CN110070658A - 基于加密短信的主从多级gsm遥控反馈智能门锁及其加密算法 - Google Patents

基于加密短信的主从多级gsm遥控反馈智能门锁及其加密算法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种基于加密短信的主从多级遥控反馈智能门锁及其加密算法，硬件包括客户端、通讯单元、主控单元、指纹身份校验单元、限流保护模块、语音播报单元、EEPROM、触摸显示屏、继电器和门锁；所述通讯单元通过GSM网络接收并识别客户端指令信息，通讯单元通过USART与主控单元连接，主控单元通过限流保护模块与继电器连接，继电器控制门锁卡口开合；指纹身份校验单元通过USART与主控单元连接，读取指纹信息并比较，语音播报单元通过USART与主控单元连接，实现实时语音状态反馈，主控单元通过与EEPROM连接，实现主从机号码信息的存储与提取。本发明一机一次一密，在减低单片机运算的基础上，大大增强了安全性能。

Description

基于加密短信的主从多级GSM遥控反馈智能门锁及其加密 算法
技术领域
本发明涉及远程控制技术领域，具体为一种加密短信的多控制权级别的GSM远程反馈智能门锁及其加密算法。
背景技术
随着人们对生活质量要求的升高，面对面实时控制装置已经不能满足人们的需求，结合智能手机的普及与智能手机安全性能的提升，远程控制走进生活已成为如今的主流。
目前市面上的远程控制产品只要是基于WI-FI，蓝牙，红外控制，控制距离要求较高，安全性能较差，稳定性能不强，且多数需要下载对应APP等特定控制端，同时多数控制器未对控制权限级别进行区分，容易使非法人员夺取控制权。而智能门锁的安全性RSA产生密钥很麻烦，受单片机运算速度限制和素数产生技术的限制，因而难以做到一次一密，这对于经常使用的远程控制来说安全性能受到了影响，且大大加大的数据的运算量。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于加密短信的主从多级遥控反馈智能门锁及其加密算法。
本发明包括客户端、通讯单元、主控单元、指纹身份校验单元、限流保护模块、语音播报单元、EEPROM、触摸显示屏、继电器和门锁；所述通讯单元通过GSM网络接收并识别客户端指令信息，通讯单元同时通过USART与主控单元连接，通讯单元向主控单元传送所接收到的指令信息，主控单元将要发送反馈的信息传送给通讯单元；主控单元通过限流保护模块与继电器连接，继电器控制门锁卡口开合；识别包括指纹身份校验单元和语音播报单元，指纹身份校验单元通过USART与主控单元连接，读取指纹信息并比较，语音播报单元通过USART与主控单元连接，实现实时语音状态反馈，主控单元通过I2C与EEPROM连接，实现主从机号码相关信息的存储与提取；触摸显示屏通过SPI与主控单元连接，实现状态显示和号码输入相关功能。
所述的主控单元为STM32F103、STM32F407、TMS320F28335或K66P144M180SF5V2，指纹身份校验单元为AS608或FPC1011F3，GSM通讯单元为SIM800C或SIM900A，语音播报单元为SYN7318或XFS5152、LD3320的组合，限流保护模块为INA139、WCS2705、WCS1500或WCS1700，EEPROM为AT24C02、TSOC-6或1-Kbit，触摸显示屏为4.3'TFTLCD。
本发明基于加密短信的主从多级GSM遥控反馈智能门锁及其加密算法包括以下过程：
1、GSM通讯模块接收短信指令；
2、主控单元从EEPROM提取并比对比对手机号码、手机号码对应的密钥；
3、主控单元比对成功，发送指令给继电器，完成开锁动作，储存在主控单元的BKP寄存器中的控制次数随之增加；比对过程若有任意步骤未成功，则发送报警短信个客户端主机，若主控单元检测到在比对未成功状态下继电器已完成开锁则触发警报，同时拨打报警电话给客户端，主控单元判定控制次数是否达到次数阈值，若达到则触发矫正，未达到则转入第5步；
