CN112118046B - 基于室内led可见光通信的加密电子投票选举系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于室内LED可见光通信的加密电子投票选举系统，用于各种室内投票和选举活动；包括中央控制设备，其直接连接控制会议室天花板上LED照明装置的所有LED小灯；LED照明装置，用于把中央控制设备传来的投票信息调制成光信号发射，并获取所有终端设备上选民的投票结果传输给中央控制设备；终端设备，用于接收座位上方的LED传输过来的投票信息文档，并把选民的投票结果通过光信号发送给仲裁者模块；仲裁者模块，其位于室内天花板正中央和桌面中间，用于接收各个方向发送的投票结果，验证消息来源的正确性然后转发给LED照明装置。

Description

基于室内LED可见光通信的加密电子投票选举系统及方法
技术领域
本发明涉及可见光通信领域，特别涉及一种基于室内LED可见光通信的加密电子投票选举系统及方法，以应用于各种室内投票和选举活动。
背景技术
投票是选举的一种方式，由选举人将所要选的人的姓名写在票上，或在印有候选人姓名的选票上做出标志，投入票箱。表决议案也有用投票方式的。大部分投票制度采取以少数服从多数的原则，通常是某一个方案若获得超过半数选民支持则会通过。当可供选择的方案多于两个，可能没有一个选项有超过半数支持，需要采取票数最多则获胜的原则。
D-H认证协议及增强必须有两个参与实体(C/S模式)，必须有网络通信部分。使用Hash散列函数SHA-1或MD5实现消息完整性验证及来源验证的增强设计，使用数字签名RSA防止仲裁者窜改伪造信息，引入可仲裁数字签名附加时间戳增加可靠性，而且可以对投票结果进行追溯验证。
现有技术中的无线电磁波通信过程中存在信息泄露被窃听的问题，因此，亟需一种可以解决现有电子投票系统的安全问题的加密电子投票选举系统。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于室内LED可见光通信的加密电子投票选举系统及方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种基于室内LED可见光通信的加密电子投票选举系统，用于各种室内投票和选举活动；所述加密电子投票选举系统包括中央控制设备、LED照明装置、终端设备和仲裁者模块，其中
中央控制设备，其直接连接控制会议室天花板上LED照明装置的所有LED小灯；
LED照明装置，用于把中央控制设备传来的投票信息调制成光信号发射，并获取所有终端设备上选民的投票结果传输给中央控制设备；
终端设备，用于接收座位上方的LED传输过来的投票信息文档，并把选民的投票结果通过光信号发送给仲裁者模块；
仲裁者模块，其位于室内天花板正中央和桌面中间，用于接收各个方向发送的投票结果，验证消息来源的正确性然后转发给LED照明装置。
其中，所述会议室天花板上LED照明装置的所有LED小灯使用荧光型白光LED，LED照明装置包括LED、可见光探测器、MCU模块以及外围电路。
其中，所述LED照明装置和终端设备是一一对应的，均位于会议室内的固定位置。
其中，所述LED照明装置中的每个LED发送的信号和中央控制设备接收来自每个LED的信号是同步的。
其中，所述选民随意选择会议室的座位，选民在触摸显示屏上选定候选人，然后终端设备使用私钥将投票结果加密生成一份电子签名信息。
作为本发明的另一方面，提供了一种如上所述的加密电子投票选举系统的方法，包括以下步骤：
初始化非对称密钥；
中央控制设备直接与室内LED相连，将要投票的电子文档数据发送到LED，通过每个LED发送光信号给与其对应的终端设备；
终端设备接收电子投票文档并显示在显示屏上，选民在触摸显示屏上选定候选人，然后终端设备通过加密运算把投票结果通过光信号发送给仲裁者模块中的仲裁者；
仲裁者接收并验证来自终端设备的投票结果，验证通过以后通过加密运算把投票结果通过光信号发送给LED照明装置；
LED照明装置解密仲裁者发来的信息，并把投票结果发送给中央控制设备；
中央控制设备统计每个LED发送来的投票结果，并公布总体投票结果。
其中，所述非对称密钥是LED照明装置、终端设备和仲裁者模块之间随机产生的公私密钥对，电子投票选举系统每次投票前都会初始化非对称密钥。
其中，所述加密运算使用的加密算法是非对称加密，通信之前各方无需共享任何信息，避免了合谋攻击；即使终端设备的私钥被窃取，只要仲裁者的私钥未被窃取，时间戳就不能被伪造；消息对除LED照明装置和终端设备之外的所有人保持机密性。
其中，所述LED照明装置中每个LED对应正下方位置的一个终端设备，且有各自的随机公私密钥对，多个终端设备之间发送的信号互不干扰且不易被窃听和伪造篡改信息。
其中，所述LED照明装置包括LED、可见光探测器、MCU模块以及外围电路；每次打开会议室的所有灯进行投票前，写入低功耗MCU中的固件程序产生随机数对作为非对称密钥对，控制外围电路的LED光信息发送以及可见光探测器的光信息接收。
