基于物聯(lián)網(wǎng)的校園一把鑰匙開“掛鎖”系統(tǒng)設(shè)計(jì)

戴建浜 福建省莆田第二中學(xué)

●引言

近些年，隨著生活水平的提高和學(xué)校對安防意識的重視，智能門鎖已成為學(xué)校門鎖升級換代的選擇。智能門鎖是指在傳統(tǒng)機(jī)械鎖的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，在用戶安全性、識別、管理性方面更加智能化簡便化的鎖具。[1]智能門鎖是門禁系統(tǒng)中鎖門的執(zhí)行部件，磁卡、射頻卡是使用非機(jī)械鑰匙作為用戶識別ID的成熟技術(shù)，這類卡片屬非接觸類，安全性較高，塑料材質(zhì)，配置攜帶較方便，價(jià)格又低廉，如指紋鎖、虹膜識別門禁等，這類卡在銀行、政府部門（注重安全性），以及酒店、學(xué)校宿舍、居民小區(qū)、別墅、賓館等使用比較多。還有一種智能鎖是近年來比較暢銷的人工智能鎖具，可以進(jìn)行人臉識別開鎖，具有安全性高、簡單又方便的特點(diǎn)。目前，不管是哪一種智能鎖，一般都可以與智能手機(jī)、智能路由器、監(jiān)控器等智能家居設(shè)備一起實(shí)現(xiàn)用手機(jī)遠(yuǎn)程操控等功能。

但這些智能鎖具都存在一個(gè)致命的問題，就是電源問題，目前有一部分智能鎖要拉專線給鎖供電，有一部分采用電池方式，但過幾個(gè)月就得更換電池，改造成本很高，在沒電時(shí)也會(huì)有安全隱患。還有就是強(qiáng)電磁波干擾問題[2]，攻擊者通過外部的強(qiáng)電磁場發(fā)射工具，向門鎖發(fā)出強(qiáng)電磁波干擾(俗稱小黑盒攻擊)，電磁波在門鎖內(nèi)部耦合產(chǎn)生電壓，可能觸發(fā)門鎖的誤動(dòng)作。[3]攻擊結(jié)果包括但不限于觸發(fā)開鎖信號、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、觸發(fā)MCU或識別芯片重啟等造成誤開鎖。據(jù)2018年的一份研究，國家質(zhì)檢中心對市面上40款智能門鎖做了風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測，15%都能被小黑盒秒開，剩余絕大多數(shù)都存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

本文涉及的“掛鎖”采用傳統(tǒng)機(jī)械鎖的構(gòu)造，無需改造原有門的結(jié)構(gòu)，鎖內(nèi)部無需安裝電池也可實(shí)現(xiàn)智能鎖的多數(shù)功能，實(shí)現(xiàn)一把鑰匙可以授權(quán)開多把鎖，不同的管理員可以授權(quán)開不同的、多個(gè)鎖的功能，真正達(dá)到一把鑰匙開全校所有鎖的目的。掛鎖采用防小黑盒暴力破解設(shè)計(jì)，免去沒電、更換鎖電池的煩惱，安全方便，特別適合校園這一類鎖頭經(jīng)常更換、開鎖人員隨時(shí)更換的場所。

●系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

掛鎖是由鎖梁直接與鎖體扣接而成的一種封閉形鎖具，它是鎖具世界中最古老、最龐大的家族，可以說其他鎖具都是從掛鎖這門類中繁衍、派生而來。[4]筆者設(shè)計(jì)的校園一把鑰匙開鎖系統(tǒng)是在原有掛鎖的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的，由無源掛鎖、有源鑰匙、校園解碼中心三個(gè)部分組成，其中有源鑰匙利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接到校園解碼中心獲取密碼并返回給無源掛鎖，比對成功后即可以開鎖。物聯(lián)網(wǎng)（IOT：Internet of Things）是一個(gè)通過信息技術(shù)將各種物體與網(wǎng)絡(luò)相連，以幫助人們獲取所需物體相關(guān)信息的巨大網(wǎng)絡(luò)。[5]在本研究中物聯(lián)網(wǎng)連接的就是鑰匙和鎖，每把鑰匙和鎖在物聯(lián)網(wǎng)中都有一個(gè)唯一的ID，也稱為識別碼，系統(tǒng)通過讀取這個(gè)識別碼的對應(yīng)關(guān)系來判斷是否開鎖。系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)

