CN108259161A - 改进型混合加密方法及其在车内环境监测系统中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明的改进型混合加密方法及其在车内环境监测系统中的应用属于无线通信技术领域。所述的改进型的混合加密方法具体是用DES加密明文数据，用RSA加密DES密钥；同时使用3重DES作为DES的改进方案，对RSA采用改进型Miller‑Rabin算法进行素数的判定，利用滑动窗口算法进行模幂计算；所述的改进型混合加密方法可应用于车内环境监测系统中，实现主控模块与云服务器之间利用所述的改进型混合加密方法进行加密通信。本发明所述的改进型混合加密方法具有安全性高、速度快等特点，基于该方法的内环境监测系统可以方便用户了解车内的污染情况，且保证车内人员的隐私安全。

Description

改进型混合加密方法及其在车内环境监测系统中的应用
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种改进型混合加密方法及其在车内环境监测系统中的应用。
背景技术
近年来，伴随着计算机网络的飞速发展以及广泛应用。网络给我们的日常生活带来了极大的方便，与此同时它也给我们带来了种种安全危机。随着网络应用的日益广泛和深入，信息和资源的共享范围将会不断的扩大，应用的环境也将日趋复杂，数据的安全问题也将越来越重要。信息安全问题是人们关注的热点问题，保证车主信息的隐私，对系统监测的车内环境数据进行加密是十分有意义的。
国外的一项研究机构测试结果表明：一半以上的驾驶员患有由车内环境污染造成的驾车综合症，驾车综合症成为了交通事故的主要诱因之一，其导致交通事故发生的概率远高于疲劳驾驶和酒驾。不仅如此，长期的有害物质更会对车内人员的健康造成极大威胁。
基于车内有害物质浓度易受温湿度、雾霾天气等诸多实际因素的影响，例如车内甲醛存在3-15年的释放期，且车内温度越高，如夏天暴晒等实际情况会造成甲醛气体的释放速度明显加快，不能凭借简单的一次性检测或周期性检测就认为车内环境质量良好。因此，为了保障车内人员有一个健康的车内环境，保障驾驶员行车安全，做到车内环境数据透明化，对车内环境数据的实时动态监测是十分有意义的。车内环境数据的实时动态监测不仅是对车内采取空气净化措施的前提，也是空气净化措施是否有效的直接检验标准。
发明内容
本发明要解决的问题是：克服现有的数据加密方法安全性不足和加密速度慢的问题，基于DES算法和RSA算法，提出一种改进型的混合加密方法以及该方法在车内环境监测系统中的应用。
上述的技术问题通过以下的技术方案实现：
一种改进型的混合加密方法，用DES(即对称加密算法)加密明文数据，用RSA(非对称加密算法)加密DES密钥；同时使用3重DES作为DES的改进方案，对RSA采用改进型Miller-Rabin算法进行素数的判定，利用滑动窗口算法进行模幂计算；
所述的使用3重DES作为DES的改进方案具体是，在3重DES中，使用3 个密钥K1,K2,K3依次加密明文，使密钥长度达到168位，密文 c＝Ek3[Dk2[Ek1[m]]]；
所述的采用改进型Miller-Rabin算法进行素数的判定具体是，在把大整数送入到素性判别程序之前，首先将偶数和以5做尾数的比较明显的合数虑除掉，然后用大数除小数的方法，选取53个小素数对大整数做除法运算，所述的大整数是大于150位且小于300位的十进制整数，所述的小素数是小于20位的十进制素数，具体步骤如下：
(1)随机生成大整数n；
(2)选取从2开始的一组长度为53的素数组，记为a[i]；
(3)令i＝0；
(4)当i<53时，计算y＝nmod a[i]的值；
(5)若y＝0，则说明可以整除，不是素数；否则，令i＝i++，返回步骤(4)；
其次，用改进的Miller-Rabin算法对上面的过滤后的数进行素性判定；改进的素数判定算法就是用Montgomery快速模幂算法，对Miller-Rabin算法里面的模幂运算进行优化处理，
