CN1145735C - 自主式随机动态密码锁系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自主式随机动态密码锁系统，由锁体和钥匙体组成，在锁体和钥匙体内的非易失性存储器中分别对应存储一组密码，开锁时，锁体内的微处理器核对密码，若相符则开锁，否则报警。每次开锁后，微处理器在各个存储器中写入一组对应的真随机码以备下次开锁用，实现一次一密。

Description

自主式随机动态密码锁系统

技术领域

本发明涉及一种自主式随机动态密码锁系统，特别涉及到这类密码锁的控制器。

背景技术

现有的电子密码锁其密码产生有三类方法：第一类方法是由使用者用键盘任意输入。这种方法要求使用者必须记忆密码，如果经常改变密码，或者在多个人使用同一把密码锁或一个人使用多把密码锁的情况下，如果把密码设成相同的，则安全性不好；如果把密码设成各不相同的，则记忆密码成为困扰用户的大问题。而且这类密码锁每次开锁操作都太繁琐，不能适合于老人，孩子和文化程度较低的人。第二类方法是在用户购买密码锁时，自由选定一个固定密码，同时写入锁和钥匙，开锁时两者自动核对。这类方法免除记忆密码的苦恼，广泛用于包括磁卡和IC卡的大量电子锁中。但是，一旦钥匙丢失或被他人仿制后，安全性受到极大威胁。要修改密码必须求助于专用设备和专业技术人员。第三类方法是在上述第二类方法的基础上增加某种加密算法，或者在使用者的特定操作(如启动某个开关)下，或者在每次成功开锁后自动按算法变换新密码。这类方法实现的动态密码有助于提高安全性，但是由于依赖算法，在计算机技术如此发达的今天，破译算法已经不是十分困难的事了。

因此，密码的产生和管理方法是决定电子密码锁能否普及到千家万户、能否普遍取代传统机械锁和机械密码锁的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种自主式随机动态密码锁，它既不需要使用者在开锁时输入合法密码，可以与传统开锁方法完全一样，即可开锁，操作简便，免除记忆密码的苦恼，而且在锁和钥匙内存放的不是固定密码，每次成功开锁后密码会自动更新，前后使用的密码之间没有任何数学关系，是真随机密码，根本杜绝了用计算机破译的可能性。要伪造出每次密码，唯一的办法是穷举，然而，只要使密码足够长，穷举成功的概率可以降低到任意小的程度，因此具有最理想的安全性。

本发明所提供的技术可适用于直接开锁或者无线遥控开锁等的各类密码锁。

本发明的自主式随机动态密码锁系统由锁体和钥匙体两部分组成，在这两部分之间必须具备双向通信的通道(有线的或无线的)。锁体中有锁机构部分和控制部分，其中控制部分由微处理器IC1、非易失性存储器IC2、真随机码发生器IC3等组成，通过一个输出驱动器IC5，所述控制器可控制锁体机构以及报警器IC6。另外，在钥匙体内也有一个非易失性存储器IC4。

采用本发明的密码锁是这样工作的：开始时，在锁体和钥匙体内的非易失性存储器IC2和IC4中对应地分别存入一组相应的密码，当钥匙体和锁体之间建立通信通道(有线或无线的)后，锁体微处理器IC1获取钥匙体存储器IC4中对应于本锁的密码，与本锁存储器IC2中对应于该钥匙的密码比较，若相符则控制驱动机构开锁，若不符则控制报警器报警。每次成功开锁后，微处理器IC1立即从真随机码发生器IC3中读取一组真随机码，分别替换存储器IC2和IC4(通过通信通道)中原来的对应密码，以供下次开锁时使用，实现一次一密。

因此，本发明的自主式随机动态密码锁系统的特征在于：在锁体内具有真随机码发生器IC3，开锁密码既不是由键盘输入，不是固定不变，也不是由任何算法产生的，而是来自该真随机码发生器。在每次成功开锁后，由微处理器自动从真随机码发生器中取出来一组新密码，然后同时存入锁体和钥匙体内的非易失性存储器中。

