基于藍(lán)牙的智能門(mén)禁控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蘇陽(yáng)　舒景辰　張志佳

摘 要： 隨著信息化社會(huì)的到來(lái)和門(mén)禁系統(tǒng)在人們生活中的應(yīng)用日益廣泛，人們對(duì)門(mén)禁系統(tǒng)的安全需求不斷膨脹，而傳統(tǒng)門(mén)禁系統(tǒng)正面臨接觸磨損、安全性低、維護(hù)性差等發(fā)展瓶頸。同時(shí)，智能化小區(qū)的快速發(fā)展對(duì)現(xiàn)有門(mén)禁系統(tǒng)提出了新的智能化要求。針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于藍(lán)牙通信技術(shù)的智能門(mén)禁控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)通過(guò)偽隨機(jī)序列加密算法實(shí)現(xiàn)門(mén)禁系統(tǒng)與移動(dòng)智能終端的身份認(rèn)證進(jìn)而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)智能終端對(duì)門(mén)禁系統(tǒng)的控制。此系統(tǒng)具有使用方便、無(wú)法暴力復(fù)制的優(yōu)勢(shì)，對(duì)智能門(mén)禁系統(tǒng)的發(fā)展給出了一種新的解決方案。

關(guān)鍵字：門(mén)禁控制系統(tǒng)；移動(dòng)智能終端；藍(lán)牙技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2163（2014）02-

Access Control System based on Bluetooth Technology

SU Yang ， SHU Jingchen， ZHANG Zhijia

（School of Software， Shenyang University of Technology， Shenyang Liaoning 110023，China）

Abstract： With the advent of information society and access control systems in people's lives increasingly widespread， the demand for people to secure access control system continues to expand， while the traditional access control systems are facing development bottleneck such as contact wear， low safety and poor maintenance. Meanwhile， the rapid development of the intelligence community to existing access control systems proposed new intelligence requirements. To solve the above problem， this paper designs and implements an intelligent access control system based on Bluetooth communication technology， this system is to achieve authentication and access control system via mobile intelligent terminal pseudo-random sequence encryption algorithm so as to realize the mobile intelligent terminal for access control systems. This system is easy to use， and no violence to copy， which presents a new solution for the development of intelligent access control system.

Keyword： Access Control Systems； Mobile Intelligent Terminal； Bluetooth

0引 言

在計(jì)算機(jī)軟硬件進(jìn)入高速并行發(fā)展的今天，門(mén)禁系統(tǒng)安全防護(hù)研究已經(jīng)成為時(shí)下的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)。并且，隨著計(jì)算機(jī)專業(yè)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)傳統(tǒng)的卡式門(mén)禁系統(tǒng)所暴露的安全問(wèn)題日呈弊端的同時(shí)[1]，以生物識(shí)別技術(shù)為控制基礎(chǔ)的門(mén)禁系統(tǒng)卻因其運(yùn)行維護(hù)成本很高，難以應(yīng)用于智能化小區(qū)或其它人員流動(dòng)頻繁的常規(guī)社會(huì)活動(dòng)場(chǎng)所。

智能小區(qū)是將計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制等技術(shù)合理運(yùn)用于住宅小區(qū)，并通過(guò)有效的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)、各系統(tǒng)的優(yōu)化配置和綜合應(yīng)用，而向住戶提供先進(jìn)的安全防范、信息服務(wù)、物業(yè)管理等方面的功能，從而為居住者創(chuàng)造安全、舒適、便捷、高效的生活空間。其中，一個(gè)安全、便捷的門(mén)禁控制系統(tǒng)則是智能小區(qū)生活安全的最佳保障。而藍(lán)牙通信技術(shù)的發(fā)展和移動(dòng)智能終端的普及則為基于藍(lán)牙的智能門(mén)禁控制系統(tǒng)發(fā)展創(chuàng)造了良好條件[2]。

本文系統(tǒng)即是以無(wú)線通信驗(yàn)證代替?zhèn)鹘y(tǒng)門(mén)禁的“刷卡式”驗(yàn)證。在眾多無(wú)線通信技術(shù)中，藍(lán)牙通信以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)贏得了生產(chǎn)廠家和消費(fèi)者的長(zhǎng)期青睞而形成了巨大的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)能力。藍(lán)牙通信技術(shù)具備如下特點(diǎn)，諸如工作頻段開(kāi)放；可實(shí)現(xiàn)多設(shè)備連接；低功耗；通訊安全性好；組網(wǎng)簡(jiǎn)單方便，藍(lán)牙硬件設(shè)備普及等。

