可見光一次一密安全智能門鎖

哈爾濱工業(yè)大學(xué)

馬宇辰，廖草葵，韓靜怡，夏時(shí)雨，王 瑤

1 作品簡(jiǎn)介

為滿足家庭住房對(duì)于安全、便捷及低成本智能門鎖的需求，團(tuán)隊(duì)詳細(xì)調(diào)研了市面上的主流智能門鎖，包括鑰匙、磁卡、指紋識(shí)別、人臉識(shí)別等身份認(rèn)證方式，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有智能門鎖的主流認(rèn)證方式是單向靜態(tài)認(rèn)證，認(rèn)證信息易被非法復(fù)制、盜取，無法對(duì)抗重放攻擊，易造成身份偽冒。據(jù)此，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了可見光一次一密安全智能門鎖，如圖1所示，用戶只需用手機(jī)對(duì)準(zhǔn)光通信硬件，通過閃光燈和光通信硬件雙向傳輸加密可見光信號(hào)，即可在2 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)安全、便捷和低成本的身份認(rèn)證。

圖1 系統(tǒng)模型

可見光一次一密安全智能門鎖充分利用光信號(hào)無法被遠(yuǎn)程傳播和難以截獲的特點(diǎn)，自主設(shè)計(jì)可見光雙向交互模型，實(shí)現(xiàn)不依賴網(wǎng)絡(luò)的一次一密模型解決身份偽冒問題，并結(jié)合多重安全機(jī)制，最大程度確保認(rèn)證時(shí)間、地點(diǎn)和人物的一致性，具有便捷、低成本和多場(chǎng)景應(yīng)用等特點(diǎn)，有效解決了人臉識(shí)別、指紋識(shí)別等傳統(tǒng)認(rèn)證技術(shù)存在的問題。

2 工作原理

2.1 硬件端實(shí)現(xiàn)

設(shè)備有兩種工作狀態(tài)，分別是待機(jī)狀態(tài)和工作狀態(tài)。待機(jī)狀態(tài)時(shí)，光敏二極管負(fù)責(zé)對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的光強(qiáng)激增400 lux以上時(shí)，設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài)，光敏二極管由監(jiān)測(cè)狀態(tài)變?yōu)椴蓸訝顟B(tài)，將采樣得到的數(shù)據(jù)傳給51單片機(jī)處理。待機(jī)狀態(tài)時(shí)，光敏二極管只接收光強(qiáng)信息，不向單片機(jī)傳遞信息；而工作狀態(tài)時(shí)，則將采樣得到的離散光強(qiáng)信息傳遞給單片機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以減輕系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，延長(zhǎng)設(shè)備壽命。

2.2 用戶端實(shí)現(xiàn)

通信過程中，用戶端APP和硬件共有3次可見光消息傳輸，用戶端APP實(shí)現(xiàn)2次光消息的生成發(fā)送（生成發(fā)送第一次光消息和第三次光消息），及1次光消息的接收處理（接收處理第二次光消息）。具體過程如下：

生成第一次光消息：調(diào)用隨機(jī)密鑰交換生成模塊，獲取用戶隨機(jī)密鑰交換數(shù)據(jù)DH_A（256位），加上激活碼10101010，組成第一次光消息的待發(fā)送可見光消息格式。

接收第二次光消息：調(diào)用光信號(hào)接送處理模塊，獲取接收的第二次光消息，獲得設(shè)備隨機(jī)密鑰交換編碼DH_B_number（6位），調(diào)用隨機(jī)密鑰交換生成模塊，獲取隨機(jī)密鑰。

生成第三次光信息：根據(jù)第二次光消息計(jì)算獲得的隨機(jī)密鑰，對(duì)20位時(shí)間碼、32位用戶ID加密獲得密文，320位數(shù)字簽名通過用戶私鑰簽名產(chǎn)生，用于鑒別用戶身份。

2.3 云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)

云服務(wù)器內(nèi)置APP和硬件證書，通過安全網(wǎng)絡(luò)傳輸接收APP端、硬件端發(fā)送的相關(guān)數(shù)據(jù)，并做出響應(yīng)。云服務(wù)器與APP、硬件的傳輸信息格式經(jīng)過特定設(shè)計(jì)，能夠保障信息的傳輸安全，并且系統(tǒng)有相應(yīng)的防捕獲機(jī)制，即使非法分子惡意截獲信息，也不會(huì)因信息泄露而影響系統(tǒng)有效運(yùn)行。

3 前景展望及創(chuàng)新

本作品通過可見光媒介，運(yùn)用雙向交互模型實(shí)現(xiàn)不依賴網(wǎng)絡(luò)的一次一密動(dòng)態(tài)認(rèn)證，消除了普通門鎖的安全隱患。該作品具有更低的價(jià)格，更高效的認(rèn)證過程，更小的健康隱患，更高的準(zhǔn)確率。技術(shù)指標(biāo)對(duì)比如圖2所示。

圖2 技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

我們?cè)O(shè)計(jì)的作品不僅限于門鎖行業(yè)，根據(jù)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的理解和應(yīng)用，本項(xiàng)目作品未來可應(yīng)用于所有需要特定識(shí)別的領(lǐng)域，包括但不限于考勤、門禁、保險(xiǎn)等。