CN101141348A

CN101141348A - 一种智能家居系统及其安全实现方法

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Publication number: CN101141348A
Application number: CNA2007101220687A
Authority: CN
Inventors: 刘贵勇; 贺新
Original assignee: CHENGDU FINCHOS ELECTRON Co Ltd
Current assignee: CHENGDU FINCHOS ELECTRON Co Ltd
Priority date: 2007-09-20
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2008-03-12

Abstract

本发明涉及一种智能家居系统，包括具有嵌入式硬件支撑平台的本地设备，本地PC客户端，本地设备和本地PC客户端均接入局域网，嵌入式硬件支撑平台包括嵌入式芯片及外围设备，嵌入式芯片包括总线系统、片外存储器扩展接口、高速可编程处理器，嵌入式硬件支撑平台包含操作系统以及应用程序，本地PC客户端，用于管理本地设备；嵌入式芯片还包括片上存储系统和信息安全处理模块；片上存储系统和信息安全处理模块均接入总线系统；片上存储系统，用于存储引导程序和根密钥；信息安全处理模块，用于加密和/或解密数据和/或应用程序。本发明的技术效果在于自成系统实现方式，无需计算机平台支撑，从而简化系统的复杂度，显著降低终端系统成本。

Description

一种智能家居系统及其安全实现方法

技术领域

本发明涉及智能家居系统，特别涉及一种嵌入式硬件平台及利用该嵌入式硬件平台构建的智能家居系统。

背景技术

智能家居或称智能住宅(Smart home)，是以住宅为平台，兼备建设设备、网络通信、信息家电和设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。

现有智能家居系统硬件平台：一种是以PC作为控制系统，加上各种外围的扩展设备，构建智能家居系统平台，这种方案整体成本高，实用性差；系统功耗大，稳定性不强(pc系统容易死机，而且容易受病毒攻击)。另一种是以一片或多片单片机作为核心处理单元，加上定制的硬件和软件，构建智能家居系统。这种方案系统扩展性差，不能满足复杂应用要求；设计结构复杂，稳定性不强。

发明内容

本发明为了解决上述问题，公开一种嵌入式硬件平台及利用该嵌入式硬件平台构建的智能家居系统，目的在于通过集成处理器，存储器，生物认证技术构建自成系统的芯片，解决硬件平台自身安全性问题；利用非对称、对称加密算法为基础建立网络数据安全传输机制；利用生物识别技术实现用户身份验证以及权限管理并构建本地、网络芯片平台安全、用户身份验证、信息安全存储、交换安全机制，而且提供各类接口，包括语音、显示、设备控制、设备通信，实现实时音视频采集、传输、显示，以提供实时监控和智能管理。

本发明提供了一种智能家居系统，包括具有嵌入式硬件支撑平台的本地设备，本地PC客户端，本地设备和本地PC客户端均接入局域网，嵌入式硬件支撑平台包括嵌入式芯片及外围设备，嵌入式芯片包括总线系统、片外存储器扩展接口、高速可编程处理器，嵌入式硬件支撑平台包含操作系统以及应用程序，本地PC客户端，用于管理本地设备；嵌入式芯片还包括片上存储系统和信息安全处理模块；片上存储系统和信息安全处理模块均接入总线系统；片上存储系统，用于存储引导程序和根密钥；信息安全处理模块，用于加密和/或解密数据和/或应用程序。

所述总线系统包括高速数据总线、低速配置寄存器总线、总线仲裁器、直接存储器访问传输控制器；总线仲裁器，用于以优先权方式控制接入总线系统的各模块对高速数据总线的占用；高速数据总线，用于提供高速数据通道；高速可编程处理器，用于通过低速配置寄存器总线对接入总线系统的各模块的控制寄存器进行配置。