令使用次数为N，判定次数阈值Nmax为30，即累计控制30次触发以下矫正运算一次。Nmax也可以根据具体安全需要定义其他的常数。
一天内24小时分别定义对应标识符，首次赋予出厂的常用判别数αi，分别记为α1～α24(αi范围为0～23)：
α1＝1，α2＝1，α3＝1，α4＝1，α5＝1，α6＝2，α7＝3，α8＝4，α9＝5，α10＝15，α11＝15，α12＝16，α13＝18，α14＝18，α15＝18，α16＝20，α17＝21，α18＝23，α19＝22，α20＝21，α21＝20，α22＝15，α23＝9，α24＝2；
主控单元读取每次接收短信指令小时数并记录每小时数对应次数ni，分别记为n1～n24，分别记录在主控单元的BKP寄存器中。
定义βi为样本判别值：为不常用样本，为常用样本,根据常用判别数系统得到自定义：αi≤10为不常用样本，αi≥20为常用样本，定义αi≥20，时为被判定为常用的常用样本TP；αi≥20，时为被判定为常用的不常用样本FP，αi≤10，时为被判定为不常用的常用样本FN，αi≤10，时为被判定为不常用的不常用样本TN。这样得到：
准率P：系统判定为常用的样本中为真正常用的样本占比
全率R：真正常用的样本中系统判定为常用的样本为占比
当控制次数达到控制阈值，即N＝Nmax时进行修正判定，若P≤0.7或R≤0.9触发以下修正函数，其中为修正后的常用判别数：
FP组数据：αi *＝αi-20(αi-20≥0)
FN组数据：αi *＝αi+20(αi+20≤23)。
4、生成时间习惯矫正随机数
时间习惯矫正随机数生成过程如下：
定义习惯近数λ：最近30天所有取得样本对应常用判别数αi的算术平均值；
定义习惯远数μ：过去30天所有取得样本对应常用判别数αi的算术平均值(初值定义为23)
定义临时读取数νh：系统读取短信提炼出的小时值对应的常用判别数αi值；
定义临时读取数νm：系统读取短信提炼出的分钟值除以10所得的算术值取整；主控单元计算时间习惯随机数：
5、主控单元新生成新六位数随机密码，存储于EEPROM，覆盖之前的密码，同时主控单元读取继电器状态，将反馈状态信息与新六位数随机密码经时间习惯矫正随机数η结合RSA加密算法对短信进行加密，在主控单元根据RSA加密算法编码协议得到加密编码之后、生成明文加密发送之前，将时间习惯矫正随机数η与加密编码的每一位分别相加，达到加密效果。
6、GSM通讯单元将加密后的短信发送给客户端，客户端读取继电器状态，并得到下一次开门的密码，即一机一次一密，在信息明文发送时也不会被拦截破解，大大增强了智能门锁的安全性能。
本发明在智能门锁的基础上，对加密算法提出了习惯随机数的概念，既生成了保护安全性能的随机数，系统也可对用户习惯进行学习矫正，做到一机一次一密，在大大减低单片机运算的基础上，进一步增强安全性能。本发明安全性能高，分控制级别控制，保护了控制权，能实时反馈控制信息，解决了现实生活中远程控制的距离限制、安全性能问题，提高了控制稳定性，且方便用户使用，应用面广。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的工作流程示意图；
图3为本发明的EEPROM连接图；
图4为本发明的电流监测芯片连接图；
图5为本发明的稳压芯片连接图；
图6为本发明的指纹模块接口连接图；
