可見光通信技術(shù)支持下的電子密碼鎖系統(tǒng)與系統(tǒng)加密技術(shù)

符安文

(成都?？松瓲柨萍加邢薰?四川成都 610041)

1 基于可見光通信技術(shù)的電子密碼鎖系統(tǒng)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(lián)互通的關(guān)系,主要有:信息存儲(chǔ)單元,主要作用在于存儲(chǔ)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(fā)出的光信號,再對其做轉(zhuǎn)換操作,形成電信號,以便執(zhí)行后續(xù)的操作;信號處理電路,其細(xì)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(chǔ)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(bào)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(bào)警。

1.2 光鑰匙模塊

LED陣列、信息存儲(chǔ)中心、數(shù)據(jù)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(fā)送光信息;模塊中設(shè)置有LED驅(qū)動(dòng)電路,其能夠用于控制LED陣列,以便其發(fā)送可見光信號;對于模塊中的信息存儲(chǔ)中心,則主要提供存儲(chǔ)功能,即存放用戶設(shè)置的ID信息與對應(yīng)的密碼。

2 電子密碼鎖的常見認(rèn)證形式

(1)直接密碼認(rèn)證。密碼長度普遍為4～6位,提供一個(gè)具有輸入功能的鍵盤,操作者輸入密碼時(shí)將隨時(shí)伴有特定的聲音回應(yīng)[1]。該認(rèn)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(shù)字掃描認(rèn)證。較為常見的有智能卡,但從以往的經(jīng)驗(yàn)來看,傳統(tǒng)的磁條卡存在安全系數(shù)偏低的問題,即磁道信息易被復(fù)制,因此安全性難以得到保證。

(3)生物識(shí)別認(rèn)證。在現(xiàn)階段的安全系統(tǒng)建設(shè)工作中,生物識(shí)別取得廣泛的應(yīng)用,較為典型的有指紋識(shí)別、聲紋識(shí)別、虹膜識(shí)別等。生物識(shí)別的特點(diǎn)在于具有較強(qiáng)的保密性,因此安全性有所提升,但其使用條件較為嚴(yán)格。以指紋識(shí)別為例,若操作者的手粘附雜物、灰塵或是沾有水滴,均會(huì)影響識(shí)別的準(zhǔn)確性,從而出現(xiàn)原本為正確信息但并未識(shí)別成功的情況。

(4)無線電頻率識(shí)別(RFID)。依托于無線電訊號,完成對特定目標(biāo)的高效識(shí)別操作,進(jìn)而讀取數(shù)據(jù),整個(gè)過程便捷而高效,無需在識(shí)別系統(tǒng)與目標(biāo)間建立接觸關(guān)系[2]。因此,無線電頻率識(shí)別在現(xiàn)階段的電子密碼鎖中取得較為廣泛的應(yīng)用。

3 電子密碼鎖系統(tǒng)的加密思路

(1)在數(shù)據(jù)和電源接口的聯(lián)合作用下,使光鑰匙模塊與電子密碼鎖結(jié)合,與此同時(shí)使LED陣列與PIN管陣列對準(zhǔn)。

(2)適配觸控屏,其具有較突出的人機(jī)交互特性,用戶可經(jīng)由該處自定義ID以及密碼信息,此時(shí)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(huì)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(chǔ)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(xié)同LED驅(qū)動(dòng)電路、編碼器共同運(yùn)行,也可以向預(yù)先存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)中調(diào)取特定的ID信息,轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)據(jù)后,通過LED陣列光強(qiáng)變化的形式發(fā)送,該部分信號可由PIN管陣列接收,以實(shí)現(xiàn)向電信號的轉(zhuǎn)化,加之控制中心的協(xié)同作用,使信號處理電路轉(zhuǎn)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(huì)發(fā)出警報(bào)響聲;若兩者一致,則表明外界輸入的信息無誤,此時(shí)控制中心讀取信息存儲(chǔ)中心的密碼信息。

(4)在控制中心的控制作用下,可以協(xié)同LED驅(qū)動(dòng)電路、編碼器共同運(yùn)行,也可以向預(yù)先存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)中調(diào)取特定的密碼信息,轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)據(jù)后,通過LED陣列光強(qiáng)變化的形式發(fā)送(每位密碼信息分別由特定的LED發(fā)送),該部分信號可由PIN管陣列接收,以實(shí)現(xiàn)向電信號的轉(zhuǎn)化,經(jīng)進(jìn)一步處理后恢復(fù)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(huì)發(fā)出警報(bào)響聲;若兩者一致,則通過前述的ID驗(yàn)證和此處的密碼驗(yàn)證,控制中心調(diào)用電磁鎖,順利完成解鎖操作。

4 電子密碼鎖加密技術(shù)的具體應(yīng)用要點(diǎn)

電子密碼系統(tǒng)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(jìn)一步細(xì)分。在解鎖時(shí),兩類模塊依托于數(shù)據(jù)線和電源線接口實(shí)現(xiàn)連接[3]。