嵌入式芯片还包括高速总线扩展接口，该高速总线扩展接口接入总线系统。

嵌入式芯片还包括权限控制模块和高速设备扩展接口，权限控制模块和高速设备扩展接口接入总线系统，用于通过指纹识别实现用户的权限管理。

权限控制模块包括指纹识别模块。

信息安全处理模块包括非对称加密模块和对称加密模块。

非对称加密模块用于实现网络认证；对称加密模块，用于实现本地数据加密存储与网络数据传输的加密。

还包括第三方认证机构和远程客户端，远程客户端用于对本地设备进行控制以及信息收集，所述局域网、第三方认证机构、远程客户端接入互联网，用于实现网络安全。

还包括实时音视频协作处理模块，该实时音视频协作处理模块接入系统总线，用于处理实时的音频流和/或视频流。

本发明提供了一种智能家居系统的片上安全实现方法，包括：

步骤101，嵌入式硬件支撑平台通过可编程存储器中的引导程序载入根密钥；

步骤102，嵌入式硬件支撑平台载入外部存储器中被加密的扩展密钥，信息安全处理模块解密被加密的扩展密钥；

步骤103，信息安全处理模块利用解密后的扩展密钥解密外部存储器中的数据和/或应用程序；

步骤104，启动操作系统和应用程序。

步骤101之前还包括：进行密码或者指纹验证。

本发明提供了一种智能家居系统的网络安全实现方法，包括：对局域网或者互联网中嵌入式硬件支撑平台传输的数据进行对称加密和/或非对称加密。

在互联网中，通过第三方认证机构实现发送方和/或接收方的身份认证。

本发明提供了一种智能家居系统的音视频发送方法，包括：

步骤141，发送方的实时音视频协作处理模块对数据流进行压缩编码；

步骤142，发送方的信息安全处理模块对数据流进行对称加密；

步骤143，发送方将加密后的数据流进行网络传输。

步骤133中，发送方将加密后的数据流通过高速网络扩展接口进行网络传输。

本发明提供了一种智能家居系统的实时音视频接收方法，包括：

步骤134，接收方接收加密后的数据流；

步骤135，接收方的信息安全处理模解密被加密的数据流；

步骤136，接收方的实时音视频协作处理模块对解密后的数据流进行解压缩。

步骤134中，接收方通过高速网络扩展接口接收加密后的数据流。

本发明的技术效果在于：自成系统实现方式，无需计算机平台支撑，从而简化系统的复杂度，显著降低终端系统成本；专用设备(芯片)拥有更高的运算能力，提高了系统的性能，为数据安全(加密)传输提供了可能。本发明提供了一种拥有良好用户信息(语音、视频、数据信息)交互功能，可靠信息、用户权限安全控制，以实现智能安全家居为目标的低成本硬件支撑平台；实现低成本，低功耗，指纹身份认证保证权限管理，加密系统保证数据安全，可实现远程网络保密监控。

附图说明

图1是本发明提供的嵌入式硬件支撑平台结构图；

图2是本发明提供的片上安全控制流程；

图3是本发明提供的用户指纹识别实现流程；

图4是本发明提供的网络安全实现流程；

图5是本发明提供的实时音视频实现流程；

图6是具有客户端嵌入式硬件支撑平台的智能家居系统。

具体实施方式

本发明提供一种利用存储器安全控制技术、加解密技术、生物认证技术构建嵌入式硬件平台，以外围设备接口实现信息交换与设备控制，可编程处理器为基础构建片上操作系统，通过上层应用软件实现智能家居管理功能的硬件(芯片级)支撑平台实现方案。在本地(非网络连接)或网络(网络连接)中实现身份认证，实时监控，音视频交流，安防监控，智能家电管理功能。

本发明技术可实现功能包括并不限于如下描述：与支持TCP/IP、CAN、NetBEUI的网络协议。有完善的本地安全机制，包括本地应用程序与数据安全。有网络安全机制，能对用户使用权限进行认证并进行本地、网络管理。能实现实时音频、视频传输，及音视频本地存储。能提供开放嵌入式操作系统平台。可建立一系列的管理应用软件，实现权限认证，权限管理，智能门禁，智能家电控制，安防监控，安防报警，可视对讲，远程管理等智能家居功能。