为达上述目的，本发明提供一种自主式随机动态密码锁系统，由锁体和钥匙体构成，锁体和钥匙体之间有双向通信通道，所述锁体包括锁机构部分和锁控制部分；所述钥匙体包括一个非易失性存储器IC4；其中，所述锁控制部分包括有微处理器IC1，非易失性存储器IC2，以及随机码发生器IC3，当锁体被开启时，所述微处理器IC1可以从真随机码发生器IC3中取出一个新的随机码以刷新锁体和钥匙体内的非易失性存储器IC2和IC4；所述锁控制部分通过一个内置于锁体内的输出驱动器IC5以驱动锁机构部分工作，所述随机码发生器IC3是一个真随机码发生器，其由一个振荡器，m序列发生器，D/A变换器，压控振荡器以及一个低频脉冲发生器构成；所述振荡器用于驱动m序列发生器发生序列码，所述D/A变换器用于使所述序列码变成按伪随机规律跳动的电平，所述压控振荡器受所述电平控制以发生一个跳频的扩频信号；所述低频脉冲发生器用于对所述扩频信号采样，产生真随机码。

附图说明

图1示意性说明本发明锁系统的锁体和钥匙体的功能框图；

图2产明本发明锁系统的工作流程；

图3说明真随机码产生的原理框图；

图4说明配制本发明锁系统的钥匙的工作流程；

图5举例说明本发明锁系统的结构；

图6举例说明本发明锁体控制部分的电路原理；

图7举例说明本发明锁体和各种钥匙体的内存数据的安排。

具体实施方式

本发明的自主式动态随机密码锁系统由锁体和钥匙体组成，参见图1，锁体和钥匙体之间有双向通信通道，该双向通信通道可以是有线的，也可以是无线的。锁体中的控制器由微处理器IC1、非易失性存储器IC2、真随机码发生器IC3等组成，该控制器通过一个输出驱动器IC5控制锁机构。该控制器还控制一个报警器IC6。另外，在本发明所述锁系统中的钥匙体内也有一个非易失性存储器IC4。

本发明的自主式密码锁系统的密码不由键盘输入，也不由任何算法算得，而是来自锁体内的真随机码发生器。在每次成功开锁后，由微处理器IC1自动地从真随机码发生器IC3中取出一组新密码，然后同时存入锁体和钥匙体内各自的非易失性存储器IC2和IC4内，以备下次开锁时使用。

所谓真随机码是区别于伪随机码而言的，后者虽也符合某些随机统计特性，但本质上还是具有一定的生成规律的，只要掌握这个规律，就可以由前一次密码预测出后一次密码，因而是不安全的，不是真正的一次一密。

真随机码则是在物理本质上具有随机性。产生真随机码的传统方法是选择一种噪声器件，例如雪崩二极管，设计一种电子电路将其物理过程中产生的噪声进行放大限幅，变成一系列脉宽不等的脉冲序列。然后用一个非相关低频时钟去采样，就可得到一个随机数字序列。由于脉冲序列的脉宽是由雪崩效应的微幅噪声及具体电子电路的各种因素(例如放大倍数、限幅阈值和工作点等)所决定的，因此为了使数字序列稳定保持良好的随机统计特性，往往需要采用温度补偿、恒温以及特殊设计稳定工作点的电路等技术措施，导致设备复杂、功耗大、体积大、不适合于制作单片集成电路，不适合于象锁具这样的用途。

与这种传统的放大—限幅—采样方案不同，本发明所采用产生真随机码的方案基于一个随机跳频的振荡源，然后用一个不相关的低频时钟去采样，就可以获得一个真随机的数字序列。

图3说明了本发明真随机码产生的原理。参见图3，有一个独立振荡器A，它驱动一个伪随机码(m序列)发生器B，B输出的序列码流经过D/A变换器变成按伪随机规律跳动的电平，用这个变化的电平信号控制一个压控振荡器(VCO)，就可以获得一个跳频的扩频信号。振荡器A的频率应低于压控振荡器中心频率的五分之一。再用另一个不相关的低频脉冲序列(其重覆频率一般应低于VCO下限频率十分之一)去采样VCO输出的扩频信号，就可以获得随机码。为了使0-1分布均匀性更好，在VCO输出被采样后再用D触发器将采样时钟分频后按位模2加到输出序列中。

