基于智能卡的身份認(rèn)證系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

唐曉龍+孫杉+朱海濤+殷俊+閻俊杰

摘要：隨著我國的老齡化程度不斷加重，近年來無線體域網(wǎng)技術(shù)成為了研究熱點(diǎn)。無線體域網(wǎng)由于其可移動性，有著傳統(tǒng)醫(yī)療系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢。該文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于無線體域網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集刷卡認(rèn)證系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過Android手機(jī)終端收集體征參數(shù)，在用戶經(jīng)過刷卡認(rèn)證后，將體征參數(shù)傳送到監(jiān)護(hù)室，以便對收集到的參數(shù)進(jìn)行下一步處理。

關(guān)鍵詞：無線體域網(wǎng)；智能卡；身份認(rèn)證

1概述

隨著生活水平的提高，人們越來越關(guān)注醫(yī)療健康方面的問題?，F(xiàn)如今，我國社會老齡化程度越來越嚴(yán)重，并且醫(yī)療資源非常緊張，傳統(tǒng)的集中式醫(yī)療服務(wù)顯然不能滿足人們迫切的醫(yī)療需求。無線體域網(wǎng)（wireless bodv area network，簡稱為WBAN）的提出則有望解決如何監(jiān)測老齡群體身體狀況這一難題。基于無線體域網(wǎng)技術(shù)，通過前端傳感器采集人體的體征數(shù)據(jù)，如體溫、血壓、血糖、心率等，傳輸給監(jiān)護(hù)室醫(yī)療服務(wù)平臺上，可以實(shí)現(xiàn)對疾病的預(yù)防和監(jiān)測。由于無線體域網(wǎng)技術(shù)的高效性、實(shí)時性和低成本性，使得它在醫(yī)療方面有著巨大的發(fā)展前景。無線體域網(wǎng)在醫(yī)療上的應(yīng)用場景如圖1所示。

但是事實(shí)上，一方面由于無線信道的開放性，另一方面因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)收集到的人體數(shù)據(jù)關(guān)乎個人的敏感隱私，安全和隱私保護(hù)是阻礙體域網(wǎng)得到廣泛應(yīng)用的重要的原因之一。IEEE 802.15.6體域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)定義了三種安全級別。引：不加密且不認(rèn)證、認(rèn)證但不加密、加密且認(rèn)證，顯然最后一種的安全級別最高。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于智能卡的數(shù)據(jù)采集認(rèn)證系統(tǒng)。第二部分介紹了本系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)；第三和第四部分分別介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；第五部分進(jìn)行總結(jié)。

2系統(tǒng)功能

基于智能卡的身份認(rèn)證系統(tǒng)在將傳感器實(shí)時采集地人體體征參數(shù)傳輸?shù)紸ndroid手機(jī)終端后，用戶通過IC卡刷卡通過監(jiān)護(hù)室認(rèn)證。各終端主要需要實(shí)現(xiàn)的功能如圖2所示。前端生物傳感器節(jié)點(diǎn)可以在人體體內(nèi)、體表或周圍放置，能實(shí)現(xiàn)對用戶的人體體征參數(shù)，如血壓、體溫、血糖等進(jìn)行采集的功能，通過藍(lán)牙無線方式將收集到的體征數(shù)據(jù)傳送給上層的控制節(jié)點(diǎn)。Android手機(jī)終端部分是無線體域網(wǎng)的匯聚節(jié)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)匯聚體征數(shù)據(jù)、存儲體征數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程通信的功能。認(rèn)證服務(wù)端部分能對用戶身份進(jìn)行認(rèn)證，此外還有用戶注冊、建立通信和存儲體征數(shù)據(jù)的功能。各功能詳細(xì)說明如下：

1）人體體征數(shù)據(jù)采集：主要通過一些可穿戴式的傳感器實(shí)時采集人體的生理體征數(shù)據(jù)，如體溫、血壓和心率等。

2）體征數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸ndroid手機(jī)終端：通過對傳感器的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)將人體生理體征數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙技術(shù)短距離傳輸?shù)接脩羰謾C(jī)終端。

