第卷第期蒋存波孔祥丽金红等具有射频识别功能的嵌入式低功耗智能钥匙设计心的特点是整合了射频前端具有无线信号收发功能 % 在主动接收 3$ 的情况下功耗为 " 在主动发送 3$ 的情况下功耗为 " 有种工作模式可以在没有操作时进入低功耗或超低功耗状态其中 ) 模式下功耗

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糠阳
5 years ago
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1 第卷第期计算机工程年月体系结构与软件技术文章编号 1 文献标志码中图分类号具有射频识别功能的嵌入式低功耗智能钥匙设计蒋存波孔祥丽金红焦阳桂林理工大学信息科学与工程学院广西桂林摘要针对多把钥匙和多个锁的匹配性问题设计一种用于主动身份认证的低功耗智能钥匙使用授权注册和主动双向认证方式实现钥匙对多把锁的管理采用密码词典加密和准动态密码索引字确保认证过程的可靠性根据钥匙低功耗要求提出周期定时休眠与唤醒机制以尽可能降低身份认证卡的功耗实验结果表明该智能钥匙睡眠模式功耗小于 " 且满足多把钥匙与多个锁之间相互匹配和安全认证的要求关键词嵌入式系统智能家居无线身份认证低功耗安全性无线射频识别中文引用格式蒋存波孔祥丽金红等具有射频识别功能的嵌入式低功耗智能钥匙设计计算机工程 % 英文引用格式 : # +.,,, *%0 & $.3, $ 0,. %!#*+8#-$#-"/&&,' -&)%&##* # "%' /&*&# 0"7 7 :0 #0" (.0. -, 7 /1.& 77& +&"& $&&., % &&, & 1& &,,,,.,.,,&. ',.&',, 1% &&,,,,,,, &&& ", &.&, & &,,&.&, & & &&.&,& ", &.&, &,,' -#",,, &, &,.,.!./ 45% 概述嵌入式智能锁主要特点包括一把钥匙能开多个门锁门锁能够记录开锁钥匙编号和开锁时间无线加密报文主动请求身份认证直接通过门把手开门基于动态认证的 73- 短信息远程开锁和监测 % 为了实现智能锁的功能智能钥匙对应需要实现一把钥匙管理多个门锁使用无线通信报文通信对身份认证请求识别并应答同时由于智能钥匙独立门锁装置使用电池单独供电需要低功耗设计以维持长时间使用一块电池至少需要能够供电一年左右的时间本文针对多把钥匙和多个锁的匹配性问题设计一种基于嵌入式射频识别的低功耗智能钥匙硬件设计使用 0 公司的片上系统芯片作为核基金项目广西自然科学基金 7:-$!"7:-$!" 桂林理工大学重点实验室建设项目桂理工科号广西发明专利倍增计划项目 (* 作者简介蒋存波男教授主研方向为嵌入式系统自动检测与控制装置孔祥丽通信作者硕士研究生金红副教授焦阳硕士研究生收稿日期 %% 修回日期 %%

2 第卷第期蒋存波孔祥丽金红等具有射频识别功能的嵌入式低功耗智能钥匙设计心的特点是整合了射频前端具有无线信号收发功能 % 在主动接收 3$ 的情况下功耗为 " 在主动发送 3$ 的情况下功耗为 " 有种工作模式可以在没有操作时进入低功耗或超低功耗状态其中 ) 模式下功耗为 " 智能钥匙原理如图所示图智能钥匙原理在图中为程序下载与调试接口为工作于 /"3 的有线方式发卡接口将智能钥匙插入智能锁或专用发卡装置的发卡接口使得进入发卡状态在发卡状态钥匙将对发卡器进行合法性识别发卡器也将对钥匙进行合法性识别通过识别后钥匙将接收发卡命令装入密码词典将身份标识写入到身份标识表中每个钥匙可以写入最多个身份识别字以匹配本系列内的个不同锁具以减少携带钥匙的数量按钮和用于钥匙主动开锁软件设计为实现低功耗要求采用周期性! 睡眠进入 ) % 唤醒 % 睡眠 " 的工作方式一个睡眠 % 唤醒周期约唤醒后的持续工作时间设定为约由定时器控制唤醒后启动无线电模块并进入 3$ 接收状态然后启动工作时间定时器设定工作时间在时间内如果收到智能锁的一个完整报文则对报文进行有效性识别并依据报文类型进行处理处理完毕进入休眠状态如果在期间没有收到有效报文则定时进入休眠状态当前 3$ 认证报文主要使用身份认证请求认证应答认证报文使用! 固定长度配置钥匙发卡使用专门的配置接口锁的 0+ 与钥匙 0+ 由发卡器生成钥匙通过配置接口下载授权锁 0+ 地址以及密码词典 0 多把锁管理方法智能钥匙具有一把钥匙管理多个门锁的功能锁和钥匙中分别存储对方的合法属性对钥匙中存储授权锁的属性集合锁中存储开锁钥匙的属性集合当钥匙中信息与锁中信息经双向认证确认匹配后才能启动开锁操作锁和钥匙属性集数据结构如表所示钥匙属性由数据结构 0+"*0+ *"3--0 描述其中 0+ 和 *0+ 分别表示! 的钥匙编号和锁编号出厂时唯一确定 " 和 *" 分别表示! 的钥匙地址和锁地址发卡时确定

