交換機、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便的撥號軟件，用戶可以利用賬號和密碼進行網(wǎng)上登錄，還可以利用撥號和網(wǎng)絡(luò)相互連接，不需要用戶再次為其調(diào)配對應(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)來實現(xiàn)家用智能門鎖系統(tǒng)的用戶和上位機進行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，并利用家庭無線局域網(wǎng)實現(xiàn)無線路由器對家用智能門鎖系統(tǒng)用戶手持移動通訊設(shè)備和上位機之間的信號指令的轉(zhuǎn)發(fā)，使得上位機通過脈沖信號控制下位機進行門鎖的開關(guān)控制工作，從而實現(xiàn)家用智能門鎖系統(tǒng)的遠程操作功能，為用戶的開關(guān)鎖操作帶來極強的便捷性。

本次家用智能鎖系統(tǒng)方案設(shè)計中選的上位機為樹莓派迷你電腦，其有網(wǎng)絡(luò)端口、兩個USB 接口和GPIO 端口來進行信號的接收和傳遞，而對這些端口進行利用可以有效的解決無線路由器發(fā)射的信號接收問題，并且通過端口連接線和下位機相互融合，通過將無線路由器轉(zhuǎn)發(fā)過來的信號指令轉(zhuǎn)化成脈沖信號來控制下位機的開合狀況，實現(xiàn)對門鎖的開關(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)，和一般的電腦進行對比的話，其所占空間比較小，而且具有的“大容量內(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算機，而且樹莓派迷你電腦在家用智能門鎖系統(tǒng)的實際工作過程中可以在較短的時間內(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小型的PC 運用在家用智能門鎖系統(tǒng)中來對信號指令信息進行更為有效的處理。在這次智能門鎖設(shè)計的過程中，由于樹莓派迷你電腦本身的設(shè)計原因，其所占的空間比較小，所以很容易隱藏起來，在實際使用的過程中不容易被人們所察覺，而作為上位機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，保障了上位機的運用安全，在一定程度上大大的增強了系統(tǒng)的安全性。再者因為樹莓派具備很多不同的信號連接端口，所以在實際的運用過程中可以和鼠標、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，還有利于及時的對系統(tǒng)的缺陷進行補足，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。

下位機在家用智能門鎖系統(tǒng)的實際使用過程中主要是用來接收上位機傳送的脈動信號，并根據(jù)脈動信號的實際指示進行操作，然后控制對應(yīng)的門鎖開合，實現(xiàn)門鎖的遠程可控制性，家用智能門鎖系統(tǒng)實際方案中的下位機是Arduino 下位機，其除了可以被上位機通過端口連接線傳輸?shù)拿}沖信號進行控制外，還可以在Arduino 控制板連接無線網(wǎng)絡(luò)接口或是藍牙接口被無線通訊設(shè)備進行控制。控制板存在I/O 端口，這次設(shè)計方案中我們把MCU 作為核心控制器的AVR 單片機進行相互連接。AVR 單片機在家用智能門鎖系統(tǒng)的設(shè)計方案中主要承擔為下位機接收信號的功能，所以，下位機可以利用AVR 的脈沖信號來進行相應(yīng)信號指令的接收，并根據(jù)相應(yīng)的信號指令進行相應(yīng)的工作，從而執(zhí)行門鎖開啟與閉合的動作。手持移動通訊設(shè)備主要是指具備無線網(wǎng)絡(luò)板塊的移動設(shè)備，其在家用智能門鎖的實際使用過程中必須具備可以發(fā)出對應(yīng)的信息指令的功能，從而保障整個系統(tǒng)的有效進行。在所有家用智能門鎖系統(tǒng)的系統(tǒng)操作中，用戶通過帶著對應(yīng)的移動設(shè)備，在使設(shè)備連接上網(wǎng)絡(luò)時，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通訊設(shè)備進行網(wǎng)頁的瀏覽等上網(wǎng)的操作，通常情況下，手持移動通訊設(shè)備與家庭無線路由器連接的這個過程是自動化的過程，在第一次進行手持移動通訊設(shè)備與家庭無線路由器連接相關(guān)的連接操作后，下一次用戶在進行手持移動通訊設(shè)備與家庭無線路由器連接時便不需要再進行較為繁瑣的操作。

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)，同時具有WLAN以及SSH 密鑰進行多重保護的功能，從而有效的加強了門鎖的隱蔽性。

第二，具有安全性。本次設(shè)計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)的機械鎖或是電子鎖進行對比，其中的安全性得到了大大的提升，破解往往需要耗費較大的時間和精力，最重要是成功的幾率較低。

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

第四，資金經(jīng)費較少，本次設(shè)計還兼顧了傳統(tǒng)鎖具的功能，不會出現(xiàn)因為網(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，與過去的門鎖進行對比，智能門鎖的優(yōu)勢更為明顯，具備較強的安全性，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。