基于上述技术方案可知，本发明的基于室内LED可见光通信的加密电子投票选举系统及方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一或其中的一部分：
本发明通过采用基于室内LED可见光通信的加密电子投票选举系统，通信时的有效信号的覆盖面积很大，且由于光的直线传播特性，解决了无线电磁波通信过程中存在信息泄露的问题，即解决了现有电子投票系统的安全问题，实现了投票的匿名性和公平性，用于各种室内投票和选举活动。
附图说明
图1是本发明基于室内LED可见光通信的加密电子投票选举系统结构示意图；
图2是本发明基于室内LED可见光通信的加密电子投票选举系统的工作原理流程图。
具体实施方式
可见光通信(Visible Light Communication)利用发光二极管LED(Li ght-emitting Diode)发出明暗变化的信号来传输信息，它是一种新的无线光通信手段，利用已有的照明设施，绿色环保，具有带宽高速率高，安全性好，无电磁干扰，无电磁辐射，可以在电磁敏感区使用等优点。
使用LED照明灯进行通信的一大优势在于有效信号的覆盖面积很大，且由于光的直线传播特性，能很好的控制通信的有效范围，有效覆盖面积比电磁波覆盖小，所以不容易泄露。解决了无线电磁波通信过程中存在信息泄露的问题。因此，可用于现有的电子投票系统中，实现了投票的匿名性和公平性。
本发明公开了一种基于室内LED可见光通信的加密电子投票选举系统，用于各种室内投票和选举活动；所述加密电子投票选举系统包括中央控制设备、LED照明装置、终端设备和仲裁者模块，其中
中央控制设备，其直接连接控制会议室天花板上LED照明装置的所有LED小灯；
LED照明装置，用于把中央控制设备传来的投票信息调制成光信号发射，并获取所有终端设备上选民的投票结果传输给中央控制设备；
终端设备，用于接收座位上方的LED传输过来的投票信息文档，并把选民的投票结果通过光信号发送给仲裁者模块；
仲裁者模块，其位于室内天花板正中央和桌面中间，用于接收各个方向发送的投票结果，验证消息来源的正确性然后转发给LED照明装置。
其中，所述会议室天花板上LED照明装置的所有LED小灯使用荧光型白光LED，LED照明装置包括LED、可见光探测器、MCU模块以及外围电路。
其中，所述LED照明装置和终端设备是一一对应的，均位于会议室内的固定位置。
其中，所述LED照明装置中的每个LED发送的信号和中央控制设备接收来自每个LED的信号是同步的。
其中，所述选民随意选择会议室的座位，选民在触摸显示屏上选定候选人，然后终端设备使用私钥将投票结果加密生成一份电子签名信息。
本发明还公开了一种如上所述的加密电子投票选举系统的方法，包括以下步骤：
初始化非对称密钥；
中央控制设备直接与室内LED相连，将要投票的电子文档数据发送到LED，通过每个LED发送光信号给与其对应的终端设备；
终端设备接收电子投票文档并显示在显示屏上，选民在触摸显示屏上选定候选人，然后终端设备通过加密运算把投票结果通过光信号发送给仲裁者模块中的仲裁者；
仲裁者接收并验证来自终端设备的投票结果，验证通过以后通过加密运算把投票结果通过光信号发送给LED照明装置；
LED照明装置解密仲裁者发来的信息，并把投票结果发送给中央控制设备；
中央控制设备统计每个LED发送来的投票结果，并公布总体投票结果。
其中，所述非对称密钥是LED照明装置、终端设备和仲裁者模块之间随机产生的公私密钥对，电子投票选举系统每次投票前都会初始化非对称密钥。
其中，所述加密运算使用的加密算法是非对称加密，通信之前各方无需共享任何信息，避免了合谋攻击；即使终端设备的私钥被窃取，只要仲裁者的私钥未被窃取，时间戳就不能被伪造；消息对除LED照明装置和终端设备之外的所有人保持机密性。
其中，所述LED照明装置中每个LED对应正下方位置的一个终端设备，且有各自的随机公私密钥对，多个终端设备之间发送的信号互不干扰且不易被窃听和伪造篡改信息。
其中，所述LED照明装置包括LED、可见光探测器、MCU模块以及外围电路；每次打开会议室的所有灯进行投票前，写入低功耗MCU中的固件程序产生随机数对作为非对称密钥对，控制外围电路的LED光信息发送以及可见光探测器的光信息接收。因为LED照明装置里面的MCU是基于esp8266芯片集成的电路，esp8266芯片是一款低功耗的物联网芯片，它有芯片睡眠和唤醒模式，能在不工作时自动休眠节能。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，是本发明提供的基于室内LED可见光通信的加密电子投票选举系统结构示意图，包括一台中央控制设备、固定位置的LED照明装置、固定位置的终端设备和仲裁者模块。中央控制设备直接连接控制会议室天花板上LED照明装置的所有LED小灯；LED照明装置把中央控制设备传来的投票信息调制成光信号发射；固定位置的终端设备接收座位上方LED传输过来的投票信息文档，并把选民的投票结果通过光信号发送给仲裁者模块；仲裁者模块位于室内天花板正中央和桌面中间，接收各个方向发送的投票结果，验证消息来源的正确性然后转发给LED照明装置；LED照明装置获取所有终端设备上选民的投票结果给中央控制设备，最后中央控制设备统计票数并公布总体投票结果。本发明解决了现有电子投票系统的安全问题，实现了投票的匿名性和公平性，用于各种室内投票和选举活动。