3 计算机工程年月日 3--0 可以反映钥匙与锁之间的距离距离超过则认定为不匹配钥匙中保存已注册的锁属性集锁属性由 *0+ *" " * 描述 *0+ 表示! 的锁编号 *" 表示发卡时分配与钥匙对应的! 锁地址 " 表示发卡时分配的与锁对应的钥匙地址 *+0 表示密码词典存储索引钥匙将授权的锁属性集保存在内部 $& 中首地址为锁属性集存储结构如图所示表锁钥匙属性集数据结构锁中钥匙属性集钥匙中锁属性集属性 0+ " *0+ *" 3--0 *0+ *" " * 含义钥匙 0+ 钥匙地址锁 0+ 锁地址距离锁 0+ 锁地址钥匙地址锁的密码词典索引距离图钥匙中锁属性集存储结构 0 多把锁认证过程每个智能锁中含有一个特定的密码词典锁在出厂时密码词典通过专用随机数发生器唯一确定同时智能锁中存有至多把授权钥匙的身份信息 0+ 和地址信息 0+ 为钥匙出厂固定信息地址为发卡时随机分配的信息每把智能钥匙中存有至多把锁的密码词典和身份信息 0+ 和地址信息 0+ 为锁出厂固定信息地址为发卡时随机分配的信息密码词典的物理存储结构如图所示首地址为图钥匙中密码词典存储结构在多对多配对的智能钥匙开锁中使用双向身份认证和时间约束保证开锁的安全性认证过程为在有开锁请求时锁以广播方式主动向门锁附近发送开锁请求报文钥匙收到请求报文后首先依据明文 -0+ 字段顺序遍历锁属性表判断是否存在 *0+ 与 -0+ 相同存在说明该锁为授权锁锁属性集存放首地址为 ",,$*0+ 然后找到锁的密码词典索引存放地址为 ",,$*+0 ",,$ *0+ 锁的密码词典存放地址为 ",,$ + *+0 使用密码索引字 0 从密码词典 + 中确定一组密码字 ",,$ + ",,$ + 0 解密加密字段然后判断明文身份信息与密文身份信息是否匹配包括钥匙与锁地址 0+ 同时取出请求报文发送时间只有上述全部认证通过才向锁发送混合明文与密文的认证应答报文锁针对应答报文直接通过明文字段和自身密码词典解密报文判断明文身份信息与密文身份信息的匹配性然后判断应答时间是否在认证应答生命周期中双向认证均通过再控制门开锁为提高安全性认证应答过程具有生命周期钥匙收到请求后立即启动定时器计时得到生成应答报文的时间 * 应答报文发送时间 &/ * &/ 表示请求报文发送时间锁发出含有 &/ 信息的请求报文后也立即开启定时器计时计算从发送请求到收到应答的延迟时间锁与钥匙间的通信距离为 " 有效单向射频通信延时 8 若钥匙应答时间满足 &/ 则应答报文在开锁认证应答生命周期内 0 认证请求报文格式当智能锁识别到有开锁请求时发出加密的身份认证请求报文等待智能钥匙用加密应答报文进行应答智能钥匙收到请求报文后判别 +"$ -"+0+ 是否为请求报文指定信息然后识别 -0+ 是否为合法授权门锁 0+ 如果是则组织发送加密认证应答报文否则丢弃数据包身份认证请求报文格式如表所示 3--0 值在接收缓存区数据域后! 位置由自动产生表中 + 表示锁对应的密码字典 + 表示解密密钥表示加密密钥