图7为本发明的主控单元连接图。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括客户端、通讯单元、主控单元、指纹身份校验单元、限流保护模块、语音播报单元、EEPROM、触摸显示屏、继电器和门锁；所述通讯单元通过GSM网络接收并识别客户端指令信息，通讯单元同时通过USART与主控单元连接，通讯单元向主控单元传送所接收到的指令信息，主控单元将要发送反馈的信息传送给通讯单元；主控单元通过限流保护模块与继电器连接，继电器控制门锁卡口开合；识别包括指纹身份校验单元和语音播报单元，指纹身份校验单元通过USART与主控单元连接，读取指纹信息并比较，语音播报单元通过USART与主控单元连接，实现实时语音状态反馈，主控单元通过I2C与EEPROM连接，实现主从机号码相关信息的存储与提取；触摸显示屏通过SPI与主控单元连接，实现状态显示和号码输入相关功能。
图1中主控单元为STM32F103，指纹身份校验单元为AS608，通讯单元为SIM800C，语音播报单元为SYN7318，EEPROM为AT24C02，触摸显示屏为4.3'TFTLCD。
图2为本发明的工作过程。
虽然本发明主要描述了以上实施例，但是只是作为实例来加以描述，而本发明并不限于此。
如图3所示，EEPROM为AT24C02芯片，3.3V电源接到引脚8，同时经电容C5接地滤波，引脚1、引脚2、引脚3、引脚4和引脚7分别接地，3.3V电源经电阻R1连接到引脚6，引脚6接主控单元STM32F103C8T6的42引脚，3.3V电源经电阻R2连接到引脚5，引脚5接主控单元STM32F103C8T6的43引脚。
如图4所示，INA139为电流监测芯片，VDS网络接到引脚3与引脚5，VDD网络接到引脚4，同时引脚4通过采样电阻Rs1接到引脚3，引脚2接地，引脚1接到主控单元STM32F103C8T6的引脚10，同时引脚1经过电阻R8与电容C13并联的RC滤波环节接地。
如图5所示，MP1584为稳压芯片，VDD电源网络接到引脚7，同时经电容接地滤波，引脚2通过电阻R6接地，引脚6通过电阻R9接地，引脚5接地，引脚3通过电容C17与电阻R12串联后与C16并联的RC滤波环节接地，引脚4通过电阻R10接地，同时通过电阻R7接到5V电源，5V电源经过电容C14接地滤波，引脚1过肖特基二极管D1接地，同时经过电容C11接到引脚8,5V电源过电感L1接到引脚1，同时经电容C15接地滤波。
如图6所示，AS1为指纹模块接口，3.3V电源接引脚1和引脚6，引脚2接到主控单元STM32F103C8T6的22引脚，引脚3接到主控单元STM32F103C8T6的21引脚，引脚4接地，引脚5接到主控单元STM32F103C8T6的25引脚。
如图7所示，图7为主控单元STM32F103C8T6，引脚8、引脚47、引脚35、引脚23接地，3.3V电源接引脚9、引脚48、引脚36、引脚24，同时分别经过电容接地滤波，引脚10接INA139电流监测芯片的引脚1，21引脚接AS1指纹模块接口引脚3，22引脚接AS1指纹模块接口引脚2，引脚42接AT24C02芯片的引脚6。
本发明基于加密短信的主从多级GSM遥控反馈智能门锁及其加密算法包括以下过程，以主控单元为STM32F103进行说明。
1.GSM通讯模块接收短信指令；
2.STM32F103主控单元从EEPROM提取并比对比对手机号码、手机号码对应的密钥；
3.主控单元比对成功，发送指令给继电器，完成开锁动作，储存在主控单元的BKP寄存器中的控制次数随之增加；比对过程若有任意步骤未成功，则发送报警短信个客户端主机，若主控单元检测到在比对未成功状态下继电器已完成开锁则触发警报，同时拨打报警电话给客户端，STM32F103主控单元判定控制次数是否达到次数阈值，若达到则触发矫正，未达到则转入第5步；
i.令使用次数为N，判定次数阈值Nmax为30，即累计控制30次触发以下矫正运算一次。
ii.一天内24小时分别定义对应标识符，首次赋予出厂的常用判别数αi，分别记为α1～α24(αi范围为0～23)：
α1＝1，α2＝1，α3＝1，α4＝1，α5＝1，α6＝2，α7＝3，α8＝4，α9＝5，α10＝15，α11＝15，α12＝16，α13＝18，α14＝18，α15＝18，α16＝20，α17＝21，α18＝23，α19＝22，α20＝21，α21＝20，α22＝15，α23＝9，α24＝2
