可見光一次一密安全智能門鎖

哈爾濱工業大學

馬宇辰，廖草葵，韓靜怡，夏時雨，王 瑤

1 作品簡介

為滿足家庭住房對于安全、便捷及低成本智能門鎖的需求，團隊詳細調研了市面上的主流智能門鎖，包括鑰匙、磁卡、指紋識別、人臉識別等身份認證方式，發現現有智能門鎖的主流認證方式是單向靜態認證，認證信息易被非法復制、盜取，無法對抗重放攻擊，易造成身份偽冒。據此，項目組設計了可見光一次一密安全智能門鎖，如圖1所示，用戶只需用手機對準光通信硬件，通過閃光燈和光通信硬件雙向傳輸加密可見光信號，即可在2 s內實現安全、便捷和低成本的身份認證。

圖1 系統模型

可見光一次一密安全智能門鎖充分利用光信號無法被遠程傳播和難以截獲的特點，自主設計可見光雙向交互模型，實現不依賴網絡的一次一密模型解決身份偽冒問題，并結合多重安全機制，最大程度確保認證時間、地點和人物的一致性，具有便捷、低成本和多場景應用等特點，有效解決了人臉識別、指紋識別等傳統認證技術存在的問題。

2 工作原理

2.1 硬件端實現

設備有兩種工作狀態，分別是待機狀態和工作狀態。待機狀態時，光敏二極管負責對光強進行監測，當監測到的光強激增400 lux以上時，設備進入工作狀態，光敏二極管由監測狀態變為采樣狀態，將采樣得到的數據傳給51單片機處理。待機狀態時，光敏二極管只接收光強信息，不向單片機傳遞信息；而工作狀態時，則將采樣得到的離散光強信息傳遞給單片機，進行數據處理，以減輕系統負擔，延長設備壽命。

2.2 用戶端實現

通信過程中，用戶端APP和硬件共有3次可見光消息傳輸，用戶端APP實現2次光消息的生成發送（生成發送第一次光消息和第三次光消息），及1次光消息的接收處理（接收處理第二次光消息）。具體過程如下：

生成第一次光消息：調用隨機密鑰交換生成模塊，獲取用戶隨機密鑰交換數據DH_A（256位），加上激活碼10101010，組成第一次光消息的待發送可見光消息格式。

接收第二次光消息：調用光信號接送處理模塊，獲取接收的第二次光消息，獲得設備隨機密鑰交換編碼DH_B_number（6位），調用隨機密鑰交換生成模塊，獲取隨機密鑰。

生成第三次光信息：根據第二次光消息計算獲得的隨機密鑰，對20位時間碼、32位用戶ID加密獲得密文，320位數字簽名通過用戶私鑰簽名產生，用于鑒別用戶身份。

2.3 云服務器實現

云服務器內置APP和硬件證書，通過安全網絡傳輸接收APP端、硬件端發送的相關數據，并做出響應。云服務器與APP、硬件的傳輸信息格式經過特定設計，能夠保障信息的傳輸安全，并且系統有相應的防捕獲機制，即使非法分子惡意截獲信息，也不會因信息泄露而影響系統有效運行。

3 前景展望及創新

本作品通過可見光媒介，運用雙向交互模型實現不依賴網絡的一次一密動態認證，消除了普通門鎖的安全隱患。該作品具有更低的價格，更高效的認證過程，更小的健康隱患，更高的準確率。技術指標對比如圖2所示。

圖2 技術指標對比

我們設計的作品不僅限于門鎖行業，根據對現有技術的理解和應用，本項目作品未來可應用于所有需要特定識別的領域，包括但不限于考勤、門禁、保險等。