可見光通信技術支持下的電子密碼鎖系統與系統加密技術

符安文

(成都埃克森爾科技有限公司,四川成都 610041)

1 基于可見光通信技術的電子密碼鎖系統的組成分析

1.1 電子鎖模塊

電子鎖模塊集多部分于一體,各自均有其特定的功能,彼此間可形成互聯互通的關系,主要有:信息存儲單元,主要作用在于存儲信息,包含用戶的ID信息以及密碼;光信號檢測電路,其對接的是光鑰匙模塊,可以接收到該處LED發出的光信號,再對其做轉換操作,形成電信號,以便執行后續的操作;信號處理電路,其細分為兩類,即判決電路和解編碼電路,前者的作用在于判決電流信號,即究竟為“1”還是“0”,在此基礎上做濾波放大操作,得到電信號,后者的作用在于將密碼和ID信息編碼;解鎖裝置,具體組成為電磁鎖和警報器,前者服從控制中心的指揮,可以完成電磁解鎖操作,后者的主要功能在于非法解鎖行為的報警。

1.2 光鑰匙模塊

LED陣列、信息存儲中心、數據線與電源線接頭均是光鑰匙模塊的重要組成部分,該模塊與前述所提的電子鎖模塊對接,可發送光信息;模塊中設置有LED驅動電路,其能夠用于控制LED陣列,以便其發送可見光信號;對于模塊中的信息存儲中心,則主要提供存儲功能,即存放用戶設置的ID信息與對應的密碼。

2 電子密碼鎖的常見認證形式

(1)直接密碼認證。密碼長度普遍為4～6位,提供一個具有輸入功能的鍵盤,操作者輸入密碼時將隨時伴有特定的聲音回應[1]。該認證方式的操作便捷,但存在安全性不足、防盜效果差的不足之處。

(2)數字掃描認證。較為常見的有智能卡,但從以往的經驗來看,傳統的磁條卡存在安全系數偏低的問題,即磁道信息易被復制,因此安全性難以得到保證。

(3)生物識別認證。在現階段的安全系統建設工作中,生物識別取得廣泛的應用,較為典型的有指紋識別、聲紋識別、虹膜識別等。生物識別的特點在于具有較強的保密性,因此安全性有所提升,但其使用條件較為嚴格。以指紋識別為例,若操作者的手粘附雜物、灰塵或是沾有水滴,均會影響識別的準確性,從而出現原本為正確信息但并未識別成功的情況。

(4)無線電頻率識別(RFID)。依托于無線電訊號,完成對特定目標的高效識別操作,進而讀取數據,整個過程便捷而高效,無需在識別系統與目標間建立接觸關系[2]。因此,無線電頻率識別在現階段的電子密碼鎖中取得較為廣泛的應用。

3 電子密碼鎖系統的加密思路

(1)在數據和電源接口的聯合作用下,使光鑰匙模塊與電子密碼鎖結合,與此同時使LED陣列與PIN管陣列對準。

(2)適配觸控屏,其具有較突出的人機交互特性,用戶可經由該處自定義ID以及密碼信息,此時控制中心將完整保存該部分新輸入的信息。此外,控制中心還會將該部分信息傳輸至光鑰匙模塊,此舉目的在于由該模塊中的信息存儲中心完整保存信息,以免丟失。

(3)在控制中心的控制作用下,可以協同LED驅動電路、編碼器共同運行,也可以向預先存儲的數據中調取特定的ID信息,轉化為二進制數據后,通過LED陣列光強變化的形式發送,該部分信號可由PIN管陣列接收,以實現向電信號的轉化,加之控制中心的協同作用,使信號處理電路轉換出ID信息,將兩者(原始的ID和新寫入的解碼ID)做對比分析,若不一致,則會發出警報響聲;若兩者一致,則表明外界輸入的信息無誤,此時控制中心讀取信息存儲中心的密碼信息。

(4)在控制中心的控制作用下,可以協同LED驅動電路、編碼器共同運行,也可以向預先存儲的數據中調取特定的密碼信息,轉化為二進制數據后,通過LED陣列光強變化的形式發送(每位密碼信息分別由特定的LED發送),該部分信號可由PIN管陣列接收,以實現向電信號的轉化,經進一步處理后恢復密碼信號,將兩者(原始的密碼和新寫入的密碼)做對比分析,若不一致,則會發出警報響聲;若兩者一致,則通過前述的ID驗證和此處的密碼驗證,控制中心調用電磁鎖,順利完成解鎖操作。

4 電子密碼鎖加密技術的具體應用要點

電子密碼系統的框架如圖1所示,其包含光鑰匙模塊1和電子鎖模塊2兩大部分,各自又可進一步細分。在解鎖時,兩類模塊依托于數據線和電源線接口實現連接[3]。

圖1 基于可見光通信技術的電子密碼鎖系統Fig.1 Electronic code lock system based on visible light communication technology

