CN109547216A - 一种基于段码显示器的动态令牌及其方法与应用 - Google Patents

一种基于段码显示器的动态令牌及其方法与应用 Download PDF

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Abstract

一种基于段码显示器的动态令牌及其方法与应用，该动态令牌包括段码显示器、单片机、电源和唤醒按钮，按一下唤醒按钮，使用计数值加一，单片机以其身份码、使用计数值和伪随机数作为自变量生成一个二进制字符串；将字符串中的一部分位数与段码显示器中的一部分段码进行对应，当这一部分位数中有位数的值为1，则其对应的段码点亮；从而组成段码显示器上的图案，可用于消防巡检中。本发明不需要专用的巡检棒装置，仅需使用带有拍照功能的手机即可实现巡检；能够实现计算机算法自动识别和验证，并具有良好的防伪功能；且显著降低了装置的硬件成本；本发明采用非通用的、不宜用人眼识读的抽象符号，有利于信息保密。

Description

一种基于段码显示器的动态令牌及其方法与应用
技术领域
本发明涉及一种动态令牌，具体涉及一种基于段码显示器的动态令牌及其方法。
背景技术
动态令牌是一种存储并显示密码的电子装置，其主要用途在于：能够在用户需要的时候显示一个用于特定目的的密码。
密码的形式并不仅限于人眼能够识别的数字、字母、文字等符号，也可以是诸如二维码的抽象图形。
随着二维码的普及与广泛应用，用于显示二位码的密码器也逐渐增多，现有技术通常采用带有点阵显示器的电子装置，以二维码形式显示密码信息。该装置的缺点在于：1）点阵显示器成本较高；2）点阵显示器功耗大。
另一方面，无论是现有的人眼能够识别的数字、字母、文字等符号，以及诸如二维码的抽象图形，都不利于信息保密，而其中的二维码是一种通用的编码，可以用任何类型的二维码扫描器识别。因此需要设计一种具有加密效果的图案显示方法与装置。
此外，现有的安防巡检模式主要包括巡检棒、静态令牌、纸质二维码等方式；
巡检棒是一种专用的数据读取设备。数据源，又称作信标、信源，是一类结构坚固的电子装置，内含唯一识别码，被安装在巡检点的建筑物或设备上。巡检员用巡检棒接触数据源，读取其中的识别码，以证明巡检员完成了巡检工作。巡检棒和数据源为专用电子装置，成本昂贵。
静态令牌是一种印刷的特殊图形符号或文字信息（例如密码），固定安装在巡检点。巡检员通过拍摄或人工识读并记录该令牌信息，证明自己到达过此地点进行巡查。为解决令牌防伪问题，通常要求对令牌增加附加验证信息，例如将带有主管签名和当天日期的卡片和令牌放在一起进行拍照。地标建筑也可以视作一种静态令牌，例如指定巡检员在特定位置拍摄某建筑物，由于天气、季节、昼夜、拍照角度的变化，此类照片很难伪造。但是静态令牌及防伪信息识读无法依靠计算机自动完成，造成很大的人力负担。
随着计算机人工视觉技术的发展，纸质二维码巡检成为一种成本低廉的手段。其原理是在巡检点粘贴一张含有唯一识别码信息的二维码标签，巡检员用手机或其他带有摄像头的设备扫描该标签，读取其二维码信息，以证明巡检员完成了巡检工作。但是此方法极易伪造，任何人都可以拍照复制该二维码，不去巡检点也能够应付巡检考勤任务。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于段码显示器的动态令牌及其方法，以克服现有技术的不足。
一种基于段码显示器的动态令牌，其特征在于该动态令牌包括一个段码显示器、单片机和电源，还有一个唤醒按钮，所述单片机的程序中预置身份码和使用计数值，或者单片机设有外置的存储器以存储预置身份码和使用计数值；其中所述身份码为出厂设置码，且每个动态令牌均不一样，该身份码用于识别动态令牌身份；