需要指出的是，最后采样的低频时钟在本发明中就是由微处理器IC1在需要取新密码时给出的一串脉冲，因此不但在频率上与跳频振荡源不相关，而且每次取码的时刻也是完全随机的。

本发明所述的真随机码发生原理适合于做成单片集成电路，适合于在各种小体积装置中采用。

本发明锁系统的工作原理为首先使锁体与钥匙体建立通信联系，这时微处理器IC1分别从锁体和钥匙体的非易失性存储器IC2和IC4中取出密码A和B，并将其进行比较，若相符即可通过输出驱动器IC5驱动锁机构开锁，然后IC1从真随机码发生器IC3中取出一组真随机码并将之存在IC2和IC4中；若从IC2和IC4中取出的密码A和B不符，可由控制器给报警器IC6发出一个信号以驱动IC6报警，参见图2。鉴于此，本发明可实现一锁多码和一钥匙多锁的动态密码群管理，具体地说，在锁体和钥匙体的内存中都按锁号和钥匙号分区存放密码，对于不同锁的合法钥匙以及对于不同钥匙的合法锁，密码互不相同，都是随机密码，因此也是互无相关性的。在开锁时，按锁号和钥匙号检索密码并进行核对。这样的方案，使每一个人只需拥用一把钥匙可以开启所有允许他打开的锁，不仅免除了历来带一大把钥匙的烦恼，而且合法权的任意组合创造了极大的便利。例如宾馆中的服务员可以用一把钥匙打开属于他管理的所有户门，但是开不了房内的其它锁；客人可以用一把钥匙打开自己房门、房内的柜门和保险箱门等，但是开不了其它房间的锁。

本发明的另一重要特征在于其锁体对应于母钥匙、子钥匙和黑钥匙三种不同用途的钥匙，它们各有不同的功能特征码用以区分。子钥匙就是用于开锁的，可以配置多个；母钥匙是用于特许配制合法子钥匙的；黑钥匙是用于特许废止子钥匙合法权的。在母钥匙和黑钥匙的内存储器中，由用户在购锁时一次性写入任选的用户密码，同时写入到锁体内存储器中。当需要配制新子钥匙时，先使母钥匙与锁建立通信，核对用户密码，如核对无误，则可以将新子钥匙与锁通信，由锁体微处理器取一组随机密码同时存放新钥匙和锁体，使之成为合法。当需要废止某把原合法子钥匙时，则可以先将黑钥匙与锁建立通信，锁体微处理器将对应该子钥匙的密码消掉，该子钥匙自然成为非法了。当需要废止全部原来的子钥匙时，例如在丢失一把子钥匙后，只要在母钥匙与锁体通信并核对用户密码后，再使黑钥匙与锁体通信并核对用户密码后即可由锁体微处理器自动清除内存全部密码。在完成“清锁”的这一功能后，只要按配钥匙方法可以重新配制多个密码完全更新的子钥匙。

上述的工作原理参见图4，由于所有这些操作过程对用户来说都如同开锁一样简单，不需要任何专用设备和专用技术，所以是十分方便的。

在购买锁具时任选用户密码，微处理器自动将该用户密码分为两段A和B，段A和段B均存于锁的内存中，段A是段B是在钥匙内存中存放的地址指针。母钥匙和黑钥匙体内存中只有在段A指示的地址中存放着用户密码段B，其它单元中都满了无用的随机码，这样即使拿到钥匙也读不出其中的起初用户密码。所以，制造者和销售商不可能知道每个锁的用户密码。平时，母钥匙和黑钥匙可以妥善保存，而且，万一母钥匙或黑钥匙被丢失了，用户可以凭着记录的用户密码可以去任何一个服务站重新配制母钥匙或黑钥匙，不必带锁体去。

另外，利用锁体内的微处理器不但可以与输出驱动器连接，实现对锁体结构的控制，而且可以设计报警输入和输出口。报警输入口用于接收外来各种报警源的信号，如非法撬门的传感信号、烟雾报警信号等。报警输出口用于送出各种开锁信号和报警信号，例如锁号、开门钥匙号或外来报警源识别信息等，这些信息可以送入网络，在中央监视终端加以记录和报警，实现安全联网管理。