Montgomery算法描述：
Monpro(A,B,N)＝ABR-1(mod N)
其中R是以2为基的幂次，并且当R为2k时，N需满足2k-1≤N＜2k同时需满足gcd(R,N)＝1；
所述的利用滑动窗口算法进行模幂计算具体是，使用滑动窗口算法将Ce mod n中的指数e进行模块化处理，窗口长度为3，将化简后的e带入到算式Ce mod n 中，其中Ce modn即是模幂的计算；
一种改进型混合加密方法在车内环境监测系统中的应用，其特征在于，车内环境监测系统的主控模块与云服务器之间的通信是利用所述的改进型混合加密方法进行加密的，所述的车内环境监测系统结构有主控模块1，4G无线通信模块2，传感器模块3，图像采集模块4，GPS定位模块5，云服务器监测中心；所述的主控模块1与云服务器监测中心6通过4G无线通信模块2，利用所述的改进型的混合加密方法进行通信；主控模块1与传感器模块3、图像采集模块4相连实现车内环境的信息采集，主控模块1与GPS定位模块5相连实现定位功能，云服务器监测中心6用来存储车内的环境信息；所述的传感器模块3由甲醛传感器模块31、温湿度传感器模块32和粉尘传感器模块33构成；
所述的主控模块1是ARM芯片STM32F103C8T6，ARM芯片的3个USART 口，即管脚PA9、PA10；PA2、PA3；PB10、PB11分别和甲醛传感器模块31、 4G无线通信模块2、图像采集模块4对应的通信接口相连接；PA11管脚和具有 ADC功能的PA6管脚与粉尘传感器模块33连接；PA12管脚连接温湿度传感器模块32的DATA接口，单总线温湿度数据并用；
所述的4G无线通信模块2的结构为：Quectel EC20 4G无线通信芯片，发送端与接收端分别与主控模块1的ARM芯片的PA2、PA3相连接；
所述的甲醛气体监测模块31的结构为：ZE08-CH2O甲醛传感器模块的 UART_RXD管脚和UART_TXD管脚应分别与主控模块1的ARM芯片的PA9 引脚USART1_TX和PA10引脚USART2_RX相连接；
所述的温湿度传感器模块32的结构为：DHT11温湿度传感器引脚1接5V 电源；引脚2接主控模块1的ARM芯片的PA12管脚作为数据传输线；引脚4 接地。
所述的粉尘传感器模块33的结构为：GP2Y1010AU0F粉尘传感器的管脚1 接电阻R2的一端和电解电容EC2的正极，电阻R2的另一端接5V电源，电解电容EC2的负极接地；GP2Y1010AU0F粉尘传感器的管脚2为LED-GND端接地；管脚3接NPN型三极管Q2的C端，NPN型三极管Q2的B端通过电阻R1 接主控模块1的ARM芯片的PA11管脚，为GP2Y1010AU0F粉尘传感器提供脉冲信号的输入；GP2Y1010AU0F粉尘传感器的管脚4为GND接地，管脚6接 5V电源，管脚5作为传感器电压输出端，接主控模块1的ARM芯片的内部ADC 模拟输入管脚PA6；
电路的优选参数为，各电阻参数分别为R1：1KΩ,R2：150Ω，各电容参数分别为C1：104uF,C2：104uF,EC1：220uF,EC2:220uF,三极管Q1，Q2型号为8050，电源电压VCC均为+5V。
所述的图像采集模块4的结构为：PTC08型号摄像头的接收端和发送端分别与主控模块1的ARM芯片的PB11引脚USART3_RX和PB12引脚USART3_TX 相连；
所述的GPS定位模块5的结构为：ATK-NEO-6M GPS模块的接收端和发送端分别与主控模块1的ARM芯片的PA1，PA7端口相连接；
所述的云服务器监测中心6结构包括Tomcat Web服务器和MySQL数据库；云服务器监测中心6与4G无线通信模块2通过Java Socket编程建立TCP连接，且使用本发明所述的改进型的混合加密方法对传输的数据进行加密，实现甲醛、粉尘、温湿度、图片信息的接收和存储。
本发明的技术方案有以下有益效果：