所述单片机还带有非易失性存储器（EEPROM），或者单片机设有外置的非易失性存储器（EEPROM）；
按下唤醒按钮之后，单片机进行以下操作：
1）单片机首先读取身份码和使用记数值；出厂时的使用计数值为零或其他自然数；按下一次唤醒按钮后，使用计数值加一；
3）单片机中的程序以身份码、使用计数值和伪随机数作为自变量生成一个二进制字符串；将字符串中的一部分位数与段码显示器中的一部分段码进行对应，当这一部分位数中有位数的值为1，则其对应的段码点亮；从而组成段码显示器上的图案；
4）段码显示器上保持图形显示10~60秒；
5）关闭显示器，使用计数值自增1，并写回非易失性存储器（EEPROM）；进入节电睡眠状态，直到下一次唤醒。
所述的基于段码显示器的动态令牌，其特征在于上述步骤3）中生成二进制字符串的方法是：
将身份码、计数值、伪随机数相互连接从而构成一个字符串，然后按照密码学中常用的置换运算、分组置换运算（DES运算）、多重DES运算的方式对该字符串进行加密，得到加密后的字符串。
所述的基于段码显示器的动态令牌，其特征在于所述的电源为光伏电池。
所述的动态令牌在消防巡检中的应用。
利用上述基于段码显示器的动态令牌进行消防巡检的方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将该动态令牌固定安装于巡检点；
2）巡检人员到达巡检点时，触发唤醒按钮，动态令牌显示一个段码符号；
3）巡检员用带有拍照功能的手持设备（例如智能手机、平板电脑、数码相机，甚至传统相机也可以）拍摄该段码符号；拍摄结果用作判断是否完成巡检的依据。
所述的方法，其特征是还包括4）判断步骤：通过将拍摄结果跟预先知道的段码图案比对，以判断是否完成本次巡检。由于算法已知，即可以预先知晓准确结果，故可通过与准确确结果比对以判断是否完成巡检。
所述的方法，其特征是所述的将拍摄结果跟预先知道的段码图案比对是采用人工识别的方式或软件识别的方式来进行比对。人工识别即人工判断所拍图案跟准确结果是否一致以进行判断，所述软件识别即利用软件方式完成对两个图案是否一致的判断，识别软件的开发属于人工视觉技术，可以采用多种现有方法实现，其识别技术不属于本专利，故本案对其不做限定。
所述的方法，其特征是所述的软件识别方式是在步骤3）拍摄段码符号之后，将拍摄结果上传，由上位机判断该结果是否为来自该动态令牌以及该图案对应的计数值，从而判断是否完成对该巡检点进行了巡检。
显然通过以上介绍可知，本发明还同时给出了几种二进制字符串的基于段码显示器的显示方法：
一种二进制字符串的基于段码显示器的显示方法，其特征在于：将一个二进制字符串中的全部或一部分位数与断码显示器中的一部分段码进行一一对应，当这一部分位数中有位数的值为1，则其对应的段码点亮，否则该位数对应的段码熄灭，从而获得显示于段码显示器上的图案。
一种二进制字符串的基于段码显示器的前加密显示方法，其特征在于：将一个二进制字符串按照密码学中常用的置换运算、分组置换运算（DES运算）、多重DES运算的方式对所选的一部分位数进行加密，得到加密后的二进制字符串；将加密后的二进制字符串中的全部或一部分位数与断码显示器中的一部分段码进行一一对应；然后，当这一部分位数中有位数的值为1，则其对应的段码点亮，否则该位数对应的段码熄灭，从而获得显示于段码显示器上的图案。
