CN110969735A - 一种基于安全芯片架构的智能锁主控系统及方法 - Google Patents

一种基于安全芯片架构的智能锁主控系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于安全芯片架构的智能锁主控系统及方法，该系统将原有MCU+蓝牙模组+指纹模组的三芯片架构改进为蓝牙主控芯片+安全芯片的两芯片架构，系统结构简化的同时，成本和功耗均降低；此外，该系统加设安全芯片，将指纹传感器通过安全芯片与主控芯片连接，并将所有的敏感信息都保存和运行于安全芯片内，这样也在很大程度上提高了系统的安全性。该方法在智能锁主控系统中存在数据交互关系的各芯片间均设置安全校验环节，保证各芯片在交互过程中数据可以安全传输，该方法安全可靠，更能满足对智能锁安全等级要求高的使用需求。

Description

一种基于安全芯片架构的智能锁主控系统及方法
技术领域
本发明涉及智能锁的安全验证技术领域，更具体的说是涉及一种基于安全芯片架构的智能锁主控系统及方法。
背景技术
目前，随着智能锁的普及应用，智能锁的安全性能得到越来越多的使用者关注，现有的智能门锁内部主控系统的架构结构可参见附图1，由附图1可以看出，现有的智能门锁内部主控系统中主控MCU运行主控程序，密码、NFC敏感信息均保存于通用的主控MCU内；指纹模组为单独部分，模组内含通用算法芯片，算法运行于模组内，指纹数据存储于通用算法芯片内(一般为M3或者M4)，通过UART串口或者SPI接口和主控MCU通信；如果需要通信扩展的话，通过外插接口，外扩蓝牙模组，接口采用UART串口。
不难看出，现有的智能门锁内部主控系统存在如下问题：
1、敏感数据信息保存于通用芯片内，安全性不够，无法防止物理攻击；
2、指纹模组通过指令与主控通信，容易被替换攻击；
3、整体方案架构复杂，功耗高。
因此，如何提供一种安全等级高、结构更加简单的智能锁主控系统是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于安全芯片架构的智能锁主控系统及方法，该系统通过加设安全芯片并将所有的敏感信息都保存和运行于安全芯片内，且安全芯片与蓝牙主控芯片之间采用加密数据传输，有效优化和解决了目前众多智能锁主控系统存在的各类信息安全隐患问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种基于安全芯片架构的智能锁主控系统，该系统包括：蓝牙主控芯片、NFC芯片、安全芯片、按键芯片以及指纹传感器；
所述NFC芯片、安全芯片和按键芯片均与所述蓝牙主控芯片电连接，所述指纹传感器与所述安全芯片电连接；
所述指纹传感器用于采集用户的指纹信息，所述NFC芯片用于采集NFC卡信息，所述按键芯片用于获取用户录入的密码信息，所述安全芯片用于存储和运行指纹信息、NFC卡信息、密码信息及相关算法数据，所述蓝牙主控芯片用于运行主控程序并与外置设备通信。
进一步地，所述安全芯片选用型号为DMT-FAC-CG4Q的国密二级安全芯片。
经由上述技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种基于安全芯片架构的智能锁主控系统，该系统将原有MCU+蓝牙模组+指纹模组的三芯片架构改进为蓝牙主控芯片+安全芯片的两芯片架构，系统结构简化的同时，成本和功耗均降低；此外，该系统加设安全芯片，将指纹传感器通过安全芯片与主控芯片连接，并将所有的敏感信息都保存和运行于安全芯片内，这样也在很大程度上提高了系统的安全性。
另一方面，本发明还提供了一种基于安全芯片架构的智能锁主控方法，该方法包括：
将安全芯片与蓝牙主控芯片通过唯一的ID信息进行绑定；
每次开机后安全芯片对蓝牙主控芯片的固件做数据校验；
在蓝牙主控芯片首次上电时，将绑定信息写入按键芯片，每次开机后蓝牙主控芯片对按键芯片内的绑定信息进行校验；
将指纹传感器与安全芯片进行一对一绑定；
对包含NFC卡信息、按键信息和指纹信息中任一种的开锁信息进行校验。
进一步地，上述基于安全芯片架构的智能锁主控方法，还包括蓝牙主控芯片与外置设备连接后，进行双向身份鉴权，实时生成会话密钥，一话一密，并对传输数据加密处理。
进一步地，将指纹传感器与安全芯片进行一对一绑定的过程，具体包括：
获取指纹传感器的ID信息；
对获取到的ID信息加密并授权，得到授权文件数据。
进一步地，对开锁信息进行校验的过程，具体包括：
主控蓝牙芯片采集NFC卡信息或按键信息，并将NFC卡信息或按键信息进行加密传输给安全芯片；
安全芯片对加密后的NFC卡信息或按键信息进行判断和校验；
将校验结果加密并返回给主控蓝牙芯片；
采集指纹信息，安全芯片通过预设的指纹算法对指纹信息进行校验；