1、本发明通过传感器模块与图像采集模块对车内甲醛浓度、粉尘浓度、温湿度、图像信息进行采集，可以方便用户了解车内的污染情况；GPS定位模块可以准确对车辆进行定位，可以防止车辆被盗。
2、本发明采用4G无线通信模块实现主控模块与云服务器监测中心之间的通信，方便用户实现对车辆的远程监控，当污染物浓度超标时系统可以通信网络向预设的手机号码发送报警短信，可以保证车内人员的健康不受长期有害物质的威胁。
3、本发明采用一种改进型混合加密方法对云服务器监测中心的数据进行加密处理，可以保证车内人员的隐私安全，该方法提高了加密速度与安全性。
附图说明：
图1是DES和RSA混合算法的原理图。
图2是3DES算法的原理图。
图3是本发明的总体结构图。
图4是主控模块1的原理图。
图5是甲醛气体监测模块31的原理图。
图6是温湿度监测模块32的原理图。
图7是粉尘监测模块的33原理图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的结构及工作原理，本发明中各元器件的优选参数已标于附图中。
实施例1改进型混合加密方法总体方案
本发明的一种改进型混合加密方法是，用DES加密明文数据，用RSA加密DES密钥；同时使用3重DES作为DES的改进方案，对RSA采用改进型 Miller-Rabin算法进行素数的判定，利用滑动窗口算法进行模幂计算；
实施例2混合加密方法
参照图1，本发明的混合加密方法是，由于RSA算法密钥长但是加密速度慢，DES算法加密速度快但是存在密钥管理问题，因此用DES加密明文数据，用RSA加密DES密钥这样的组合既有较快的加密速度，因为明文数据是 DES加密的，又有很高的安全性，因为密钥经过了RSA加密；
实施例3 3重DES算法
参照图2，本发明的3重DES中，使用3个密钥K1,K2,K3依次加密明文，这样密钥长度达到了168位，从算法上来说是相当安全的，密文 c＝Ek3[Dk2[Ek1[m]]]；
实施例4改进型Miller-Rabin算法素数判定
本发明采用改进型Miller-Rabin算法进行素数的判定是，在把大整数送入到素性判别程序之前，将一些比较明显的合数虑除掉，首先可以排除的就是偶数和以5做尾数的数。然后用大数除小数的方法，选取53个小素数对大整数做除法运算，具体步骤如下：
(1)随机生成大整数n；
(2)选取从2开始的一组长度为53的素数组，记为a[i]；
(3)i＝0；
(4)当i<53时，计算y＝nmod a[i]的值；
(5)若y＝0，则说明可以整除，不是素数；否则，i＝i++，转到(4)；
其次，用改进的Miller-Rabin算法对上面的过滤后的数进行素性判定。改进的素数判定算法就是用Montgomery快速模幂算法，对Miller-Rabin算法里面的模幂运算进行优化处理，
Montgomery算法描述：
Monpro(A,B,N)＝ABR-1(mod N)
其中R是以2为基的幂次，并且当R为2k时，N需满足2k-1≤N＜2k同时需满足gcd(R,N)＝1，该算法最大的特点就是将除法运算转化为移位运算，大大提升了运算速率；
实施例5滑动窗口算法进行模幂计算
本发明利用滑动窗口算法进行模幂计算，模幂的计算即Ce mod n，使用滑动窗口算法将Ce mod n中的指数e进行模块化处理，窗口长度为3，将化简后的e带入到算式Ce modn中，减少了计算量；
实施例6本发明的系统整体结构
参照图3，本发明的一种车内环境监测系统，结构主要包括主控模块(1)，4G 无线通信模块(2)，传感器模块(3)，图像采集模块(4)，GPS定位模块(5)，云服务器监测中心(6)六个部分。主控模块(1)与传感器模块(3)、图像采集模块(4)相连实现车内环境的信息采集，主控模块(1)与GPS定位模块(5) 相连实现定位功能，主控模块(1)与云服务器监测中心(6)通过4G无线通信模块(2)进行通信。在云服务器监测中心(6)可以对车内数据进行查询，本发明能够有效的对车内环境进行实时监测；