下面用一个例子来说明本发明，但本发明并不局限此。这是一个用钥匙体直接插入锁体钥匙孔，通过有线通信建立两者联系，与传统锁具有相似开锁操作的设计。

它的外形示意如图5所示。在锁体的正反两面分别开有一个钥匙孔，钥匙孔内和钥匙末端各有互相对应的触点或相配合的针孔，开锁时子钥匙插入正面钥匙孔；废止某把子钥匙时，黑钥匙插入背面钥匙孔，待废子钥匙插入正面钥匙孔；废止全部子钥匙时，母钥匙插入背面钥匙孔，黑钥匙插入正面钥匙孔。

它的电路原理框图如图6所示。在这个设计实例中，锁体微处理器选用AT89C2051，锁体和钥匙体内存均选用AT24C04，真随机码发生器由4015，MAX500，4070，4046和4013等五块集成电路组成。

微处理器的P1.6(18脚)分别与锁体内存的数据线SDA(5脚)和时钟线SCL(6脚)相连，可以读写内存密码。当子钥匙/黑钥匙插入钥匙孔正面时，微处理器的P1.4(16脚)P1.5(17脚)与子钥匙/黑钥匙内存的数据线SDA(5脚)和时钟线SCL(6脚)相连，可以读写它们的内存密码。当母钥匙插入背面钥匙孔时，微处理器的P1.2(14脚)P1.3(15脚)与母钥匙内存的数据线SDA(5脚)和时钟线SCL(6脚)相连，可以读写它的内存密码。微处理器的P1.3(13脚)用以在密码核对正确时给出驱动信号使机构开锁动作，然后定时关上。微处理器的P1.0(12脚)用以在密码核对不正确时给出报警声控信号使发声元件发声。微处理器的RXD(2脚)接收外部报警信号，它的TXD(3脚)给出报警信息(例如锁号、钥匙号等)。在本实施例中，真随机码发生器电路工作原理请与图3相对比，其中振荡器A是由两个异或门构成的，m序列产生器是由七级移位寄存器(带X⁷X⁶反馈)组成，D/A转换器由MAX500组成，VCO利用了4046锁相环中的本振，两个D触发器则是用4013，微处理器的8脚(T₀)给出取随机码的时钟，随机码由6脚(INTO)进入微处理器。

上述这些连接只是一个例子，众所周知微处理器的I/O分配是非常灵活的，可以根据需要与设计者的习惯任意调整。各集成电路的类型也不拘于此，允许选用类似功能的组件，另外，需要指出，图6中属于常规连接及使用的元件均已略去，请参阅有关的器件手册。

在本实施例中设计用户密码为6字节(段A为2字节，段B为4字节)，开锁密码为3字节，锁号为2字节，钥匙号为1字节。图7给出了锁和钥匙安排的一个例子，但是它不是唯一的一种方案。

Claims (4)

1.一种自主式随机动态密码锁系统，由锁体和钥匙体构成，锁体和钥匙体之间有双向通信通道，所述锁体包括锁机构部分和锁控制部分；所述钥匙体包括一个非易失性存储器IC4；其中，所述锁控制部分包括有微处理器IC1，非易失性存储器IC2，以及随机码发生器IC3，当锁体被开启时，所述微处理器IC1可以从真随机码发生器IC3中取出一个新的随机码以刷新锁体和钥匙体内的非易失性存储器IC2和IC4；所述锁控制部分通过一个内置于锁体内的输出驱动器IC5以驱动锁机构部分工作，其特征在于：

所述随机码发生器IC3是一个真随机码发生器，其由一个振荡器，m序列发生器，D/A变换器，压控振荡器以及一个低频脉冲发生器构成；所述振荡器用于驱动m序列发生器发生序列码，所述D/A变换器用于使所述序列码变成按伪随机规律跳动的电平，所述压控振荡器受所述电平控制以发生一个跳频的扩频信号；所述低频脉冲发生器用于对所述扩频信号采样，产生真随机码。

2.根据权利要求1的锁系统，其特征在于所述钥匙体为用户开启锁体的子钥匙。

3.根据权利要求1的锁系统，其特征在于所述钥匙体为用户特许配制新的合法子钥匙的母钥匙。

4.根据权利要求1的锁系统，其特征在于所述钥匙体为用户废止子钥匙的合法性的黑钥匙。

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