4 第卷第期蒋存波孔祥丽金红等具有射频识别功能的嵌入式低功耗智能钥匙设计表认证请求报文格式报文头数据域功能通信距离校验字目的地址功能编码密码索引字源 0+ 源地址目的 0+ 请求时间字符值 +" $ " $- 说明广播地址 $$ 用于从密码词典 + 中寻找密钥 + 锁 0+ 出厂唯一设定 $$ 锁发送认证请求报文的时间自动计算自动产生 0 认证应答报文格式应答报文由智能钥匙发出智能锁接收钥匙收到 $ 认证请求报文后从接收缓存区读取 3--0 进行距离识别确认与授权门锁信息匹配后则组织发送应答报文应答报文! 数据域进行加密处理 0 是应答装置产生的随机数是与请求报文匹配的应答报文时间戳智能钥匙的密码词典与智能锁配对门锁对距离和应答报文的 -0+-"+"+0+ 字段进行匹配性识别报文格式如表所示在认证请求报文格式和认证应答报文格式中报文头不加密数据域的! 和为! 采用加解密算法 )! 通信距离和校验字部分都不加密表认证应答报文格式报文头数据域功能通信距离校验字目的地址功能编码密码索引字源 0+ 源地址目的 0+ 请求时间字符值 +" $ " $- 说明锁的地址发卡设定用于从密码字典 + 中寻找密钥 + 钥匙 0+ 出厂唯一设定钥匙的地址锁 0+ 出厂唯一设定钥匙发送认证应答报文时间自动计算自动产生 01 发卡报文格式使用 /"3 接口有线连接进行钥匙配置发卡在智能锁上设置配置接口智能钥匙插入配置接口从管理员用户登录后可进行钥匙的配置发卡和注销已发卡等操作一旦钥匙插入配置接口则只能执行发卡功能 #.$ 也可以通过无线方式实现软发卡钥匙收到发卡请求报文并通过身份验证后关闭睡眠功能运行无线发卡功能 -.$ 根据功能编码的不同 " 发卡通信报文分别代表发卡请求报文初始化钥匙报文发卡请求应答报文执行结束应答报文配置地址码报文配置密码词典报文和注销钥匙报文发卡通信报文格式如表所示共! 表发卡通信报文格式功能起始标志功能编码数据域校验字字符值 $ +"" *3 值和说明 " " 其他非法 0 密码词典与加解密方法依据 $ 具有不同长度和不同内容软件计算内部 $*"-# 存储个锁的密码字典每个密码字典与授权锁一一对应每个密码词典 + 存储结构为! 锁地址 *"! 密码字典 + 密码字典保存个长的密码字双方通过动态密码索引字 0 的传递进行密码同步智能钥匙收到合法认证请求报文后经由 -0+ 确定锁属性集合然后通过锁属性集合中 *+0 找到授权锁对应的的密码词典请求报文中 0 字段由锁装置通过实时时钟产生一个随机数随机数值决定报文使用密码词典个密钥当中的哪个智能钥匙通过 0 和 + 找到 + 解密请求报文的加密字段判断数据域的合法性钥匙通过内部随机数产生装置产生一个随机数从同一个 + 中确定对称密钥加密认证应答报文的数据域字段为尽可能降低身份认证卡的功耗结合用户对智能锁系统的安全要求本文设计未使用的 "- 功能而是用以下的加密方法智能锁系统和智能钥匙仅对报文的 -"+0+ 字段加密其他字段不加密加密过程为产生一个位随机数填入报文 0 字段利用 0 从 + 中获得一个加密密码对位的! -"+0+ 字段进行加密加密算法 )! 解密过程为利用报文 0 从配对的 + 中获得解密密钥 + 执行!) + 进行解密 % 密码字长度位动态密码索引字位密码词典索引位综合密码二进制位数达到位再加上认证时间的时效作用这种加密方式可以满足智能门锁密码安全需要 0 睡眠唤醒机制智能锁与钥匙工作在点对点透传方式