光鑰匙模塊的關鍵組成為:數據線與電源線接口、相配套的信息存儲中心(具有雙向通信的特點)、LED陣列。

電子鎖模塊的關鍵組成為:檢測電路、信號處理電路、觸控屏模塊、解鎖裝置、LED驅動電路、信息存儲單元、控制中心、數據線與電源線接口。在該模塊的內部組成中,控制中心可以連接至其他部分,且均實施的是雙向連接的模式。

電子鎖模塊的框架如圖2所示。其中,光信號檢測電路3涵蓋兩部分,即PIN陣列和放大器;信號處理電路4也包含兩部分,分別為判決電路、編解碼器;在觸控屏5的組成中,內部集成驅動電路,與之相連接的是觸控屏,其踐行的是人機交互的設計理念,可供用戶輸入相應的信息;解鎖裝置6的核心組成為電磁鎖和報警器。

圖2 電子鎖模塊示意圖Fig.2 Schematic diagram of electronic lock module

以程序控制為引導,控制中心做出特定的調度操作,協調電子密碼鎖內部的各部分,共同參與至特定的工作中。光鑰匙模塊與電子鎖模塊對接,各自的數據線與電源線接口形成連接關系,在此條件下,兩個模塊間可以實現數據通信。

初始化階段,兩模塊結合,用戶在觸控屏中輸入特定的信息(指的是光鑰匙的初始密碼以及對應的ID)。此后,該部分信息將由控制中心寫入信息存儲單元中[4]。外部進行解鎖操作時,將用戶輸入的ID信息和密碼與預先存儲在存儲單元中的相應數據做對比分析,若兩者均一致,則調用電磁閥,順利解鎖。

經過初始化操作后,兩模塊分離,ID信息和密碼將完整存儲于設置在光鑰匙模塊的信息存儲中心內。若后續用戶存在ID信息或密碼的變更要求,則按照前述所提的初始化流程有序操作即可,進而產生新的ID信息和密碼,其也能夠被信息存儲單元永久保存。

在解鎖操作時,光鑰匙模塊與電磁鎖模塊結合,兩者間實現數據通信。期間,LED陣列與PIN管陣列對準,借助光信道傳送信息。控制中心讀取ID信息(指的是光鑰匙模塊信息存儲中心的該部分信息),調用編解碼器,完成對ID信息的編碼操作,其將作為LED驅動電路的輸入信號。在完成調制操作后,可以將ID信息視為一串二值化電流強度振幅,其會在時間改變的同時發生變化。根據LED的發光強度特性可知,在輸入電流信號發生改變后,其具備的發光強度也有所變化,因此會出現隨時間改變而變化的二值化光強度信號。

通電狀態下,PIN管陣列可及時感知時變二值化光強度信號,并對其做轉化操作,以得到同步性更強的二值化電流或電壓信號,其特點在于會隨時間的變化而同步改變。通過放大器的應用,可以實現信號放大處理操作,電信號將經由判決電路做濾波整形操作。經該流程處理后的電信號會發生傳遞,即到達編解碼器的解碼部分,對信號進行解碼,產生的信息會完整存儲于電子鎖模塊的信息存儲單元內。

若通過ID驗證,將由控制中心讀取密碼信息(調取的是光鑰匙模塊信息存儲中心的該部分信息)。類似的,依然做編碼操作,通過LED驅動電路的應用,完成電信號向光信號的轉化,此時啟用光信道,在其銜接作用下,可以實現LED至PIN光電管的點對點信號傳送。在該對應關系中,各PIN光電管均可以接收某特定的LED的光信號,此時便可以得到一位密碼,按照該流程操作,得到完整的密碼[5]。PIN光電管可對光信號做轉變處理,得到電信號,再進一步對其做信號放大以及相應的處理操作,實現信號恢復,此時產生的數據將被完整寫入信號存儲單元內,將新寫入的密碼與原本已經存儲完成的原始密碼做對比分析。若兩者不一致,則表明密碼輸入錯誤,將及時發出警報響聲;若兩者一致,則輸入的ID信息和密碼均無誤,此時可以調用解鎖裝置中的電子鎖,從而順利完成解鎖操作。

5 結語

綜上所述,電子密碼鎖在現階段的生產、生活中取得廣泛的應用,其正逐步成為傳統機械式密碼鎖的取代形式,安全性較好,可提供防盜報警功能,有效規避了機械式密碼鎖設定密碼位數較少、安全性能不足的問題。在本次有關于電子密碼鎖的設計中,以單片機為核心,根據其運行特點以及系統功能需求,合理適配硬件電路,在各裝置的共同協作下,完成密碼的設置、存貯、識別、顯示等相關操作,也可以提供檢測驅動電流值、接收報警信號等相關功能。