本研究即借助藍(lán)牙通信技術(shù)，以移動(dòng)智能終端替代傳統(tǒng)門(mén)禁控制卡，設(shè)計(jì)了一套基于藍(lán)牙的智能門(mén)禁控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有控制簡(jiǎn)單，門(mén)禁控制系統(tǒng)客戶端的零物理成本，多門(mén)禁系統(tǒng)集成控制，以及運(yùn)行維護(hù)成本低的優(yōu)勢(shì)，可充分解決傳統(tǒng)門(mén)禁系統(tǒng)因門(mén)禁卡的非法復(fù)制帶來(lái)的安全問(wèn)題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)是由中央控制器、門(mén)禁控制器、藍(lán)牙通信模塊、系統(tǒng)鍵盤(pán)組成，并由中央控制器完成系統(tǒng)認(rèn)證運(yùn)算以及對(duì)外圍設(shè)備的信號(hào)接收及控制。中央控制器控制藍(lán)牙通信模塊開(kāi)關(guān)以及與其它藍(lán)牙設(shè)備的通信操作，再由系統(tǒng)加密算法完成對(duì)已連接移動(dòng)智能終端的認(rèn)證工作。藍(lán)牙通信模塊的功能設(shè)定為主動(dòng)搜尋附近可連接的藍(lán)牙設(shè)備，而且需完成中央控制器與移動(dòng)智能終端的信息交流。門(mén)禁控制器主要完成對(duì)門(mén)禁開(kāi)啟/關(guān)閉的狀態(tài)控制，可將門(mén)禁狀態(tài)信息反饋給中央控制器，并由中央控制器生成門(mén)禁控制記錄。系統(tǒng)鍵盤(pán)則完成對(duì)門(mén)禁控制操作信號(hào)的接收、傳遞。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Fig.1 System structure diagram

1.2系統(tǒng)控制流程

系統(tǒng)外圍設(shè)備統(tǒng)一由中央控制器控制。系統(tǒng)開(kāi)啟后，藍(lán)牙模塊搜尋附近可通過(guò)藍(lán)牙連接的移動(dòng)智能終端，發(fā)現(xiàn)可連接終端并建立連接后，藍(lán)牙模塊向系統(tǒng)發(fā)送驗(yàn)證請(qǐng)求信號(hào)；系統(tǒng)將驗(yàn)證碼傳送至藍(lán)牙模塊，并由藍(lán)牙模塊發(fā)送給移動(dòng)智能終端，如經(jīng)移動(dòng)智能終端處理后的驗(yàn)證碼符合系統(tǒng)認(rèn)證要求，中央控制器即向門(mén)禁控制器發(fā)送門(mén)禁開(kāi)啟信號(hào)。若驗(yàn)證失敗，則與當(dāng)前移動(dòng)智能終端斷開(kāi)連接，并在盡短時(shí)間內(nèi)將該移動(dòng)智能終端加入系統(tǒng)連接黑名單。系統(tǒng)信息交互結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)信息交互結(jié)構(gòu)圖

Fig.2 System structure of information interaction

2基于藍(lán)牙的門(mén)禁系統(tǒng)認(rèn)證

門(mén)禁系統(tǒng)認(rèn)證過(guò)程包括門(mén)禁控制器與用戶終端藍(lán)牙配對(duì)，門(mén)禁控制器發(fā)送認(rèn)證消息，用戶端反饋信號(hào)接收，身份驗(yàn)證，系統(tǒng)控制端響應(yīng)等。為了進(jìn)一步保證系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)身份認(rèn)證過(guò)程中的傳輸數(shù)據(jù)均應(yīng)由數(shù)據(jù)加密算法實(shí)現(xiàn)加密[3]。