在本发明中，所述中央控制设备与LED照明装置的每个LED之间的距离差引起的信号到达的时间差很小，远小于信号的脉宽，所以可以认为LED照明装置中每个LED发送的信号和中央控制设备接收来自LED的信号是同步的。
如图2所示，是本发明基于室内LED可见光通信的加密电子投票选举系统工作原理流程图，包括如下步骤：
S1：初始化非对称密钥，Alice、Bob和仲裁者X随机产生公私密钥对(skAlice，pkAlice)，(skBob，pkBob)和(skx，pkx)，并通过光信号公开自己的公钥；
S2：中央控制设备把电子投票文档通过LED照明装置发送给对应正下方位置的终端设备，终端设备接收并解析光信号，恢复电子投票文档信息并显示在终端设备上；
S3：选民Bob现场随便自行选择座位，并在有效时间内在终端设备的触摸显示屏上选定候选人，投票完成后生成投票结果m，终端设备通过加密运算计算S＝EskBob[IDBob||EpkAlice(m||EskBob(H(m)))]，并将IDBob||S通过光信号发送给仲裁者X；
S4：仲裁者X检查Bob的公私密钥对的有效性，解密得到IDBob||EpkAlice(m||EskBob(H(m)))，验证正确以后通过加密运算计算Eskx[IDBob||EpkAlice(m||EskBob(H(m)))||T]，并将结果通过光信号发给Alice，其中T是仲裁者附加的可信赖时间戳；
S5：接收者Alice解密仲裁者X发来的信息得到IDBob||EpkAlice(m||EskBob(H(m)))||T，然后再用自己的私钥skAlice解密得到投票结果m。用EpkBob(H(m))对接收到的投票结果m取哈希值完成消息完整性验证及来源验证，然后将投票结果m和数字签名EpkAlice(m||EskBob(H(m)))保存起来，并把投票结果m发送给中央控制设备；
S6：中央控制设备接收LED照明装置的所有LED小灯发来的投票结果，统计票数并公布总体投票结果。
所述从Bob把投票结果安全的传输到Alice的过程使用了D-H认证协议及增强，LED照明装置作为服务器，终端设备作为客户端，形成实体C/S网络通信模式；用Hash散列函数SHA-1完成消息认证，实现消息完整性验证及来源验证的增强设计；仲裁者X是作为安全性验证的中间人，采取双密钥可仲裁数字签名RSA，仲裁者X不能获知消息。
所述投票相关规则包括合法选民规则、投票内容终止规则；所述投票内容包括本次投票活动的投票发起方、投票活动的具体内容、投票活动有效时间、指定参与选票的选民以及所有候选人信息。
选民使用的终端设备对私有选票内容的加密结果进行数字签名，保证每一选票来自合法有效的选民，并且选民的选票唯一不可重复。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于室内LED可见光通信的加密电子投票选举系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
初始化非对称密钥；其中，所述非对称密钥是LED照明装置、终端设备和仲裁者模块之间随机产生的公私密钥对，电子投票选举系统每次投票前都会初始化非对称密钥；
中央控制设备直接与室内LED相连，将要投票的电子文档数据发送到LED，通过每个LED发送光信号给与其对应的终端设备；
终端设备接收电子投票文档并显示在显示屏上，选民在触摸显示屏上选定候选人，然后终端设备通过加密运算把投票结果通过光信号发送给仲裁者模块中的仲裁者；
仲裁者接收并验证来自终端设备的投票结果，验证通过以后通过加密运算把投票结果通过光信号发送给LED照明装置；所述加密运算使用的加密算法是非对称加密，通信之前各方无需共享任何信息，避免了合谋攻击；即使终端设备的私钥被窃取，只要仲裁者的私钥未被窃取，时间戳就不能被伪造；消息对除LED照明装置和终端设备之外的所有人保持机密性；
LED照明装置解密仲裁者发来的信息，并把投票结果发送给中央控制设备；
中央控制设备统计每个LED发送来的投票结果，并公布总体投票结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述LED照明装置中每个LED对应正下方位置的一个终端设备，且有各自的随机公私密钥对，多个终端设备之间发送的信号互不干扰且不易被窃听和伪造篡改信息。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述LED照明装置包括LED、可见光探测器、MCU模块以及外围电路；每次打开会议室的所有灯进行投票前，写入低功耗MCU中的固件程序产生随机数对作为非对称密钥对，控制外围电路的LED光信息发送以及可见光探测器的光信息接收。
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