本发明的嵌入式硬件平台结构模块示意图如图1，包括一嵌入式芯片，该芯片具体包括：

1.总线结构101～104

通过两级交叉总线(Crossing Bus)建立高速片上总线系统，由高速数据总线101、低速度配置寄存器总线102、总线仲裁103、DMA传输控制器104组成，高速数据总线101提供高速数据通道，总线仲裁器103以优先权方式控制不同模块对高速数据总线101的占用情况，DMA控制器104是一个独立的、可简单编程的总线数据传输控制模块，在编程后独立于高速可编程处理器105运行，高速操作数据流的读写，减轻高速可编程处理器105的工作量，提高系统的整体性能。

2.高速可编程处理器105

高速可编程处理器105通过低速度配置寄存器总线102对片上各模块的控制寄存器进行配置，从而实现芯片各模块间的协调工作，并为操作系统应用软件提供运行的硬件平台。

3.片上存储系统106

片上存储系统105包括不限于OTP、FLASH、SRAM等片上存储模块。一次性可编程存储器(one timing programme，OTP)用于存储引导程序、芯片根密钥、建立芯片的本地安全策略。FLASH为芯片提供大容量、低成本的本地存储，实现应用程序扩展和片上数据存储。SRAM为芯片提供高速的临时数据存储。

4.高速网络扩展接口107

提供芯片的网络功能扩展接口。可外接不限于以太网控制器桥接芯片(有线)，蓝牙、Zigee(无线)等网络桥接芯片，以实现网络应用。

5.高速设备扩展接口108

可外接不限于指纹传感器，液晶显示屏，键盘输入等各种系统扩展设备。

6.片外存储扩展接口109

可外接不限于USB/SATA/PATA/PCI/PCIE等的计算机接口桥接芯片，以实现计算机类应用。

7.信息安全处理模块110

信息安全处理模块110由非对称加密模块111、对称加密模块112组成。其中非对称加密模块111为实现网络认证的功能模块，通过其可实现PKI(公匙基础设施)等基于公、私密钥的网络认证体系。其中非对称加密模块111不限制于RSA、ECC非对称加密方式。对称加密模块112用于本地数据加密存储与网络数据传输的加密，其方式不限制于DES、3DES、AES。

8.实时音视频协处理模块113

实时音视频协处理模块113由实时音频协处理模块114与实时视频协处理模块115组成。实时音频处理模块114与实时视频处理模块115提供了音频与视频编解码中对实施性要求较高部分的处理，可有效的降低对高速可编程处理器105计算资源的占用，提供了系统的整体性能。实时音视频处理模块113同时也提供了显示与语音器件、设备的接口(可外接不限于显示器、电话、可视电话、对讲系统)。

9.权限控制模块116

权限控制模块116的核心是基于生物认证技术的指纹识别技术，通过指纹识别技术实现用户的权限管理，提高了芯片系统的安全性，与最终产品使用的便捷性。

10.系统软件

系统的应用程序以高速可编程处理器105为硬件平台基础、实时操作系统为软件平台，协调各硬件的实时运作，并实现图形化界面等人机交互功能。系统应用程序包括但不限于音视频应用软件、安防监控软件、即时通信软件、远程报警软件、家电管理软件等。

基本工作流程图与说明：

1.片上安全实现流程(图2)

通过如图2所示流程实现芯片的片上安全系统，根据此流程可方便的实现本地设备、数据、程序的单\多用户权限安全控制。流程说明如下：

(1)芯片上电\复位：

芯片从上电/复位时启动，在复位状态将清空片上密钥、指纹模板临时存储空间中的数据。

(2)载入芯片引导程序

上电\复位后芯片将自动从片上OTP存储器载入芯片引导程序，其中芯片引导程序声明是否需经过密码或指纹验证后再进入下一步操作，这里的密码与指纹用于控制该芯片的使用权限。

(3)是否满足芯片启动要求

如无须验证或密码与指纹验证通过，芯片将从片上OTP存储器载入根密钥。根密钥是扩展存储器上的扩展密钥的加密密钥。

(4)载入扩展存储器扩展密钥并解密

运用根密钥与信息安全处理模块110、对称加密模块112实现对扩展密钥解密

(5)根据扩展密钥解密扩展存储器数据、程序

运用扩展密钥解密与信息安全处理模块110、对称加密模块112实现对外部存储器数据、程序的解密

(6)启动操作系统、应用程序，响应各项目用户操作

进入用户操作环节，实现用户的各项定制功能的实现

(7)是否达到待机要求

当芯片在特定的时间未操作、用户要求的情况下，芯片进入待机状态

(8)进入低功耗模式

在此状态可显著降低芯片功耗，用于满足在移动办公等对电源有要求的使用环境中。

2.用户指纹识别实现流程(图3)