2.1認(rèn)證模式

用戶接近門(mén)禁系統(tǒng)時(shí)，移動(dòng)終端將自動(dòng)與門(mén)禁系統(tǒng)建立連接。門(mén)禁系統(tǒng)發(fā)送多次驗(yàn)證請(qǐng)求，經(jīng)移動(dòng)終端計(jì)算后返回結(jié)果，而門(mén)禁系統(tǒng)驗(yàn)證后即進(jìn)行處理。正確驗(yàn)證后開(kāi)啟門(mén)鎖，等待移動(dòng)終端遠(yuǎn)離門(mén)禁系統(tǒng)后斷開(kāi)連接。若驗(yàn)證信息錯(cuò)誤，系統(tǒng)記錄該終端MAC地址，并斷開(kāi)連接，多次驗(yàn)證信息錯(cuò)誤后，系統(tǒng)會(huì)將該MAC地址寫(xiě)入黑名單，禁止再次連接。

2.2認(rèn)證算法

系統(tǒng)發(fā)送經(jīng)過(guò)加密算法加密的數(shù)據(jù)對(duì)用戶身份進(jìn)行驗(yàn)證，系統(tǒng)身份驗(yàn)證算法采用基于現(xiàn)代密碼學(xué)原理的流密碼體制。密碼學(xué)分為傳統(tǒng)密碼學(xué)和現(xiàn)代密碼學(xué)，而傳統(tǒng)密碼學(xué)是通過(guò)置換等方式改變數(shù)據(jù)排列順序，不能從根本上解決數(shù)據(jù)安全問(wèn)題，而利用GF（28）上的有限域封閉計(jì)算能提供更高級(jí)別的安全保障，并且算法的身份驗(yàn)證采用流密碼技術(shù)，具有一次一密的特點(diǎn)。

以流密碼體制為理論基礎(chǔ)的現(xiàn)代密碼有助于實(shí)現(xiàn)快速、安全的身份識(shí)別。在流密碼體制中，產(chǎn)生密鑰有兩種方式。一種是基于物理信息的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，一種是基于數(shù)學(xué)函數(shù)的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。用偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器來(lái)生成容易保存的非主觀密鑰，則利于不同設(shè)備間的信息同步，并且節(jié)省空間。根據(jù)偽隨機(jī)數(shù)的性質(zhì)，不同的種子將生成不同的隨機(jī)序列。移動(dòng)終端保存與門(mén)禁系統(tǒng)相同的范圍[x，y]及種子s。若Ci為隨機(jī)序列的第i項(xiàng)，那么當(dāng)有固定種子和產(chǎn)生范圍時(shí)，Ci為固定值。門(mén)禁系統(tǒng)通過(guò)向移動(dòng)終端多次發(fā)送i值，移動(dòng)終端返回計(jì)算結(jié)果后可由門(mén)禁系統(tǒng)來(lái)完成驗(yàn)證。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)門(mén)禁控制端包括中央處理器，藍(lán)牙通信模塊和電子鎖三部分。對(duì)各部分設(shè)計(jì)分別如下。

中央處理器主要進(jìn)行信號(hào)加密及用戶身份驗(yàn)證。設(shè)計(jì)中，中央處理器采用ATmega128芯片為處理芯片，ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega128的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。Atmega128具有的主要特點(diǎn)如下：128KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash存儲(chǔ)器、4KB的EEPROM、4KB的SPAM、53個(gè)通用I/O日線、32個(gè)通用工作寄存器、RTC、4個(gè)靈活的具有比較模式和PWM功能的定時(shí)器/技術(shù)器T/C、2個(gè)USART、與IEEE 1149.1規(guī)范兼容的JTAG測(cè)試接口，以及6種可以通過(guò)軟件選擇的省電模式[4-7]。ATmega128處理單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 Atmega128系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Fig.3 System structure diagram of Atmega128

本門(mén)禁系統(tǒng)認(rèn)證通信采用藍(lán)牙通信技術(shù)，藍(lán)牙是無(wú)線數(shù)據(jù)和語(yǔ)音傳輸?shù)拈_(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)，其信號(hào)傳輸距離為10cm～10m不等，如增加功率或是添加某些外設(shè)便可達(dá)到100m的傳輸距離。藍(lán)牙多是采用2.4GHz ISM頻段和調(diào)頻、跳頻技術(shù)，使用權(quán)向糾錯(cuò)編碼、ARQ、TDD和基帶協(xié)議。TDMA每時(shí)隙為0.625μs，基帶符合速率為1Mb/s。藍(lán)牙支持64kb/s數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)射功率分別為1mW、2.5mW和100mW，并使用全球統(tǒng)一的48比特的設(shè)備識(shí)別碼。由于藍(lán)牙采用無(wú)線接口來(lái)代替有線連接接口，具有很強(qiáng)的移植性，適用于多種場(chǎng)合，而且該技術(shù)功耗低、對(duì)人體危害小，因此應(yīng)用簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也易于推廣[8]。