一种二进制字符串的基于段码显示器的后加密显示方法，其特征在于：将一个二进制字符串中的全部或一部分位数与段码显示器中的一部分段码进行一一对应；然后按照密码学中常用的置换运算、分组置换运算（DES运算）、多重DES运算的方式对全部或所选的一部分位数进行加密，得到加密后的字符串，当这一部分位数中有位数的值为1，则其对应的段码点亮，否则该位数对应的段码熄灭，从而获得显示于段码显示器上的图案。
一种二进制字符串的基于段码显示器和伪随机数的显示方法，其特征在于：将一个二进制字符串中的一部分位数与断码显示器中的一部分段码进行一一对应，当这一部分位数中有位数的值为1，则其对应的段码点亮，否则该位数对应的段码熄灭；将剩余的段码与一个二进制伪随机数的每一位进行一一对应，当伪随机数中有位数为1，则该位数对应的段码点亮，否则熄灭；从而获得显示于段码显示器上的图案。
与现有技术相比，本发明解决了如下问题：
与巡检棒相比，本发明提出的动态令牌不需要专用的巡检棒装置，仅需使用带有拍照功能的智能手机即可实现巡检功能。
与静态令牌相比，本发明提出的动态令牌能够实现计算机算法自动识别和验证，并具有良好的防伪功能。
与二维码动态令牌相比，本发明显著降低了装置的硬件成本。该装置使用的段码式液晶显示器的硬件成本和功耗远低于点阵式显示器，因此，与基于点阵显示器的二维码密码器相比，本方案具有更低的成本，在同样电池条件下具有更长的电池寿命和更长的待机时间。采用非通用的、不宜用人眼识读的抽象符号，有利于信息保密。
附图说明
图1是一个常规的段码显示器的屏幕，其可分为二十八段。
图2是基于段码显示器的动态令牌。其中，1唤醒按钮，2段码显示器，3单片机，4电源。
图3是带有光电传感器的动态令牌。其中，1唤醒按钮，2段码显示器，3单片机，4电源，5光电传感器。
具体实施方式
图1是一个常规的段码显示器的屏幕，其可分为二十八段。段码显示器常见的计算器显示屏就是一种典型段码显示器。
图2为本动态令牌的基本结构，图3为增加了光电传感器5的动态令牌，光电传感器即光敏电阻等设备。
如图1、2，一种基于段码显示器的动态令牌，其特征在于该动态令牌包括一个段码显示器2、单片机3和电源4，还有一个唤醒按钮1，所述单片机3的程序中预置身份码和使用计数值，或者单片机3设有外置的存储器以存储预置身份码和使用计数值；其中所述身份码为出厂设置码，且每个动态令牌均不一样，该身份码用于识别动态令牌身份；
所述单片机还带有非易失性存储器（EEPROM），或者单片机设有外置的非易失性存储器（EEPROM）；
按下唤醒按钮1之后，单片机3进行以下操作：
1）单片机3首先读取身份码和使用记数值；出厂时的使用计数值为零或其他自然数；按下一次唤醒按钮1后，使用计数值加一；
3）单片机3中的程序以身份码、使用计数值和伪随机数作为自变量生成一个二进制字符串；将字符串中的一部分位数与段码显示器2中的一部分段码进行对应，当这一部分位数中有位数的值为1，则其对应的段码点亮；从而组成段码显示器上的图案；
4）段码显示器2上保持图形显示10~60秒；
5）关闭显示器，使用计数值自增1，并写回非易失性存储器（EEPROM）；进入节电睡眠状态，直到下一次唤醒。
所述的基于段码显示器的动态令牌，其特征在于上述步骤3）中生成二进制字符串的方法是：
将身份码、计数值、伪随机数相互连接从而构成一个字符串，然后按照密码学中常用的置换运算、分组置换运算（DES运算）、多重DES运算的方式对该字符串进行加密，得到加密后的字符串。
增加使用计数的目的是为了让每次显示的内容不一样，避免使用者截留图形照片多次使用，克服了以静态二维码为代表的一类现有技术的不足；增加随机数的目的是为了让图形的变化更加复杂，避免人为的根据图形规律破解算法。
所述的基于段码显示器的动态令牌，其特征在于所述的电源为光伏电池。
所述的动态令牌在消防巡检中的应用。