圖1中無源掛鎖的解鎖密碼存放在校園解碼中心，要通過有源鑰匙通過網(wǎng)絡(luò)去獲取。本研究實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是不改變原有門的結(jié)構(gòu)，用一把鑰匙開多把鎖的功能，從圖1中可以看出，一把鑰匙可以開多把鎖，一個(gè)掛鎖可以授權(quán)給多人開。

1.無源掛鎖（無電源）

無源掛鎖由鎖梁、鎖體和USB鎖口組成，鎖體集成一塊ESP32單片機(jī)，這是一款專門為移動(dòng)設(shè)備、可穿戴電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的單片機(jī)[6]，具有低功耗性能，包括精細(xì)分辨時(shí)鐘門控、省電模式和動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整等。采用ESP32單片機(jī)具有成本低、容易編程等眾多優(yōu)點(diǎn)。

每把鎖頭內(nèi)置的單片機(jī)在出廠時(shí)都有唯一的ID(Identity document)，用戶不能更改，每個(gè)ID對應(yīng)12位16進(jìn)制編碼來作為這把鎖的解碼密碼，保證其無重復(fù)編號和安全性，使其達(dá)到統(tǒng)一管理，當(dāng)與電子鑰匙通信時(shí)，有多層交互通信及校驗(yàn)過程，以便達(dá)到更加安全可靠、無誤開率、無重開率的目的。運(yùn)行時(shí)鎖隨機(jī)生成加密代碼和運(yùn)算代碼，一起發(fā)送至解碼中心用于解碼中心對解鎖碼進(jìn)行加密，之后鎖再對收到的解鎖碼進(jìn)行解密，以防止解鎖碼在串口傳輸時(shí)被竊取后復(fù)制。鎖梁末端有一個(gè)缺口，鎖住時(shí)被一非金屬物件卡住，該物件連接一個(gè)舵機(jī)，當(dāng)接收到開鎖指令時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)方向帶動(dòng)非金屬物件，松開鎖梁，達(dá)到開鎖的目的。USB接口有四根線，其中兩根線給無源掛鎖的ESP32單片機(jī)供電，另外兩根通過串口與有源鑰匙的USB插口相連接，發(fā)送開鎖請求和接收解鎖密碼。結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 掛鎖結(jié)構(gòu)圖

2.有源鑰匙（含電源）

有源鑰匙由電池、控制部分和USB插口部分組成。電池是一塊3.7V的鋰電池，結(jié)合升壓模塊，升壓至5.0V給控制部分供電。控制部分是一塊ESP32單片機(jī)，這種單片機(jī)帶有Wi-Fi模塊，可以接入校園無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行認(rèn)證，單片機(jī)上也有一個(gè)唯一的ID識別碼和12位16進(jìn)制密碼來作為這把鑰匙登入系統(tǒng)的準(zhǔn)入編碼。鑰匙上有一個(gè)USB插口，此插口與平時(shí)USB的插口外觀一致，插口上有四根線，其中兩根電源線用來與鎖頭連接，給鎖頭供電，另外兩根與鎖頭的串口連接，用來接收鎖頭編碼給校園解碼中心和發(fā)送解鎖密碼給鎖頭。本研究單片機(jī)需要事先連接到校園無線網(wǎng)絡(luò)，在單片機(jī)成功登入系統(tǒng)后，插入鎖頭，鎖頭會(huì)反饋一個(gè)鎖頭ID給鑰匙，鑰匙再把自己的ID和鎖頭的ID通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至系統(tǒng)平臺(tái)端進(jìn)行比對認(rèn)證，如果比對成功，平臺(tái)發(fā)送一個(gè)解鎖密碼回來，鑰匙收到解鎖密碼后，把密碼再通過串口發(fā)送給鎖頭，鎖頭比對解鎖密碼與內(nèi)置的密碼是否相匹配，匹配成功則發(fā)送一個(gè)指令給舵機(jī)，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)非金屬物體，松開鎖梁，解鎖成功。鑰匙側(cè)面還有一個(gè)電腦編程接口，可重新燒寫程序，分配鑰匙ID和密碼，以及給電池充電等。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.校園解碼中心

解碼中心平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)比對的過程，采用B/S結(jié)構(gòu)，管理員從Web端登入頁面后就可以進(jìn)入后臺(tái)添加或刪除教師，給教師鑰匙授權(quán)開鎖對象和數(shù)量。每把鑰匙通過自身的準(zhǔn)入編碼登錄到平臺(tái)，上傳鎖的ID、加密代碼和運(yùn)算代碼在平臺(tái)進(jìn)行匹配，匹配成功則返回根據(jù)加密代碼和運(yùn)算代碼返回加密后鎖的解鎖密碼，具體流程如圖4所示。