本系統(tǒng)通信采用BLK-MD-BC04-B藍(lán)牙模塊作為系統(tǒng)通信模塊，此模塊內(nèi)置8MbitPCB射頻天線，支持SPI編程接口，通過(guò)REACH、ROHS認(rèn)證，支持UART，USB，SPI，PCM等接口；進(jìn)一步也提供了對(duì)主從一體和軟硬件控制主從模塊的支持。該模塊主要用于短距離的無(wú)線傳輸領(lǐng)域，與PC機(jī)的藍(lán)牙設(shè)備相連也簡(jiǎn)便可行，也可以進(jìn)行模塊間的數(shù)據(jù)互通，且能直接代替串口線。系統(tǒng)主機(jī)與藍(lán)牙通信模塊間的信息交互采用有線傳輸方式，藍(lán)牙通信模塊由系統(tǒng)統(tǒng)一供電，并由系統(tǒng)控制信號(hào)來(lái)完成對(duì)附近移動(dòng)智能終端藍(lán)牙信號(hào)的查找和通信連接。系統(tǒng)通信模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)通信模塊結(jié)構(gòu)圖

Fig.4 System communication module structure diagram

系統(tǒng)藍(lán)牙通信模塊由中央控制統(tǒng)一供電，當(dāng)藍(lán)牙通信模塊檢測(cè)與移動(dòng)智能終端建立連接后，將連接信息通過(guò)中央控制接口傳送給中央控制器，中央控制器根據(jù)系統(tǒng)認(rèn)證算法將驗(yàn)證碼反饋給藍(lán)牙通信模塊并由藍(lán)牙通信模塊發(fā)送給目標(biāo)終端。系統(tǒng)多次交互驗(yàn)證通過(guò)后，中央控制系統(tǒng)向門(mén)禁控制器發(fā)送門(mén)禁開(kāi)啟信號(hào)，并指令系統(tǒng)通信模塊斷開(kāi)藍(lán)牙通信連接。如該移動(dòng)智能終端未通過(guò)系統(tǒng)身份認(rèn)證，則斷開(kāi)連接，隔段時(shí)間即將其加入系統(tǒng)通信黑名單，防止其惡意占用藍(lán)牙通信接口，導(dǎo)致其它用戶無(wú)法正常使用系統(tǒng)藍(lán)牙通信。加入系統(tǒng)通信黑名單的設(shè)備系統(tǒng)將不與其建立連接，恢復(fù)搜索狀態(tài)，重新搜尋其它終端設(shè)備。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

門(mén)禁控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由用戶終端和中央控制器兩部分組成。其中，用戶終端軟件系統(tǒng)采用后臺(tái)循環(huán)查找門(mén)禁設(shè)備并主動(dòng)建立連接，用戶終端系統(tǒng)軟件保存與系統(tǒng)主機(jī)相同的隨機(jī)序列范圍和種子，并通過(guò)多次認(rèn)證運(yùn)行，確保認(rèn)證的準(zhǔn)確性。而在接收系統(tǒng)主機(jī)認(rèn)證碼后，即通過(guò)系統(tǒng)驗(yàn)證算法計(jì)算相應(yīng)的反饋碼并發(fā)送給系統(tǒng)主機(jī)。