以指纹识别作为权限控制的一种方式(密码控制是另一种方式)，指纹识别在芯片系统的不同应用中皆可使用，其实现流程图见图3，流程说明如下：

(1)指纹图像采集

由于指纹图像传感器的接口形式并不统一，大体上分为并行(类计算机RGB视频接口)和串行(如SPI)接口，具体实现上各种传感器又有具体差异，因而本发明中使用通过高速设备扩展接口(108)来实现指纹传感器的接口，进行指纹图像信息的采集。

(2)指纹图像处理

由于指纹传感器的采集指纹图像质量差异，因而需要对采集图像做图像增强、图像去噪、图像直方图校正等处理，以使图像质量差异对后续的处理影响减少。

(3)指纹模扳提取

将图像化指纹信息转化为数字化指纹信息的过程，从而降低存储指纹时对存储空间的要求。

(4)指纹模扳登记

指纹模板登记是将指纹数字化信息存储到片上或片外存储器的过程，当该指纹模板为启动过程时使用则将其存储到片上OTP存储器中，如不是，则可存储于片外存储器中，存储时根据安全性要求，可使用扩展密钥对模板信息进行加密。

(5)指纹模扳比对

指纹模板的比对是指纹的认证过程，通过对采集指纹与存储器件中的指纹模板的比对，确定用户的权限(即认证结果的输出)。

3.网络安全实现流程(图4)

(1)在局域网中，通过TCP/IP协议，实现本地设备A与本地设备B的以对称加密(对称加密模块112)和指纹认证(权限控制模块108)为基础的数据安全传输。

(2)在互连网中，通过三方认证机构CA，实现本地设备A与远程客户端C的身份认证，在数据传输时使用对称加密(对称加密模块112)与非对称加密(非对称加密模块111)的混合方式进行数据加密传输。

(3)远程客户端可以为远程PC客户端、远程手机客户端等基于网络的客户端。

4.实时音视频实现流程(图5)

实时音视频实现时的音视频发送接收是一组互逆过程，下面以发送过程为例进行说明。

(1)通过视频接口/音频接口获取视频、语音原始数据。

(2)通过实时视频协处理模块115/实时音频协处理模块114对数据流进行压缩编码。

(3)信息安全处理模块110中的对称加密模块112对数据流加密。

(4)通过高速可编程处理器105实现网络传输协议(TCP/IP)。

(5)通过高速网络扩展接口建立网络物理连接，以实现音视频数据在有线/无线网络中传输。

音视频接收的过程包括：

(6)，接收方通过高速总线接口，利用高速可编程处理器105实现的网络传输协议接收加密后的数据流；

(7)，接收方的信息安全处理模块110中的对称加密模块111对数据流加密；

(8)，接收方通过实时视频协处理模块115/实时音频协处理模块114对数据流进行解压缩；

(9)，接收方通过视频接口/音频接口获取视频、语音数据。

图6是一种智能家居系统。本应用实例由本地设备、本地PC客户端、远程PC客户端、远程手机客户端结合局域网和互联网构成。实现家庭智能家居，小区安防联网监控，远程智能家居管理；

本地设备：由本发明硬件平台结合可视对讲系统、网络接入、指纹传感器、安防设备接入、智能家电接入、液晶屏/触摸屏、键盘/遥控等外围设备构成；在嵌入式操作系统和应用软件的协同控制下，实现利用指纹权限管理本地音视频输入输出，各种安防设备控制，智能家电管理，以及接受本地PC客户端权限开放管理，以及远程客户端基于指纹权限的远程控制，是整个智能家居设备的核心系统；