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

光鑰匙模塊的關(guān)鍵組成為:數(shù)據(jù)線與電源線接口、相配套的信息存儲(chǔ)中心(具有雙向通信的特點(diǎn))、LED陣列。

電子鎖模塊的關(guān)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(qū)動(dòng)電路、信息存儲(chǔ)單元、控制中心、數(shù)據(jù)線與電源線接口。在該模塊的內(nèi)部組成中,控制中心可以連接至其他部分,且均實(shí)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(nèi)部集成驅(qū)動(dòng)電路,與之相連接的是觸控屏,其踐行的是人機(jī)交互的設(shè)計(jì)理念,可供用戶輸入相應(yīng)的信息;解鎖裝置6的核心組成為電磁鎖和報(bào)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(dǎo),控制中心做出特定的調(diào)度操作,協(xié)調(diào)電子密碼鎖內(nèi)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(shù)據(jù)線與電源線接口形成連接關(guān)系,在此條件下,兩個(gè)模塊間可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

初始化階段,兩模塊結(jié)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(yīng)的ID)。此后,該部分信息將由控制中心寫入信息存儲(chǔ)單元中[4]。外部進(jìn)行解鎖操作時(shí),將用戶輸入的ID信息和密碼與預(yù)先存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中的相應(yīng)數(shù)據(jù)做對比分析,若兩者均一致,則調(diào)用電磁閥,順利解鎖。

經(jīng)過初始化操作后,兩模塊分離,ID信息和密碼將完整存儲(chǔ)于設(shè)置在光鑰匙模塊的信息存儲(chǔ)中心內(nèi)。若后續(xù)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(jìn)而產(chǎn)生新的ID信息和密碼,其也能夠被信息存儲(chǔ)單元永久保存。

在解鎖操作時(shí),光鑰匙模塊與電磁鎖模塊結(jié)合,兩者間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。期間,LED陣列與PIN管陣列對準(zhǔn),借助光信道傳送信息?？刂浦行淖x取ID信息(指的是光鑰匙模塊信息存儲(chǔ)中心的該部分信息),調(diào)用編解碼器,完成對ID信息的編碼操作,其將作為LED驅(qū)動(dòng)電路的輸入信號。在完成調(diào)制操作后,可以將ID信息視為一串二值化電流強(qiáng)度振幅,其會(huì)在時(shí)間改變的同時(shí)發(fā)生變化。根據(jù)LED的發(fā)光強(qiáng)度特性可知,在輸入電流信號發(fā)生改變后,其具備的發(fā)光強(qiáng)度也有所變化,因此會(huì)出現(xiàn)隨時(shí)間改變而變化的二值化光強(qiáng)度信號。

通電狀態(tài)下,PIN管陣列可及時(shí)感知時(shí)變二值化光強(qiáng)度信號,并對其做轉(zhuǎn)化操作,以得到同步性更強(qiáng)的二值化電流或電壓信號,其特點(diǎn)在于會(huì)隨時(shí)間的變化而同步改變。通過放大器的應(yīng)用,可以實(shí)現(xiàn)信號放大處理操作,電信號將經(jīng)由判決電路做濾波整形操作。經(jīng)該流程處理后的電信號會(huì)發(fā)生傳遞,即到達(dá)編解碼器的解碼部分,對信號進(jìn)行解碼,產(chǎn)生的信息會(huì)完整存儲(chǔ)于電子鎖模塊的信息存儲(chǔ)單元內(nèi)。

若通過ID驗(yàn)證,將由控制中心讀取密碼信息(調(diào)取的是光鑰匙模塊信息存儲(chǔ)中心的該部分信息)。類似的,依然做編碼操作,通過LED驅(qū)動(dòng)電路的應(yīng)用,完成電信號向光信號的轉(zhuǎn)化,此時(shí)啟用光信道,在其銜接作用下,可以實(shí)現(xiàn)LED至PIN光電管的點(diǎn)對點(diǎn)信號傳送。在該對應(yīng)關(guān)系中,各PIN光電管均可以接收某特定的LED的光信號,此時(shí)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(zhuǎn)變處理,得到電信號,再進(jìn)一步對其做信號放大以及相應(yīng)的處理操作,實(shí)現(xiàn)信號恢復(fù),此時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將被完整寫入信號存儲(chǔ)單元內(nèi),將新寫入的密碼與原本已經(jīng)存儲(chǔ)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(cuò)誤,將及時(shí)發(fā)出警報(bào)響聲;若兩者一致,則輸入的ID信息和密碼均無誤,此時(shí)可以調(diào)用解鎖裝置中的電子鎖,從而順利完成解鎖操作。

5 結(jié)語

綜上所述,電子密碼鎖在現(xiàn)階段的生產(chǎn)、生活中取得廣泛的應(yīng)用,其正逐步成為傳統(tǒng)機(jī)械式密碼鎖的取代形式,安全性較好,可提供防盜報(bào)警功能,有效規(guī)避了機(jī)械式密碼鎖設(shè)定密碼位數(shù)較少、安全性能不足的問題。在本次有關(guān)于電子密碼鎖的設(shè)計(jì)中,以單片機(jī)為核心,根據(jù)其運(yùn)行特點(diǎn)以及系統(tǒng)功能需求,合理適配硬件電路,在各裝置的共同協(xié)作下,完成密碼的設(shè)置、存貯、識(shí)別、顯示等相關(guān)操作,也可以提供檢測驅(qū)動(dòng)電流值、接收報(bào)警信號等相關(guān)功能。