实施例7本发明的主控模块1
参照图4，所述的主控模块1的结构为：本设计采用STM32F103C8T6作为主控模块，其内部集成了一颗高性能的ARM CortexTM-M3 32位的RISC内核，本设计采用的是LQFP48封装形式，共48个管脚。最小系统包括晶振、复位电路，BOOT接口电路，两个晶振分别为8M和32.768K。系统使用3个USART 口，对应管脚分别为PA9、PA10；PA2、PA3；PB10、PB11分别和甲醛传感器模块、4G无线通信模块、图像采集模块对应的通信接口相连接；PA11管脚和具有ADC功能的PA6管脚与粉尘传感器模块连接；PA12管脚连接温湿度传感器模块DATA接口，单总线温湿度数据并用。
实施例8，本发明的4G无线通信模2
所述的4G无线通信模块2的结构为：Quectel EC20 4G无线通信芯片，发送端与接收端分别与STM32F103主控模块的PA2、PA3相连接，采用高通 MDM9215平台，支持内置丰富的网络协议，集成多个工业标准接口，支持多种操作系统和软件功能，极大地拓展了EC20Mini PCIe的使用场景范围与应用功能。EC20Mini PCIe采用标准的Mini PCIe封装，为设计和使用提供了极大便利。
实施例9，本发明的甲醛监测模块31
参照图5，所述的甲醛气体监测模块31的结构为：ZE08-CH2O甲醛传感器模块管脚1为HD校零、暂不开放；管脚2为DAC对应0.4V～2V；管脚3为GND 接地；管脚4为Vin作为电压输入3.7V～9V，本设计使用5V为模块供电；管脚 5为UART_RXD提供0～3.3V数据输入；管脚6为UART_TXD提供0～3.3V数据输出；管脚7为PWM脉冲宽度调制。ZE08-CH2O甲醛传感器模块的UART_RXD管脚和UART_TXD管脚应分别与STM32F103主控模块的PA9引脚USART1_TX和PA10引脚USART2_RX相连接。
实施例10，本发明的温湿度检测模块32
参照图6，所述的温湿度监测模块32的结构为：DHT11型号温湿度传感器模块，DHT11采用4针单片的引脚封装方式，方便连接；DATA作为单线制串行接口；此外，DHT11温湿度传感器模块具有抗干扰能力强、系统功耗低、响应迅速、使用成本低等突出优点。DHT11引脚1为VCC，系统为其提供5V电压供电；引脚2为DATA串行数据、单总线接口，接STM32F103主控模块的PA12 管脚作为数据传输线；引脚4接地。
实施例11，本发明的粉尘监测模块33
参照图7，所述的粉尘监测模块33的结构为：GP2Y1010AU0F粉尘传感器的管脚1为V-LED，电阻R2和电容EC2分别为150Ω和220μF的电解电容；管脚2为LED-GND端接地；管脚3为LED接Q1的C端，晶体管可以增加传感器管脚3的驱动能力，Q2采用8050(NPN管)，其B端要接STM32F103主控模块的PA11管脚，为GP2Y1010AU0F粉尘传感器提供脉冲信号的输入；管脚4为GND接地；管脚5为Vo作为传感器电压输出端，接STM32F103主控模块内部ADC模拟输入管脚PA6；管脚6为VCC，接5V高电平。PA5是为测试用而预留的端口，并不影响系统功能。
实施例12，本发明的图像采集模块4
所述的图像采集模块4的结构为：采用PTC08型号摄像头，将STM32F103 主控模块的PB11引脚USART3_RX和PB12引脚USART3_TX与PTC08型号摄像头的接收端与发送端相连，摄像头内部含有高性能数字信号处理芯片可实现对原始图像的高比例压缩，PTC08摄像头总体包含拍摄控制、图像采集、数据压缩等核心功能。此外，PTC08摄像头提供了红外补光功能可供选择，以便在光线较暗的情况下采集到清晰的图像。标准的通信接口和简单的图像传输协议能够实现与电脑和嵌入式系统的有效通信。采集到的图像输出采用JPEG格式，兼容各种图像处理软件。PTC08摄像头的工作机理是通过主控模块STM32F103的控制指令配置摄像头的工作模式、图像大小、波特率、图片长度等信息。当摄像头接收到拍照指令时，将立即响应指令进行图片采集，并将采集到的图片信息暂存于内存中以便STM32F103调用和读取。