系統(tǒng)主機(jī)軟件流程包含對(duì)系統(tǒng)LCD的顯示控制，在設(shè)備啟動(dòng)且檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備工作正常后，鍵盤(pán)接口掃描系統(tǒng)鍵盤(pán)操作，同時(shí)藍(lán)牙通信模塊查找附近可連接的藍(lán)牙設(shè)備。系統(tǒng)鍵盤(pán)接口接受到的鍵盤(pán)信號(hào)可直接傳遞給門(mén)禁控制系統(tǒng)主機(jī)，門(mén)禁控制系統(tǒng)主機(jī)再將其與系統(tǒng)保存的鍵盤(pán)密碼進(jìn)行校驗(yàn)，驗(yàn)證通過(guò)后向門(mén)禁控制器發(fā)送門(mén)禁開(kāi)啟指令。如鍵入密碼校驗(yàn)失敗，則不予開(kāi)啟門(mén)禁，并重置鍵盤(pán)接口，清空鍵盤(pán)輸入流，重新接收鍵盤(pán)密碼。藍(lán)牙通信模塊在尋找到附近可連接的藍(lán)牙設(shè)備并與其建立連接后，系統(tǒng)將向目標(biāo)移動(dòng)智能終端發(fā)送認(rèn)證序列，在多次驗(yàn)證通過(guò)后向門(mén)禁控制器發(fā)送門(mén)禁開(kāi)啟指令，并與藍(lán)牙設(shè)備斷開(kāi)連接，如驗(yàn)證失敗，則直接與其斷開(kāi)連接，如該設(shè)備繼續(xù)與系統(tǒng)藍(lán)牙通信模塊建立連接并驗(yàn)證失敗，則短期將該設(shè)備加入系統(tǒng)連接黑名單，處于系統(tǒng)連接黑名單中的設(shè)備系統(tǒng)短期內(nèi)將不再與其建立連接。門(mén)禁控制系統(tǒng)軟件工作流程如圖5所示。

圖5 軟件系統(tǒng)工作流程圖

Fig.5 Flow chart of software system

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)當(dāng)今門(mén)禁控制市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)研發(fā)一套基于藍(lán)牙通信的門(mén)禁控制系統(tǒng)，并對(duì)其軟硬件分別進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶移動(dòng)智能終端的連接和身份驗(yàn)證，其中偽隨機(jī)序列認(rèn)證加密算法的運(yùn)用保證了門(mén)禁系統(tǒng)對(duì)用戶身份的有效識(shí)別。而且，又通過(guò)系統(tǒng)黑名單機(jī)制防止不法分子惡意占用系統(tǒng)連接，有效加強(qiáng)了門(mén)禁系統(tǒng)的安全性。該系統(tǒng)具有成本低廉、操作簡(jiǎn)便的特性，其后臺(tái)通信身份驗(yàn)證的門(mén)禁開(kāi)啟方式有效節(jié)省了系統(tǒng)用戶通過(guò)門(mén)禁的操作時(shí)間，系統(tǒng)用戶只需攜帶裝有驗(yàn)證程序的移動(dòng)智能終端，便可自由地通過(guò)門(mén)禁。此外，本門(mén)禁系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利于使用和維護(hù)，可廣泛適用于公司，生活小區(qū)等人員流動(dòng)場(chǎng)所的門(mén)禁要求，因此具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙建邦.集成商借助新機(jī)遇提高門(mén)禁安全及未來(lái)應(yīng)用[J].中國(guó)公共安全，2013，（17）：46-50.

[2]勞幗齡，鐘艷萍，覃正.基于智能小區(qū)的社區(qū)電子商務(wù)模式研究[J]. Joumal of Information， 2007，（4）：39-44.

[3]戚文靜，張素，于承新，等.幾種身份認(rèn)證技術(shù)的比較及其發(fā)展方向[J].山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，19（2）：84-87.

[4]張立勛，孫卓君，董九志，等.基于ATmega128和FPGA的六自由度機(jī)器人的直流伺服控制器設(shè)計(jì)[J].電子器件，2007，30（5）：1852-1855.

[5]梁鳳山，楊雯夫，王大為，等.基于藍(lán)牙技術(shù)的智能門(mén)禁系統(tǒng)[J].自動(dòng)化技術(shù)，2010，（08）：13-15.

[6]江伴東，汪志成，陳正軍.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于門(mén)禁系統(tǒng)[J].安防科技，2008，（09）：39-41.

[7]仲元昌，王軍強(qiáng)，陳啟建，等.基于Atmega128的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].電子工程師，2008，34（12）：68-71.

[8]金純，蔣小宇，羅祖秋.ZigBee與藍(lán)牙的分析與比較[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化.2004，（6）：17-20.