利用上述基于段码显示器的动态令牌进行消防巡检的方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将该动态令牌固定安装于巡检点；
2）巡检人员到达巡检点时，触发唤醒按钮1，动态令牌显示一个段码符号；
3）巡检员用带有拍照功能的手持设备（例如智能手机、平板电脑、数码相机，甚至传统相机也可以）拍摄该段码符号；拍摄结果用作判断是否完成巡检的依据。
所述的方法，其特征是还包括4）判断步骤：通过将拍摄结果跟预先知道的段码图案比对，以判断是否完成本次巡检。
所述的方法，其特征是所述的将拍摄结果跟预先知道的段码图案比对是采用人工识别的方式或软件识别的方式来进行比对。
所述的方法，其特征是所述的软件识别方式是在步骤3）拍摄段码符号之后，将拍摄结果上传（通过各种网络），由上位机判断该结果是否为来自该动态令牌以及该图案对应的计数值，从而判断是否完成对该巡检点进行了巡检。
由于该抽象符号是唯一的，所以根据该抽象符号可以确认巡检员到达过该地点。因预先知道结果，故可完成识别判断，识别采用人工或软件识别均可。上位机识别则是采用自动化软件技术对所拍图像进行识别，而自动化软件的开发属于人工视觉技术，可以采用多种常规方法实现。其识别技术不属于本专利；本发明对其不做限定。
具体应用时还可进行以下拓展，对于如图2所示的简易装置，如果出现因故障导致的字符串不能全部显示完整，则需用户再按一下唤醒按钮，以更换显示字符串的下一帧。对于如图3所示的带有光电传感器的装置，则可通过手机闪光灯照短暂射传感器，指示动态令牌进行翻页，动态令牌切换显示字符串的下一帧；手机识别之后再次开闪光灯进行照射，指示动态令牌翻页；整个过程自动进行，无需用户手动干预。
本发明还同时给出了几种二进制字符串的基于段码显示器的显示方法：
一种二进制字符串的基于段码显示器的显示方法，其特征在于：将一个二进制字符串中的全部或一部分位数与断码显示器中的一部分段码进行一一对应，当这一部分位数中有位数的值为1，则其对应的段码点亮，否则该位数对应的段码熄灭，从而获得显示于段码显示器上的图案。
一种二进制字符串的基于段码显示器的前加密显示方法，其特征在于：将一个二进制字符串按照密码学中常用的置换运算、分组置换运算（DES运算）、多重DES运算的方式对所选的一部分位数进行加密，得到加密后的二进制字符串；将加密后的二进制字符串中的全部或一部分位数与断码显示器中的一部分段码进行一一对应；然后，当这一部分位数中有位数的值为1，则其对应的段码点亮，否则该位数对应的段码熄灭，从而获得显示于段码显示器上的图案。
一种二进制字符串的基于段码显示器的后加密显示方法，其特征在于：将一个二进制字符串中的全部或一部分位数与段码显示器中的一部分段码进行一一对应；然后按照密码学中常用的置换运算、分组置换运算（DES运算）、多重DES运算的方式对全部或所选的一部分位数进行加密，得到加密后的字符串，当这一部分位数中有位数的值为1，则其对应的段码点亮，否则该位数对应的段码熄灭，从而获得显示于段码显示器上的图案。
一种二进制字符串的基于段码显示器和伪随机数的显示方法，其特征在于：将一个二进制字符串中的一部分位数与断码显示器中的一部分段码进行一一对应，当这一部分位数中有位数的值为1，则其对应的段码点亮，否则该位数对应的段码熄灭；同时将剩余的段码与一个二进制伪随机数的每一位进行一一对应，当伪随机数中有位数为1，则该位数对应的段码点亮，否则熄灭；从而获得显示于段码显示器上的图案。
如上所述，本发明可以采用上位机对所拍摄段码显示器图案进行识别的查验方式，也可通过在智能手机上编写软件，用手机进行现场查验的方式（当然该方式所对应的软件也可用作上位机识别时的软件），具体可采用以下流程：