实施例13，本发明的GPS定位模块5
所述的GPS定位模块5的结构为：采用ATK-NEO-6M GPS模块， ATK-NEO-6M GPS模块的接收端与发送端分别与主控模块STM32F103的PA1，PA7相连接，采用最先进的技术，自带无源陶瓷天线和可充电的后备电池，不需要购买昂贵的有源天线，节约成本，同时若主电源关闭，仍可以接收和保存数据。一般情况下，如果信号比较微弱，GPS接收机的精度和定位速度会受到很大影响，此模块可以通过内部加速的方法得到卫星信号，避免这一问题的出现。此外，模块采用了RF结构，可以有效减少噪声干扰，提高定位精度。ATK-NEO-6M GPS 模块只有25.5mm*31mm，非常小巧，很好的满足本系统对尺寸的要求。其特性参数如下：接口特性，使用TTL电平，兼容3.3V和5V单片机系统；最大5Hz 的更新速率；2.5mCEP定位精度；捕获追踪灵敏度为-161dBm；在冷启动状态下最快27S的捕获时间，热启动只需1S。NEO-6M GPS模块采用串口方式和外部设备连接，输出的定位数据采用NMEA-0183协议，控制协议是UBX协议。
实施例14，本发明的云服务器监测中心6
所述的云服务器监测中心6结构为：包括Tomcat Web服务器和MySQL数据库。通过Java Socket编程建立云服务器与4G无线通信模块的TCP连接，实现甲醛、粉尘、温湿度、图片信息的接收和存储。使用JSP+Servlet+JavaBean完成JavaWeb工程的开发，满足用户通过Web页面对实时数据、历史数据、历史图片信息的查询。
使用JSP+Servlet+JavaBean完成JavaWeb工程的开发，通过JDBC建立与 MySQL数据库的连接，具体操作过程主要包括：创建动态连接获取Connection 对象，执行SQL语句，处理数据库返回结果，关闭数据库连接以上4个过程。采用MySQL数据库来管理由4G无线通信模块上传来的数据，并实现数据的增、删、改、查等相关操作。
实施例15本发明的主程序

Claims (3)

1.一种改进型的混合加密方法，用DES加密明文数据，用RSA加密DES密钥；同时使用3重DES作为DES的改进方案，对RSA采用改进型Miller-Rabin算法进行素数的判定，利用滑动窗口算法进行模幂计算；
所述的使用3重DES作为DES的改进方案具体是，在3重DES中，使用3个密钥K1,K2,K3依次加密明文，使密钥长度达到168位，密文c＝Ek3[Dk2[Ek1[m]]]；
所述的采用改进型Miller-Rabin算法进行素数的判定具体是，在把大整数送入到素性判别程序之前，首先将偶数和以5做尾数的比较明显的合数虑除掉，然后用大数除小数的方法，选取53个小素数对大整数做除法运算，所述的大整数是大于150位且小于300位的十进制整数，所述的小素数是小于20位的十进制素数，具体步骤如下：
(1)随机生成大整数n；
(2)选取从2开始的一组长度为53的素数组，记为a[i]；
(3)令i＝0；
(4)当i<53时，计算y＝nmod a[i]的值；
(5)若y＝0，则说明可以整除，不是素数；否则，令i＝i++，返回步骤(4)；
其次，用改进的Miller-Rabin算法对上面的过滤后的数进行素性判定；改进的素数判定算法就是用Montgomery快速模幂算法，对Miller-Rabin算法里面的模幂运算进行优化处理，
Montgomery算法描述：
Monpro(A,B,N)＝ABR-1(mod N)
其中R是以2为基的幂次，并且当R为2k时，N需满足2k-1≤N＜2k同时需满足gcd(R,N)＝1；