iii.主控单元读取每次接收短信指令小时数并记录每小时数对应次数ni，分别记为n1～n24，分别记录在主控单元的BKP寄存器中。
定义βi为样本判别值：为不常用样本，为常用样本,根据常用判别数系统得到自定义：αi≤10为不常用样本，αi≥20为常用样本，定义αi≥20，时为被判定为常用的常用样本TP；αi≥20，时为被判定为常用的不常用样本FP，αi≤10，时为被判定为不常用的常用样本FN，αi≤10，时为被判定为不常用的不常用样本TN。这样得到：
准率P：系统判定为常用的样本中为真正常用的样本占比
全率R：真正常用的样本中系统判定为常用的样本为占比
当控制次数达到控制阈值，即N＝Nmax时进行修正判定，若P≤0.7或R≤0.9触发以下修正函数：其中为修正后的常用判别数：
FP组数据：αi *＝αi-20(αi-20≥0)
FN组数据：αi *＝αi+20(αi+20≤23)
4.生成时间习惯矫正随机数
时间习惯矫正随机数生成过程如下：
定义习惯近数λ：最近30天所有取得样本对应常用判别数αi的算术平均值；定义习惯远数μ：过去30天所有取得样本对应常用判别数αi的算术平均值(初值定义为23)
定义临时读取数νh：系统读取短信提炼出的小时值对应的常用判别数αi值；定义临时读取数νm：系统读取短信提炼出的分钟值除以10所得的算术值取整；主控单元计算时间习惯随机数：
5.STM32F103主控单元新生成新六位数随机密码，存储于EEPROM，覆盖之前的密码，同时主控单元读取继电器状态，将反馈状态信息与新六位数随机密码经时间习惯矫正随机数η结合RSA加密算法对短信进行加密，在主控单元根据RSA加密算法编码协议得到加密编码之后、生成明文加密发送之前，将时间习惯矫正随机数η与加密编码的每一位分别相加，达到加密效果。
6.GSM通讯单元将加密后的短信发送给客户端，客户端读取继电器状态，并得到下一次开门的密码，即一机一次一密，在信息明文发送时也不会被拦截破解，大大增强了智能门锁的安全性能。
本说明书中所涉及的实例,其含义是结合该实施例描述的特地特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。说明书中出现于各处的这些术语不--定都涉及同一实施例。此外，当结合任一实施例描述特定特征、结构或特性时,都认为其落入本领域普通技术人员结合其他实施例就可以实现的这些特定特征、结构或特性的范围内。

Claims (9)

1.一种基于加密短信的主从多级遥控反馈智能门锁，其特征在于：包括客户端、通讯单元、主控单元、指纹身份校验单元、限流保护模块、语音播报单元、EEPROM、触摸显示屏、继电器和门锁；所述通讯单元通过GSM网络接收并识别客户端指令信息，通讯单元同时通过USART与主控单元连接，通讯单元向主控单元传送所接收到的指令信息，主控单元将要发送反馈的信息传送给通讯单元；主控单元通过限流保护模块与继电器连接，继电器控制门锁卡口开合；识别包括指纹身份校验单元和语音播报单元，指纹身份校验单元通过USART与主控单元连接，读取指纹信息并比较，语音播报单元通过USART与主控单元连接，实现实时语音状态反馈，主控单元通过与EEPROM连接，实现主从机号码相关信息的存储与提取；触摸显示屏通过SPI与主控单元连接，实现状态显示和号码输入相关功能。
2.如权利要求1所述的基于加密短信的主从多级遥控反馈智能门锁，其特征在于：所述的主控单元为STM32F103、STM32F407、TMS320F28335或K66P144M180SF5V2。
3.如权利要求1所述的基于加密短信的主从多级遥控反馈智能门锁，其特征在于：指纹身份校验单元为AS608或FPC1011F3。
4.如权利要求1所述的基于加密短信的主从多级遥控反馈智能门锁，其特征在于：GSM通讯单元为SIM800C或SIM900A。
