基于滾碼加密及AT89S52的防盜門鎖系統研究

鞏雪潔

(1.合肥工業大學，安徽 合肥230009；2.安徽電子職業技術學院，安徽 蚌埠236000)

0 引言

隨著社會經濟、科學技術和信息技術的發展，安全防盜已成為社會問題。隨著大眾生活水平和對生活質量要求的提高，對于家庭安全的考慮也越來越多，也有越來越多的家庭使用各種不同的防盜門去保護自己的安全。基于滾碼加密的無線遙控技術目前已經發展的相當成熟，滾碼加密技術在汽車防盜系統中得到了廣泛的應用，但應用于防盜門鎖系統還很少見。嵌入式是一種專用的計算機系統，作為裝置或設備的一部分。通常，嵌入式系統是一個控制程序存儲在ROM中的嵌入式處理器控制板,本文描述了一種基于滾碼加密技術及嵌入式技術的無線遙控防盜門鎖系統，該系統使用電子身份認證方式，安全性高，解決了鑰匙被盜配的問題，也解決了固定編碼電子密碼鎖的不足，同時針對用戶在遙控器全部丟失或損壞無法開門的問題給予應對方案，提高系統的方便實用性。

1 滾動碼技術

Keeloq技術是一種復雜的非線性加密算法，keeloq也是滾動碼技術的專利產品。它是為克服傳統的固定編碼系統缺點開發的，是一種多變化，抗截獲、高可靠新型的加解密技術。它的原始代碼雖相同，但傳輸代碼前采用了先進的非線性位加密技術，由加密算法及非易失同步參數產生滾動編碼。這樣，每次發送編碼都是惟一的、不規則的，且不重復。正因為所生成、傳輸的動態編碼僅一次性有效，編碼間無相關性，無法預測、跟蹤、截取、破譯，從而有效克服傳統固定編碼缺點，提供強大、可靠的加密、認證性能，保密性極高，可應用于各種保密系統，具有較高安全防盜價值的場所等。

本方案所使用的編碼芯片是美國Microchip公司推出的HCS301編碼器。

1.1 HCS301編碼原理(加密密鑰產生)

HCS301在使用之前，必須產生一個唯一的加密密鑰。密鑰產生過程（圖1）。

圖1 密鑰產生過程和滾動碼產生圖

由制造商代碼和編碼器序列號一起經密鑰生成算法形成唯一的加密密鑰，然后寫入片內EEPROM。制造商代碼，長度為64Bit，每一個制造商均不相同。制造商代碼是整個系統安全的關鍵，應規范管理、保存。如制造商代碼泄密，則整個系統沒有任何安全性可言。編碼器序列號為28Bit，對應于每一個編碼器，可作為用戶碼。

1.2 HCS301編碼過程

由原代碼、加密密鑰及同步碼等經Keeloq算法加密后，產生32Bit高度保密的滾動代碼。由于Keeloq算法的復雜性和16位同步碼每次傳輸時都要更新，故每次傳輸代碼都和上一次的代碼完全不同。只有在傳輸216次后才可能重復，以每天傳送10次代碼計算，時間間隔為18年之久。

1.3 HCS301的工作流程

HCS301編碼芯片的基本工作流程如圖2。

圖2 HCS301編碼芯片的基本工作流程

1.4 滾動碼解碼原理

解碼器必須具有兩種功能：

1）“學習”功能，主要是學習并記憶編碼器的一些主要特征；

2）解碼功能，即能解密經滾碼加密的滾動碼，并能跟蹤滾動過程。

“學習”過程

只有經過學習注冊過的編碼器才能被解碼器識別。

滾碼學習功能包括：“學習”新的編碼器的信息和清除以前學習過的編碼器的資料。

編碼器只能學習與自己的廠商代碼相同的編碼器的信息。“學習”時,先按下解碼器上的“學習”鍵,并在規定時間內按下編碼器的任意按鍵。若在規定的時間內沒有接收到數據,或者接收到數據,但數據經校驗不正確,則認為學習失敗,應重新學習。若長按“學習”按鍵超過8.2s,則解碼器將擦除全部的編碼器的存儲值。所有的編碼器必須從新學習才能被識別。

解碼器接收到一次發送后,立即檢查該編碼器是否已被學習,如果是,則進行解碼過程。由生成的密鑰對滾動碼部分進行解密,用鑒別位來判斷解密是否有效,如果以上通過,則對同步值進行判斷。同步值判斷也通過后,才將接收到的按鍵值輸出。

如果編碼器的廠商代碼與解碼器的廠商代碼不同，則它無法在解碼器上“登記注冊”。即使它的序列號與正在使用的一個解碼器的序列號相同，解碼器也無法對它發送來的數據進行正確解密(加密密鑰與解密密鑰不同)，從而將其發送來的數據視為無效的數據。這說明即使非法用戶可以從空中截獲正在使用的編碼器的傳輸碼，可以分析出該編碼器對應的序列號，但由于無法得到加密密鑰(即使獲取該編碼器，也不能讀出廠商代碼或加密密鑰)，因此，也無法產生能被解碼器識別的滾動加密編碼。這就是系統可以防止遙控器被復制的原理。

2 防盜門鎖系統

防盜門鎖系統有用戶遙控器和接收解碼控制系統兩部分組成。

遙控器是這個系統的控制端，在這個系統中起著重要的作用。所有的遙控器必須在接收解碼控制系統“學習”之后才可以使用，沒有經過“學習”的遙控器不能被接收解碼控制系統識別。

系統采用無線射頻遙控方式實現數據收發，信息采用滾碼加密技術加密，保證了系統的安全及方便性。用戶可以在距離接收系統20米的范圍內的任何位置操作門鎖，也可在室內直接按開關按鈕控制開關門。

系統支持門外“學習”功能，解決了丟失遙控器不能開門的問題。用戶可以在門外的鍵盤輸入6位密碼，若密碼正確，則允許“學習”新的遙控器，若三次輸入密碼均不正確，則不允許再輸入密碼并報警。用戶通過門內鍵盤能自己設定或修改密碼，以防止密碼被再次使用，提高系統的安全性。

2.1 系統功能

1）系統性能必須安全、穩定、可靠。

2）防盜門鎖系統有遙控器和遙控接收系統兩部分組成。

3（遙控器有開門、關門兩個按鍵，體積小，便于用戶攜帶，用戶可以在距離門20米的范圍內操作門鎖。遙控器必須登記注冊后才能使用，數據采用滾碼加密傳輸，保證系統的安全性。

4）門外設有固定鍵盤，用于在門外通過輸入密碼復制遙控器，以解決用戶在丟失所有遙控器后，無法打開門鎖的煩惱。

5）門內也設有固定鍵盤，方便用戶再室內設定和修改密碼。

6）在斷電情況下，原設定密碼及相關信息不丟失。

7）系統應配備顯示器件，以方便人機交互。

8）系統具有語音提示及報警功能。

9）系統使用可充電電池供電時也能長時間使用；還應配備市電接口。

2.2 AT89S52的選擇

CPU是整個無線遙控系統接收部分的核心。本系統選用Atmel公司生產的8位高性能低功耗CMOS單片機AT89S52作為整個系統的控制中心。

AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位單片機，片內含8KB ISP（In-system programmable）的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器、該器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術制造、兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構。片內集成了通用的8位CPU和ISPFlash為存儲單元，可為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、高性價比的解決方案。

［1］王京滬.基于門鎖用可編碼遙控學習的滾碼接收器[P].中國專利.200420086 265.X，2005，12，7.