所述的利用滑动窗口算法进行模幂计算具体是，使用滑动窗口算法将Ce mod n中的指数e进行模块化处理，窗口长度为3，将化简后的e带入到算式Ce mod n中，其中Ce mod n即是模幂的计算。
2.一种权利要求1的改进型混合加密方法在车内环境监测系统中的应用，其特征在于，车内环境监测系统的主控模块与云服务器之间的通信是利用所述的改进型混合加密方法进行加密的，所述的车内环境监测系统结构有主控模块(1)，4G无线通信模块(2)，传感器模块(3)，图像采集模块(4)，GPS定位模块(5)，云服务器监测中心；所述的主控模块(1)与云服务器监测中心(6)通过4G无线通信模块(2)，利用所述的改进型的混合加密方法进行通信；主控模块(1)与传感器模块(3)、图像采集模块(4)相连实现车内环境的信息采集，主控模块(1)与GPS定位模块(5)相连实现定位功能，云服务器监测中心(6)用来存储车内的环境信息；所述的传感器模块(3)由甲醛传感器中心(31)、温湿度传感器中心(32)和粉尘传感器中心(33)构成；
所述的主控模块(1)是ARM芯片STM32F103C8T6，ARM芯片的3个USART口，即管脚PA9、PA10；PA2、PA3；PB10、PB11分别和甲醛传感器中心(31)、4G无线通信模块(2)、图像采集模块(4)对应的通信接口相连接；PA11管脚和具有ADC功能的PA6管脚与粉尘传感器中心(33)连接；PA12管脚连接温湿度传感器中心(32)的DATA接口，单总线温湿度数据并用；
所述的4G无线通信模块(2)的结构为：Quectel EC20 4G无线通信芯片，发送端与接收端分别与主控模块(1)的ARM芯片的PA2、PA3相连接；
所述的甲醛气体监测中心(31)的结构为：ZE08-CH2O甲醛传感器模块的UART_RXD管脚和UART_TXD管脚应分别与主控模块(1)的ARM芯片的PA9引脚USART1_TX和PA10引脚USART2_RX相连接；
所述的温湿度传感器中心(32)的结构为：DHT11温湿度传感器引脚1接5V电源；引脚2接主控模块(1)的ARM芯片的PA12管脚作为数据传输线；引脚4接地；
所述的粉尘传感器中心(33)的结构为：GP2Y1010AU0F粉尘传感器的管脚1接电阻R2的一端和电解电容EC2的正极，电阻R2的另一端接5V电源，电解电容EC2的负极接地；GP2Y1010AU0F粉尘传感器的管脚2为LED-GND端接地；管脚3接NPN型三极管Q2的C端，NPN型三极管Q2的B端通过电阻R1接主控模块(1)的ARM芯片的PA11管脚，为GP2Y1010AU0F粉尘传感器提供脉冲信号的输入；GP2Y1010AU0F粉尘传感器的管脚4为GND接地，管脚6接5V电源，管脚5作为传感器电压输出端，接主控模块(1)的ARM芯片的内部ADC模拟输入管脚PA6；
所述的图像采集模块(4)的结构为：PTC08型号摄像头的接收端和发送端分别与主控模块(1)的ARM芯片的PB11引脚USART3_RX和PB12引脚USART3_TX相连；
所述的GPS定位模块(5)的结构为：ATK-NEO-6M GPS模块的接收端和发送端分别与主控模块(1)的ARM芯片的PA1，PA7端口相连接；
所述的云服务器监测中心(6)结构包括Tomcat Web服务器和MySQL数据库；云服务器监测中心(6)与4G无线通信模块(2)通过Java Socket编程建立TCP连接，且使用本发明所述的改进型的混合加密方法对传输的数据进行加密，实现甲醛、粉尘、温湿度、图片信息的接收和存储。
3.根据权利要求2所述的一种改进型混合加密方法在车内环境监测系统中的应用，其特征在于，所述的粉尘传感器中心(33)中各元件的具体参数为，R1：1KΩ,R2：150Ω，各电容参数分别为C1：104uF,C2：104uF,EC1：220uF,EC2:220uF,三极管Q1，Q2型号为8050，电源电压VCC均为+5V。
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