5.如权利要求1所述的基于加密短信的主从多级遥控反馈智能门锁，其特征在于：语音播报单元为SYN7318，或者LD3320与XFS5152的组合。
6.如权利要求1所述的基于加密短信的主从多级遥控反馈智能门锁，其特征在于：限流保护模块为INA139，WCS2705、WCS1500或WCS1700。
7.如权利要求1所述的基于加密短信的主从多级遥控反馈智能门锁，其特征在于：EEPROM为AT24C02、TSOC-6或1-Kbit。
8.如权利要求1所述的基于加密短信的主从多级遥控反馈智能门锁，其特征在于：触摸显示屏为4.3'TFTLCD。
9.如权利要求1所述的基于加密短信的主从多级GSM遥控反馈智能门锁及的加密算法，其特征在于包括以下过程：
(1)GSM通讯模块接收短信指令；
(2)主控单元从EEPROM提取并比对比对手机号码、手机号码对应的密钥；
(3)主控单元比对成功，发送指令给继电器，完成开锁动作，储存在主控单元的BKP寄存器中的控制次数随之增加；比对过程若有任意步骤未成功，则发送报警短信个客户端主机，若主控单元检测到在比对未成功状态下继电器已完成开锁则触发警报，同时拨打报警电话给客户端，主控单元判定控制次数是否达到次数阈值，若达到则触发矫正，未达到则转入第5步；
令使用次数为N，判定次数阈值Nmax为30，即累计控制30次触发以下矫正运算一次；
一天内24小时分别定义对应标识符，首次赋予出厂的常用判别数αi，分别记为α1～α24：
α1＝1，α2＝1，α3＝1，α4＝1，α5＝1，α6＝2，α7＝3，α8＝4，α9＝5，α10＝15，α11＝15，α12＝16，α13＝18，α14＝18，α15＝18，α16＝20，α17＝21，α18＝23，α19＝22，α20＝21，α21＝20，α22＝15，α23＝9，α24＝2；
主控单元读取每次接收短信指令小时数并记录每小时数对应次数ni，分别记为n1～n24，分别记录在主控单元的BKP寄存器中；
定义βi为样本判别值：为不常用样本，为常用样本,根据常用判别数系统得到自定义：αi≤10为不常用样本，αi≥20为常用样本，定义αi≥20，时为被判定为常用的常用样本TP；αi≥20，时为被判定为常用的不常用样本FP，αi≤10，时为被判定为不常用的常用样本FN，αi≤10，时为被判定为不常用的不常用样本TN，这样得到：
准率P：系统判定为常用的样本中为真正常用的样本占比
全率R：真正常用的样本中系统判定为常用的样本为占比
当控制次数达到控制阈值，即N＝Nmax时进行修正判定，若P≤0.7或R≤0.9触发以下修正函数：其中为修正后的常用判别数，
FP组数据：αi*＝αi-20(αi-20≥0)
FN组数据：αi*＝αi+20(αi+20≤23)
(4)生成时间习惯矫正随机数
时间习惯矫正随机数生成过程如下：
定义习惯近数λ：最近30天所有取得样本对应常用判别数αi的算术平均值；
定义习惯远数μ：过去30天所有取得样本对应常用判别数αi的算术平均值；
定义临时读取数νh：系统读取短信提炼出的小时值对应的常用判别数αi值；
定义临时读取数νm：系统读取短信提炼出的分钟值除以10所得的算术值取整；主控单元计算时间习惯随机数：
(5)主控单元新生成新六位数随机密码，存储于EEPROM，覆盖之前的密码，同时主控单元读取继电器状态，将反馈状态信息与新六位数随机密码经时间习惯矫正随机数η结合RSA加密算法对短信进行加密，在主控单元根据RSA加密算法编码协议得到加密编码之后、生成明文加密发送之前，将时间习惯矫正随机数η与加密编码的每一位分别相加，达到加密码；
(6)GSM通讯单元将加密后的短信发送给客户端，客户端读取继电器状态，并得到下一次开门的密码。
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