3）Android手機(jī)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存和查看：手機(jī)終端通過建立數(shù)據(jù)庫，解析傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)并保存到手機(jī)SQLite數(shù)據(jù)庫中，并且可以進(jìn)行分析。

4）Android手機(jī)終端傳輸數(shù)據(jù)到監(jiān)護(hù)室服務(wù)系統(tǒng)：手機(jī)終端和監(jiān)護(hù)室服務(wù)系統(tǒng)之間通過建立TCP連接，在同一個局域網(wǎng)內(nèi)以一定的格式發(fā)送和接收人體體征數(shù)據(jù)。

5）監(jiān)護(hù)室服務(wù)系統(tǒng)的注冊：用戶在使用監(jiān)護(hù)室的系統(tǒng)時，首先需要將自己的手機(jī)號碼和系統(tǒng)管理員分發(fā)的IC卡進(jìn)行綁定注冊，并將注冊信息錄入服務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

6）身份認(rèn)證：對于請求發(fā)送數(shù)據(jù)的手機(jī)終端，服務(wù)系統(tǒng)首先判斷用戶是否已經(jīng)刷卡，如果沒有，則顯示認(rèn)證失敗，丟棄數(shù)據(jù)；否則查詢服務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫找到此已經(jīng)刷卡的Ic卡號綁定的手機(jī)號碼，和之前解析出的手機(jī)終端號碼進(jìn)行比對，如果比對成功，則認(rèn)證成功，同時接收數(shù)據(jù)；否則認(rèn)證失敗，丟棄數(shù)據(jù)。

7）數(shù)據(jù)存儲：通過建立服務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，對于認(rèn)證成功的手機(jī)終端發(fā)送的人體體征數(shù)據(jù)，保存到服務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。

8）數(shù)據(jù)分析：監(jiān)護(hù)室的醫(yī)療人員可以通過服務(wù)系統(tǒng)，對用戶存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并給出醫(yī)療建議。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集層的傳感器節(jié)點(diǎn)采用藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行無線通信。手機(jī)終端利用Android在Android studio中進(jìn)行開發(fā)；認(rèn)證服務(wù)端利用c#在VS2015中進(jìn)行Windows窗體應(yīng)用程序開發(fā)。后臺Android手機(jī)終端采用SQLite數(shù)據(jù)庫；認(rèn)證服務(wù)端采用SQL server 2008數(shù)據(jù)庫。本系統(tǒng)需要滿足用戶身份認(rèn)證的高效性、實(shí)時性和低成本性，此外還需要能夠方便地采集用戶的體征參數(shù)，并進(jìn)行存儲和通信。

Android手機(jī)終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)界面簡潔明了，顯示清晰，用戶只要根據(jù)提示就能進(jìn)行登錄，采集匯聚、查看、傳輸自己的體征參數(shù)，不需要經(jīng)過特殊培訓(xùn)。認(rèn)證服務(wù)端支持IC卡數(shù)據(jù)的讀取，以便對用戶身份進(jìn)行認(rèn)證、和用戶發(fā)起通信，并和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接，以便存儲用戶體征數(shù)據(jù)信息。

3.1Android移動手機(jī)終端設(shè)計(jì)

用戶首先進(jìn)人登錄界面進(jìn)行登錄，在這里需要注意登錄的手機(jī)號需要在監(jiān)護(hù)室服務(wù)系統(tǒng)中已注冊。登錄成功后，可以選擇采集數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)查詢?？蚣苤械拇鎯δK將人體體征數(shù)據(jù)存儲到Android端SQLite數(shù)據(jù)庫中，以便查看和傳輸。我們在SQLite數(shù)據(jù)庫中建立Data表。表Data存放從數(shù)據(jù)采集端（即傳感器）采集到的用戶的體征數(shù)據(jù)和采集時間。發(fā)送數(shù)據(jù)模塊與監(jiān)護(hù)室服務(wù)系統(tǒng)建立TCP連接，將各種體征數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)發(fā)送到監(jiān)護(hù)室服務(wù)系統(tǒng)。通信基礎(chǔ)協(xié)議為TCP/IP協(xié)議，通信技術(shù)為socket技術(shù)，需要指定模擬的服務(wù)器IP和監(jiān)聽的端口號。