1）编写手机识别软件，在照相功能中设置一个与段码屏长宽比例相同的取景框，要求用户用此取景框对准段码屏进行拍摄操作。
2）在令牌设备的单片机上编制程序，让段码显示器逐段点亮，用手机软件对准屏幕，依次拍摄每个段点亮时的图片，将图片进行二值化处理，构成模板位图。所有段的模板位图构成模板组Mask[1…n]。
3）设用于显示的条码内容为K，将K转化为二进制序列Bit[1…n]，其中的每一个二进制位与段码显示器上的n个段一一对应。段对应的二进制位为1则显示，为0则熄灭。
4）在识别过程中，手机识别软件拍摄令牌设备显示的条码符号，将图片进行二值化处理之后，与模板组中的每个模板进行逐一比对。比对算法如公式1和公式2所示，即将模板与二值化后的图片进行或运算（两者都是黑白位图，黑色值为0，白色值为1）之后，检查残余的黑色像素的数量，如果模板中的黑色图案与图像中的对应位置匹配，则会保留模板中的黑色图案区域，匹配结果为成功；如果模板中的黑色图案与图像中的对应位置不匹配，则经过或运算得到的结果为白色，匹配结果为失败。如果该模板比对成功，则记录Mask_i对应的二进制位Bit_i的值为1，否则Bit_i的值为0。将Bit_i串联成二进制位队列Bit[1…n]，其对应值即为K，识别任务完成。
（1）
（2）
说明：公式1中，w，h分别为手机拍摄的段码图像的宽度和高度。模板的尺寸和段码图像的尺寸是完全一样的。将模板与图像叠加进行或操作，会留下两张图中都是黑色的重叠区域。（如果某个区域是模板上是白色，或者在图像上是白色，则经过或运算之后都变成了白色）。然后统计黑色重叠区域所占的像素数量a。
公式2中，如果a超过某个阈值ε，则认为该段匹配成功。ε的值通过测试来确定，该值太小会导致必须非常严格的对准取景框才能识别图像，用户实际操作困难；该值太大会导致较高的错误率。
5）也可以将模板和条码图案进行黑白反色之后（模板中段单元图案为白色，背景为黑色），用与运算进行处理，或者采用与或运算进行处理，其根本原理都是一样的。
加密方式是本发明的创新之一：
将身份码、计数值、伪随机数相互连接从而构成一个字符串，然后按照密码学中常用的置换运算、分组置换运算（DES运算）、多重DES运算的方式对该字符串进行加密，得到加密后的字符串。
其对应的解密过程是：
对段码图案进行识别，转换为二进制串，再转换成字符串（密文）。使用加密算法E对应的解密算法D将字符串转换为明文。明文信息包含身份码、计数值、伪随机数三部分。
对所显示段码图案进行识别时的检查逻辑为：
1、身份码与系统要求巡检员扫描的令牌身份码相符合
2、计数值大于上次巡检的计数值，且小于上次巡检的计数值+δ。建议δ取值为10。也就是说，正常情况下出错并重新取码的次数不会超过10次。
3、检查伪随机数，与此前生成的伪随机数序列重复概率应小于σ，建议σ取1%，超过此概率则提示随机数生成算法不良，或算法已被破解。

Claims (12)

1.一种基于段码显示器的动态令牌，其特征在于该动态令牌包括一个段码显示器（2）、单片机（3）和电源（4），还有一个唤醒按钮（1），所述单片机（3）的程序中预置身份码和使用计数值，或者单片机（3）设有外置的存储器以存储预置身份码和使用计数值；其中所述身份码为出厂设置码，且每个动态令牌均不一样，该身份码用于识别动态令牌身份；
所述单片机还带有非易失性存储器，或者单片机设有外置的非易失性存储器；
按下唤醒按钮（1）之后，单片机（3）进行以下操作：
1）单片机（3）首先读取身份码和使用记数值；出厂时的使用计数值为零或其他自然数；按下一次唤醒按钮（1）后，使用计数值加一；