将校验结果加密并发出给主控蓝牙芯片。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于安全芯片架构的智能锁主控方法，该方法在智能锁主控系统中存在数据交互关系的各芯片间均设置安全校验环节，保证各芯片在交互过程中数据可以安全传输，该方法安全可靠，更能满足对智能锁安全等级要求高的使用需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为现有的智能门锁内部主控系统的结构架构示意图；
图2附图为本发明提供的一种基于安全芯片架构的智能锁主控系统的结构架构示意图；
图3附图为本发明提供的一种基于安全芯片架构的智能锁主控方法的流程示意图；
图4附图为本发明实施例中指纹传感器与安全芯片绑定过程的流程示意图；
图5附图为本发明实施例中按键信息/NFC卡信息校验过程的流程示意图；
图6附图为本发明实施例中指纹信息校验过程的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一方面，参见附图2，本发明实施例公开了一种基于安全芯片架构的智能锁主控系统，该系统包括：蓝牙主控芯片1、NFC芯片2、安全芯片3、按键芯片4以及指纹传感器5；
NFC芯片2、安全芯片3和按键芯片4均与蓝牙主控芯片1电连接，指纹传感器5与安全芯片3电连接；
指纹传感器5用于采集用户的指纹信息，NFC芯片2用于采集NFC卡信息，按键芯片4用于获取用户录入的密码信息，安全芯片3用于存储和运行指纹信息、NFC卡信息、密码信息及相关算法数据，蓝牙主控芯片1用于运行主控程序并与外置设备通信。
在一个具体的实施例中，安全芯片3选用型号为DMT-FAC-CG4Q的国密二级安全芯片。安全芯片就是TPM(TruSTed Platform Module)，可信任平台模块，是一个可独立进行密钥生成、加解密的装置，内部拥有独立的处理器和存储单元，可存储密钥和特征数据。
在本实施例中，选用的型号为DMT-FAC-CG4Q国密二级安全芯片主要特性如下表1所示：
表1芯片性能对照表
Figure BDA0002340889520000041
Figure BDA0002340889520000051
现有的安全认证系统中，存储卡中的安全芯片仅是做安全相关的运算；敏感数据(也可以称为真随机数)并不存储于安全芯片内，只是存储于一般的存储介质中；真随机数是通过量子随机数芯片产生的，安全芯片自身并不能产生真随机数。
而在本实施例中，安全芯片除了安全相关的运算，系统中的敏感数据也存储于安全芯片内置的存储空间内，且本实施例中的安全芯片自身支持生成真随机数功能。同时，本实施例中安全芯片通过上述安全机制的设置，对于敏感数据的保护更加安全可靠。
较优地，本实施例中对敏感数据操作摒弃了传统的量子芯片+存储卡的方式，而是采用安全芯片单芯片的方式，简化了系统硬件结构，成本和功耗将随之降低。
综上所述，本发明实施例公开的基于安全芯片架构的智能锁主控系统，与现有技术相比，具有如下优点：
该系统将原有MCU+蓝牙模组+指纹模组的三芯片架构改进为蓝牙主控芯片+安全芯片的两芯片架构，系统结构简化的同时，成本和功耗均降低；此外，该系统加设安全芯片，将指纹传感器通过安全芯片与主控芯片连接，并将所有的敏感信息都保存和运行于安全芯片内，这样也在很大程度上提高了系统的安全性。
另一方面，参见附图3，本发明实施例还公开提供了一种基于安全芯片架构的智能锁主控方法，该方法包括：
S1:将安全芯片与蓝牙主控芯片通过唯一的ID信息进行绑定；
S2:每次开机后安全芯片对蓝牙主控芯片的固件做数据校验；
S3:在蓝牙主控芯片首次上电时，将绑定信息写入按键芯片，每次开机后蓝牙主控芯片对按键芯片内的绑定信息进行校验；
S4:将指纹传感器与安全芯片进行一对一绑定；
S5:对包含NFC卡信息、按键信息和指纹信息中任一种的开锁信息进行校验。
在一个具体的实施例中，上述基于安全芯片架构的智能锁主控方法，还包括：S6:蓝牙主控芯片与外置设备连接后，进行双向身份鉴权，实时生成会话密钥，一话一密，并对传输数据加密处理。
在一个具体的实施例中，参见附图4，步骤S4中，将指纹传感器与安全芯片进行一对一绑定的过程，具体包括：
获取指纹传感器的ID信息；
对获取到的ID信息加密并授权，得到授权文件数据。
在一个具体的实施例中，步骤S5中，对开锁信息进行校验的过程，具体包括两种方式，一种是针对NFC卡信息/按键信息的，可以参见附图5，具体校验过程如下：
采集NFC卡信息或按键信息，并将NFC卡信息或按键信息进行加密传输给安全芯片；
安全芯片对加密后的NFC卡信息或按键信息进行判断和校验；
将校验结果加密并返回给主控芯片。
另一种是针对指纹信息的，可以参见附图6，具体校验过程如下：