圖4 校園解碼中心工作流程

4.加密算法

由鎖生成并記錄加密代碼（隨機(jī)常數(shù)）和運(yùn)算代碼（隨機(jī)常數(shù)），解密中心根據(jù)運(yùn)算代碼選用不同加密算法。

本研究基于校園無線網(wǎng)絡(luò)，如果學(xué)校沒有無線網(wǎng)絡(luò)，也可以通過手機(jī)共享等方式接入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)然，也可以用zigbee、z-wave、sigfox、Lora或NB-iot等方式連接至物聯(lián)網(wǎng)，其他原理一致。

●硬件電路編程部分

本研究硬件分鑰匙和鎖頭兩個(gè)部分。鑰匙和鎖頭通過串口進(jìn)行連接，連接方式如下頁圖5所示，鑰匙和鎖頭的供電電源均來自鑰匙的鋰電池，TX是發(fā)送（transport），RX是接收(receive)。鑰匙的發(fā)送端接鎖頭的接收端，鑰匙的接收端接鎖頭的發(fā)送端。

圖5 鑰匙與鎖頭連接示意圖

1.鑰匙模塊

鑰匙上裝有一個(gè)指示燈，當(dāng)成功連接上Wi-Fi，工作正常時(shí)，顯示綠燈，連接失敗顯示紅燈。當(dāng)鑰匙插入鎖頭進(jìn)行解鎖，顯示黃燈并閃爍，鑰匙先獲取鎖頭的ID編碼后上傳至校園解鎖中心，解鎖中心匹配成功后返回解鎖密碼并通過鑰匙傳送至鎖頭，解鎖成功后顯示綠燈，解鎖失敗顯示紅燈。具體程序流程如圖6所示。

圖6 鑰匙工作流程

2.鎖頭模塊

鎖頭通電后發(fā)送請求信號，成功發(fā)送ID編碼后開始等待接收解鎖密碼，收到并匹配成功則告訴舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)非金屬物件，鎖被打開，舵機(jī)恢復(fù)原位，程序流程如圖7所示。

圖7 鎖頭工作流程

●軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

本研究中的掛鎖、鑰匙和校園解碼中心組成了一個(gè)完整的開鎖系統(tǒng)，系統(tǒng)管理采用B/S結(jié)構(gòu)，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，建立一個(gè)良好的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和簡單安全的后臺(tái)管理系統(tǒng)是非常有必要的。

1.數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫共涉及鑰匙列表、鎖頭列表和解鎖匹配列表三個(gè)表（如下頁表1、表2、表3），鑰匙列表保存所有鑰匙的信息，鎖頭列表保存所有鎖的信息，解鎖匹配列表保存管理員的授權(quán)信息。數(shù)據(jù)庫保存在本地服務(wù)器，供平臺(tái)調(diào)用。

表1 鑰匙列表

表2 鎖頭列表

表3 解鎖匹配列表

2.后臺(tái)管理

后臺(tái)要做的是對新鑰匙和新鎖頭分配ID、授權(quán)開鎖等。可以將一把新鎖通過數(shù)據(jù)線連接到計(jì)算機(jī)，通過管理端對鎖進(jìn)行命名，注冊鎖的賬戶和密碼以及命名相對應(yīng)的房間號。同樣，每拿到一把新的鑰匙，都要把新鑰匙通過數(shù)據(jù)線連接到電腦，通過管理端對鑰匙分配ID，生成登錄密碼，注冊鑰匙的所有人的身份信息、聯(lián)系電話等，并授權(quán)開鎖方案、失效時(shí)間等。當(dāng)出現(xiàn)鑰匙丟失時(shí)，可將已經(jīng)丟失的鑰匙禁用，防止鑰匙被盜用。

●結(jié)語

本文介紹了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的校園一把鑰匙開掛鎖系統(tǒng)。本系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)智能鎖鎖芯帶電的模式，讓鑰匙帶電可充電，而鎖不帶電，鑰匙可再編程，重復(fù)利用，極大地節(jié)約了資源，實(shí)現(xiàn)了鑰匙的分布式管理。本系統(tǒng)適合鐵門較多、掛鎖較多的學(xué)校，實(shí)踐表明，它能解除這些學(xué)校管理多把鑰匙的煩惱，提高校園安全管理水平。