远程客户端：包括远程PC客户端和远程手机客户端，是基于网络和指纹权限的远程控制端，其通过指纹权限认证以及CA认证，以远程方式对本地设备进行控制和数据加密传输。

1)远程客户端申请CA认证。

2)远程客户端通过CA认证后，与本地设备建立(加密)安全数据传输通道。

3)在远程客户端采集用户指纹信息。

4)通过安全数据传输通道将远程客户端所采集的指纹信息加密发送到本地设备上。

5)本地设备通过内部指纹识别硬件模块，实现用户身份识别与设备控制权限分配。

6)远程客户端根据权限控制本地设备，如通过本地设备控制家电，查询监控记录等。

通过以上应用实例，可安全、快捷、低控制成本的实现对家庭中使用设备当前状态的检测与控制，从而实现远程保密监控。

本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。

Claims

1.一种智能家居系统，包括具有嵌入式硬件支撑平台的本地设备，本地PC客户端，本地设备和本地PC客户端均接入局域网，嵌入式硬件支撑平台包括嵌入式芯片及外围设备，嵌入式芯片包括总线系统、片外存储器扩展接口、高速可编程处理器，嵌入式硬件支撑平台包含操作系统以及应用程序，其特征在于，本地PC客户端，用于管理本地设备；嵌入式芯片还包括片上存储系统和信息安全处理模块；片上存储系统和信息安全处理模块均接入总线系统；片上存储系统，用于存储引导程序和根密钥；信息安全处理模块，用于加密和/或解密数据和/或应用程序。

2.如权利要求1所述的智能家居系统，其特征在于，所述总线系统包括高速数据总线、低速配置寄存器总线、总线仲裁器、直接存储器访问传输控制器；总线仲裁器，用于以优先权方式控制接入总线系统的各模块对高速数据总线的占用；高速数据总线，用于提供高速数据通道；高速可编程处理器，用于通过低速配置寄存器总线对接入总线系统的各模块的控制寄存器进行配置。

3.如权利要求1或2所述的智能家居系统，其特征在于，嵌入式芯片还包括高速总线扩展接口，该高速总线扩展接口接入总线系统。

4.如权利要求3所述的智能家居系统，其特征在于，嵌入式芯片还包括权限控制模块和高速设备扩展接口，权限控制模块和高速设备扩展接口接入总线系统，用于通过指纹识别实现用户的权限管理。

5.如权利要求4所述的智能家居系统，其特征在于，权限控制模块包括指纹识别模块。

6.如权利要求1、2、4或5所述的智能家居系统，其特征在于，信息安全处理模块包括非对称加密模块和对称加密模块。

7.如权利要求6所述的智能家居系统，其特征在于，非对称加密模块用于实现网络认证；对称加密模块，用于实现本地数据加密存储与网络数据传输的加密。

8.如权利要求7所述的智能家居系统，其特征在于，还包括第三方认证机构和远程客户端，远程客户端用于对本地设备进行控制以及信息收集，所述局域网、第三方认证机构、远程客户端接入互联网，用于实现网络安全。

9.如权利要求8所述的智能家居系统，其特征在于，还包括实时音视频协作处理模块，该实时音视频协作处理模块接入系统总线，用于处理实时的音频流和/或视频流。

10.一种智能家居系统的片上安全实现方法，其特征在于，包括：

步骤104，启动操作系统和应用程序。

11.如权利要求10所述的片上安全实现方法，其特征在于，步骤101之前还包括：进行密码或者指纹验证。

12.一种智能家居系统的网络安全实现方法，其特征在于，包括：对局域网或者互联网中嵌入式硬件支撑平台传输的数据进行对称加密和/或非对称加密。

13.如权利要求12所述的网络安全实现方法，其特征在于，在互联网中，通过第三方认证机构实现发送方和/或接收方的身份认证。

14.一种智能家居系统的音视频发送方法，其特征在于，包括：

步骤143，发送方将加密后的数据流进行网络传输。

15.如权利要求14所述的实时音视频发送方法，其特征在于，步骤133中，发送方将加密后的数据流通过高速网络扩展接口进行网络传输。

16.一种智能家居系统的实时音视频接收方法，其特征在于，包括：

步骤134，接收方接收加密后的数据流；

步骤135，接收方的信息安全处理模解密被加密的数据流；

17.如权利要求16所述的实时音视频接收方法，其特征在于，步骤134中，接收方通过高速网络扩展接口接收加密后的数据流。