采集指纹信息，并通过预设的指纹算法对指纹信息进行校验；
将校验结果加密并发出给主控芯片。
为了更加直观的说明本实施例方法改进后的优势，将原有智能锁开锁控制方式与本实施例中提供的主控方法进行比对，对比结果参见下表2：
表2本实施例方案与通用方案性对比参照表
Figure BDA0002340889520000061
Figure BDA0002340889520000071
本实施例中方案具备的安全特性如下：
A、主控模组具备唯一的ID信息
实现：安全芯片由于具备全球唯一物理ID信息，只读属性，和主控BLE芯片绑定一一对应关系
B、键盘模块防止移除和伪造功能
实现：蓝牙芯片首次上电时，将绑定信息写入按键芯片，完成一对一绑定。每次开机蓝牙芯片都首先对绑定信息进行校验，仅当绑定信息校验通过，蓝牙芯片才可以正常工作。
C、蓝牙芯片固件防篡改
开机后，安全芯片对蓝牙芯片的固件做数据校验，确保蓝牙芯片内固件安全可靠
D、蓝牙通信安全机制
实现：手机端和锁连接时，蓝牙通信进行双向身份鉴权，会话密钥实时生成，一话一密，传输数据加密处理。
E、安全芯片和蓝牙芯片通信采用安全握手，数据加密传输。
具体地，蓝牙芯片与安全芯片的安全认证流程如下：
1.蓝牙芯片生成16字节随机数R1，使用根密钥进行加密，发送给安全芯片。
2.安全芯片对收到的数据进行解密得到R1，同时生成16字节随机数R2，将R2与R1串联成32字节的数据，对此数据进行加密，加密后的数据发送给蓝牙芯片。
3.蓝牙芯片收到数据后进行解密，解密后判断后16字节是否为R1，如果对比一致，蓝牙芯片生成16字节会话密钥，并将会话密钥与安全芯片生成的随机数R2串联得到32字节的数据，然后将此32字节数据加密后发送给安全芯片。
4.安全芯片收到数据后解密，解密后判断后16字节是否为R2，如果对比一致，则前16字节就为会话密钥。
经此安全认证产生的会话密钥将用于后续的业务流程。
F、指纹采集器防移除功能，安全芯片和传感器一一绑定。
实现：通过加密狗对指纹传感器与算法芯片一一绑定，做到主要模块的功能唯一性。
综上所述，本发明公开的基于安全芯片架构的智能锁主控方法，与现有技术相比，具有如下优点：
该方法在智能锁主控系统中存在数据交互关系的各芯片间均设置安全校验环节，保证各芯片在交互过程中数据可以安全传输，该方法安全可靠，更能满足对智能锁安全等级要求高的使用需求。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种基于安全芯片架构的智能锁主控系统，其特征在于，包括：蓝牙主控芯片、NFC芯片、安全芯片、按键芯片以及指纹传感器；
所述NFC芯片、安全芯片和按键芯片均与所述蓝牙主控芯片电连接，所述指纹传感器与所述安全芯片电连接；
所述指纹传感器用于采集用户的指纹信息，所述NFC芯片用于采集NFC卡信息，所述按键芯片用于获取用户录入的密码信息，所述安全芯片用于存储和运行指纹信息、NFC卡信息、密码信息及相关算法数据，所述蓝牙主控芯片用于运行主控程序并与外置设备通信。
2.根据权利要求1所述的一种基于安全芯片架构的智能锁主控系统，其特征在于，所述安全芯片选用型号为DMT-FAC-CG4Q的国密二级安全芯片。
3.一种基于安全芯片架构的智能锁主控方法，其特征在于，包括：
将安全芯片与蓝牙主控芯片通过唯一的ID信息进行绑定；
每次开机后安全芯片对蓝牙主控芯片的固件做数据校验；
在蓝牙主控芯片首次上电时，分别将绑定信息写入按键芯片，每次开机后蓝牙主控芯片分别对按键芯片内的绑定信息进行校验；
将指纹传感器与安全芯片进行一对一绑定；
对包含NFC卡信息、按键信息和指纹信息中任一种的开锁信息在安全芯片内进行校验。
4.根据权利要求3所述的一种基于安全芯片架构的智能锁主控方法，其特征在于，还包括蓝牙主控芯片与外置设备连接后，进行双向身份鉴权，实时生成会话密钥，一话一密，并对传输数据加密处理。
5.根据权利要求3所述的一种基于安全芯片架构的智能锁主控方法，其特征在于，将指纹传感器与安全芯片进行一对一绑定的过程，具体包括：
获取指纹传感器的ID信息；
对获取到的ID信息加密并授权，得到授权文件数据。
6.根据权利要求3所述的一种基于安全芯片架构的智能锁主控方法，其特征在于，对开锁信息进行校验的过程，具体包括：
采集NFC卡信息或按键信息，主控蓝牙芯片将NFC卡信息或按键信息进行加密后传输给安全芯片存储；
每次开锁，安全芯片对加密后的NFC卡信息或按键信息进行解密后判断和校验；
将校验结果加密并返回给主控蓝牙芯片；
采集指纹信息，安全芯片通过预设在内的指纹算法对指纹信息进行校验；
将校验结果加密并发出给主控蓝牙芯片。
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