3）单片机（3）中的程序以身份码、使用计数值和伪随机数作为自变量生成一个二进制字符串；将字符串中的一部分位数与段码显示器（2）中的一部分段码进行对应，当这一部分位数中有位数的值为1，则其对应的段码点亮；从而组成段码显示器上的图案；
4）段码显示器（2）上保持图形显示10~60秒；
5）关闭显示器，使用计数值自增1，并写回非易失性存储器；进入节电睡眠状态，直到下一次唤醒。
2.如权利要求1所述的基于段码显示器的动态令牌，其特征在于上述步骤3）中生成二进制字符串的方法是：
将身份码、计数值、伪随机数相互连接从而构成一个字符串，然后按照密码学中常用的置换运算、分组置换运算、多重DES运算的方式对该字符串进行加密，得到加密后的字符串。
3.如权利要求1所述的基于段码显示器的动态令牌，其特征在于所述的电源（4）为光伏电池。
4.权利要求1所述的动态令牌在消防巡检中的应用。
5.利用上述基于段码显示器的动态令牌进行消防巡检的方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将该动态令牌固定安装于巡检点；
2）巡检人员到达巡检点时，触发唤醒按钮（1），动态令牌显示一个段码符号；
3）巡检员用带有拍照功能的手持设备拍摄该段码符号；拍摄结果用作判断是否完成巡检的依据。
6.如权利要求5所述的方法，其特征是还包括4）判断步骤：通过将拍摄结果跟预先知道的段码图案比对，以判断是否完成本次巡检。
7.如权利要求6所述的方法，其特征是所述的将拍摄结果跟预先知道的段码图案比对是采用人工识别的方式或软件识别的方式来进行比对。
8.如权利要求6所述的方法，其特征是所述的软件识别方式是在步骤3）拍摄段码符号之后，将拍摄结果上传，由上位机判断该结果是否为来自该动态令牌以及该图案对应的计数值，从而判断是否完成对该巡检点进行了巡检。
9.一种二进制字符串的基于段码显示器的显示方法，其特征在于：将一个二进制字符串中的全部或一部分位数与断码显示器中的一部分段码进行一一对应，当这一部分位数中有位数的值为1，则其对应的段码点亮，否则该位数对应的段码熄灭，从而获得显示于段码显示器上的图案。
10.一种二进制字符串的基于段码显示器的前加密显示方法，其特征在于：将一个二进制字符串按照密码学中常用的置换运算、分组置换运算、多重DES运算的方式对所选的一部分位数进行加密，得到加密后的二进制字符串；将加密后的二进制字符串中的全部或一部分位数与断码显示器中的一部分段码进行一一对应；然后，当这一部分位数中有位数的值为1，则其对应的段码点亮，否则该位数对应的段码熄灭，从而获得显示于段码显示器上的图案。
11.一种二进制字符串的基于段码显示器的后加密显示方法，其特征在于：将一个二进制字符串中的全部或一部分位数与段码显示器中的一部分段码进行一一对应；然后按照密码学中常用的置换运算、分组置换运算、多重DES运算的方式对全部或所选的一部分位数进行加密，得到加密后的字符串，当这一部分位数中有位数的值为1，则其对应的段码点亮，否则该位数对应的段码熄灭，从而获得显示于段码显示器上的图案。
12.一种二进制字符串的基于段码显示器和伪随机数的显示方法，其特征在于：将一个二进制字符串中的一部分位数与断码显示器中的一部分段码进行一一对应，当这一部分位数中有位数的值为1，则其对应的段码点亮，否则该位数对应的段码熄灭；将剩余的段码与一个二进制伪随机数的每一位进行一一对应，当伪随机数中有位数为1，则该位数对应的段码点亮，否则熄灭；从而获得显示于段码显示器上的图案。
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