3.2認(rèn)證服務(wù)端設(shè)計(jì)

認(rèn)證服務(wù)端設(shè)計(jì)分為用戶注冊模塊、身份認(rèn)證模塊、建立通信模塊和后臺管理模塊。后臺管理模塊主要對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、顯示和分析。設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

本系統(tǒng)采用非接觸式的智能IC卡為媒介，認(rèn)證端對IC卡的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，每個IC卡內(nèi)部都保存了一個唯一卡號。IC刷卡器采用微電子的射頻接收模塊以及嵌入式微控制器，結(jié)合高效的解碼算法和先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。此讀卡器能讀出RFID卡內(nèi)的序列號并通過PS/2輸出至電腦。用戶注冊模塊可以將手機(jī)終端的手機(jī)號碼和IC卡號綁定注冊，并將注冊信息存儲到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。注冊之后，手機(jī)終端如果想要請求發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中首先要封裝自己的手機(jī)號碼信息。

身份認(rèn)證模塊首先判斷用戶有沒有進(jìn)行刷卡，如果沒有，則認(rèn)證失敗，不進(jìn)行數(shù)據(jù)接收；否則，通過獲取的卡號信息查詢服務(wù)器數(shù)據(jù)庫獲得注冊的此IC卡號綁定的手機(jī)號碼信息，然后從手機(jī)端請求發(fā)送的數(shù)據(jù)中解析出手機(jī)端的號碼信息，將認(rèn)證端與手機(jī)端的號碼信息進(jìn)行比對，如果比對成功，則認(rèn)證成功，同時接收數(shù)據(jù)；否則，認(rèn)證失敗，不進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。

后臺管理模塊與數(shù)據(jù)庫建立連接，將接收的人體體征數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，以便醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行查看分析。我們采用SQLServer關(guān)系數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建用戶注冊信息表（ICANDPHONE）和接收的數(shù)據(jù)表（DATA）。

4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能主要有對傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)實(shí)時采集、數(shù)據(jù)傳輸；移動終端對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時存儲、實(shí)時分析；監(jiān)護(hù)認(rèn)證服務(wù)器對注冊用戶身份進(jìn)行認(rèn)證，并存儲大量用戶數(shù)據(jù)，并給出初步診斷結(jié)果。其中身份認(rèn)證是核心部分，下面對身份認(rèn)證模塊的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

4.1身份認(rèn)證模塊的實(shí)現(xiàn)

基于智能卡的身份認(rèn)證模塊主要是移動終端配有智能卡，使用讀卡器進(jìn)行讀取，然后與服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行卡號匹配。如果匹配成功，則認(rèn)證成功。否則認(rèn)證失敗。主要的流程圖如圖4所示。

其中核心函數(shù)有：

1）服務(wù)端通過移動終端請求建立連接時發(fā)送的數(shù)據(jù)解析出終端手機(jī)號

5小結(jié)

本文介紹了我們設(shè)計(jì)的一種基于智能卡的身份認(rèn)證系統(tǒng)。此系統(tǒng)結(jié)合無線體域網(wǎng)技術(shù)，使用智能卡認(rèn)證確定用戶身份，并傳輸、存儲用戶體征參數(shù)。智能卡認(rèn)證通過智能卡硬件不可復(fù)制來保證用戶身份不會被仿冒，保證了用戶身份的合法性。本系統(tǒng)只對用戶身份進(jìn)行了確認(rèn)，下一步計(jì)劃對認(rèn)證服務(wù)端身份進(jìn)行認(rèn)證以實(shí)現(xiàn)服務(wù)端身份不被攻擊者仿冒，用戶敏感的醫(yī)療數(shù)據(jù)不會遭到竊取。