5 计算机工程年月日传输距离有效识别距离为门外 " 时无线传输速率可达 0 4" 4 % 物理层传输还需要增加! 帧头与 )+/ 负载共计! 当波特率为 0 4 位起始位位停止位无奇偶校验时发送个字节需要的时间 : 0 若 0 4 在近距离发送一个! 报文需要 : 8 考虑钥匙唤醒后可能要发送个认证请求报文钥匙才能收报一个完整的报文即接收认证请求报文的时间 36 : 钥匙发送应答报文时间 " : / 处理信息时间! 启动发送和接收均需要延时在需要应答时钥匙唤醒后需要 8 36 " 8 8 如果没收到认证请求报文不需要应答则只需要工作时间设定唤醒后的定时时间如果有认证请求则不理会标识待处理完毕并发出应答后再进入 ) 状态如果无有效的认证请求报文则检测标识置位就进入休眠 ) 状态运行过程的功耗 : 期间为 " : 期间为 " ) " 通常情况下绝大多时间是工作在无认证请求的空闲状态一个睡眠 % 唤醒周期的平均工作电流可以用下式近似估算件配置 )#' 偏外石英晶体 " : -* 36 ) -* 其中 -* 是睡眠周期选择 -* 则一个睡眠周期的平均电流 " : -* 36 ) -* 8 " 要工作一年时间需要的电池容量 # "3 8 "# 一粒 3 约 "# 选择 3 电池可工作时间为 % # "3 8, 约个月如果的无线传输速率能工作在 0 4 这时 : 8 一粒 3 约 "# 大约可工作时间为, 约个月结论选择作为工作时间定时器选择定时值允许中断在中断服务程序设置标识设置睡眠定时器的睡眠周期 -* 允许中断 0 程序设计复位后由 0"3 提供的启动程序引导转入语言主函数主程序流程如图所示复位启动函数由 0"3 提供也可自己编写启动后转入语言的函数中断向量由 & 定义硬实验测试与分析图主程序流程进行的功能和安全性测试有锁与钥匙匹配性测试距离测试阻挡测试门内外测试多门锁测试和按钮主动开锁测试等门外钥匙与锁的距离测试和阻挡测试结果如表所示

6 第卷第期蒋存波孔祥丽金红等具有射频识别功能的嵌入式低功耗智能钥匙设计表 1 门外钥匙与锁的距离测试和阻挡测试距离 4 能否开锁阻挡物能口袋能食品袋能钱包否人否铁门使用把锁 * " *! * 三把钥匙进行多对多的测试其中只匹配 * " 与 * " 和 *! 匹配与 * " *! 和 * 匹配实验结果如表所示其中 ( 表示开锁成功表示开锁失败表锁与钥匙匹配性测试把手开锁钥匙按键开锁按键 * " *! * * " *! * ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( 测试结果表明钥匙能够对授权锁开门未授权锁不能开门当钥匙与门锁距离在 " 时能够开门距离大于时不能开门钥匙在门内与锁的距离小于时外部把手开门发送主动认证信息时钥匙收不到请求报文不能开门钥匙放在口袋中能够开门钥匙前面有人阻挡时不能开门在小于处使用按键和能够主动开门一把钥匙能够给授权的多个门锁开门在功耗测试上钥匙处于睡眠 ) 模式时测得电流不到 " 通过 3$ 发送或接收报文时测得电流为多 " 使用 3 给钥匙供电从钥匙出厂至此已工作一年时间智能钥匙实物照片如图所示图 1 智能钥匙实物照片结束语本文以为核心用 3--0 值进行距离有效性识别利用锁 0+ 与地址选择匹配密码词典并用动态密码索引字在匹配密码词典中选择密码确保了智能钥匙与智能锁具在多对多配对时的安全性通过定时休眠与唤醒机制实现了低功耗经理论分析和初步实验验证该机制可满足智能家居锁具的安全性与使用方便性的要求参考文献杨官贵刘陆元自动感知的智能锁中国安防 % 周晓凌张力平智能门锁打造安全的智能家居人民邮电 %% 何文才杨伟刘培鹤基于 -0)" 模块的远程门禁控制系统的设计与实现网络安全技术与应用 % 钟召辉基于! 的无线智能锁设计 + 杭州杭州电子科技大学钟召辉程知群基于! 网络的智能锁系统研究电测与仪表 % 瞿小玲基于 3$0+ 的低功耗智能门禁系统的设计与研究 + 成都成都理工大学倪龙和军平林廖军交互式无线汽车智能钥匙系统设计计算机测量与控制 % 毛雅佼孙达志一种新的 3$0+ 标签所有权转移协议计算机工程 % 贾宁基于 3$0+ 的智能购物管理系统设计与实现计算机工程 % 黄凯金孝飞修思文等高效可配的对称密钥算法硬件架构设计计算机工程 % 李志坚肖熠琳一种基于二进制码调制的射频识别防碰撞算法计算机工程 % 闫文耀王志晓李军怀等基于多模智能网关的智能家居系统设计计算机工程 % 张亚飞基于可信执行环境的智能密码钥匙设计与实现 + 西安西安电子科技大学王鑫周孝华李冬阳等基于! 无线通讯技术的智能门锁设计计算机光盘软件与应用 % 白燕楼邁航基于! 的智能家居设计电子制作 % 编辑顾逸斐

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