（理论物理专业论文）新型无线遥控电子密码锁系统的研究.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 目前，保险柜大都还是使用传统的机械转盘式密码锁，这种密码锁的密码量非 常有限，很容易通过尝试输入密码的手段开锁。也有部分保险柜使用电子密码锁， 电子密码锁具有密码量极大，使用方便等优点。但需要利用固定键盘输入开锁密码， 密码的输入过程容易被偷拍或记忆，而且键盘一旦遭到强行破坏，再也无法输入密 码。遥控电子密码锁不需要固定键盘，而利用遥控器输入开锁密码。但由于遥控系 统的编码格式固定，发射出的信号容易被截获，重传相同的代码很容破译密码系统， 因此，遥控电子密码系统面临着新的安全隐患。其它的电子密码锁，如指纹锁，i c 卡锁等，也都存在相应的缺陷或不安全因素而无法得到广泛应用。 为了解决目前电子密码锁的诸多不安全问题，本文提出研制新型无线遥控电子 密码锁系统。系统以a t 8 9 s 5 2 单片机为核心，利用滚动加密技术、短距离射频遥控 技术和电子密码锁技术结合，能进一步提高电子密码锁的安全性、可靠性与实用性， 降低了硬件成本。使电子密码锁能得到广泛应用。本文主要包括以下内容： 1 根据系统的设计目标，给出了具体的硬件电路、软件结构以及详细的程序 清单，并详细论述了各部分的设计要点。 2 提出了一种利用4 位数据的编码芯片实现1 2 个数值的编码方法。为了提高 数据无线传输的安全性，利用k e e l o o 滚动加密技术对数据实现滚动加密，使密文 电波的传输具备抗截获重传的能力，还可以有效防止代码被跟踪。 3 利用p i c l 6 e 6 3 0 单片机实现软件滚动解码，有效降低系统的硬件成本。 4 为了降低系统的功耗，给出了一种可控的硬件复位电路，使主控c p u 能在 正常工作模式和掉电模式之间实现自由切换。 5 提出了硬件和软件抗干扰措旋，提高了系统的抗干扰能力和可靠性。 6 在设计与实验的基础上，研制和调试了新型无线遥控电子密码锁系统。 经过实际测试，系统各项性能指标均已达到设计要求。由于在数据加密的过程 采用了复杂的非线性同步技术，数据具有抗截获重传的能力，系统的兼容性和实用 性都很好。文中设计的电路和控制方法适用于一般的单片机系统设计，硬件和软件 也有一定的实用性和通用性。 本密码锁系统主要是为保险柜而设计开发的，对于其它安全性要求较高的场合 也都可以推广使用。 关键词：无线遥控；o o k 调制：射频：a t 8 9 s 5 2 ：单片机 硕士学住话文 m a s t e r st l t e s i s a b s t r a c t c u r r e n t l y , m o s to ft h es a f e ss t i l l u s et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lt u r n p l a t ec o d el o c k s w h o s en u m b e ro fp a s s w o r d si sv e r yl i m i t e d w ec a no p e ni te a s i l yb yt r y i n gp a s s w o r d s s o m es a f e su s ee l e c t r o n i cc o d el o c k s ，w h o s ea d v a n t a g ei st h a tt h ea m o u n to fi t s p a s s w o r d si se n o r m o u s w ec a nu s ei tc o n v e n i e n t ly h o w e v e r , m o s to ft h e s ee l e c t r o n i c c o d el o c k sn e e dt h ef i x e dk e y b o a r dt oe n t r yt h ep a s s w o r d s i ns o m ec a s e s ，t h ep r o c e s so f i n p u t t i n gp a s s w o r d sc a nb ep h o t o g r a p h e do rr e m e m b e r e de a s i l y f u r t h e rm o r e ，w ec a n n o t i n p u tp a s s w o r d sa n ym o r eo n c et h ef i x e dk e y b o a r di sb r o k e nf o r c e f u l l y i ft h es a f e su s e r e m o t ec o n t r o ls y s t e m ，w ec a no p e nt h es a f e sb yu s i n gt h er e m o t ec o n t r o l l e ri n s t e a do f t h ef i x e dk e y b o a r d t h es h o a a g e so ft h er e m o t ec o n t r o ls y s t e ma r ea l s oo b v i o u s f o r e x a m p l e s ，t h e f o r m a to ft h ec o d eo ft h er e m o t ec o n t r o ls y s t e mi sf i x e da n dt h e t r a n s m i t i n gs i g n a l c a nb ei n t e r c e p t e db yo t h e ra u t o m a t i cd a t ap r o c e s s i n g e q u i p m e n t s e a s i l y m o r e o v e r , t h i sr e m o t ec o n t r o ls y s t e mc a l lb ee a s i l yd e c i p h e r e db yr e s e n d i n gt h e s a m es i g n a l s s ot h i sk i n do fr e m o t ec o n t r o ls y s t e mi sf a c i n gt h en e ws e c u r i t yh i d d e n d a n g e r o t h e re l e c t r o n i cc o d el o c k s ，s u c ha sf i n g e r p r i n t e l e c t r o n i cl o c k s ，i cc a r dl o c k s c a n n o tb eu s e dw i d e l yb e c a u s et h e yh a v ec o r r e s p o n d i n gd e f e c t so ri n s e c u r i t y i no r d e rt or e s o l v i n gt h e s ei n s e c u r i t yp r o b l e m so ft h ee l e c t r o n i cc o d el o c ks y s t e m ，a n e ww i r e l e s sr e m o t ee l e c t r o n i cc o d el o c kc o n t r o ls y s t e m ( w p e l c s ) i sp r o p o s e di nt h i s a r t i c l e t h ew r e l c st a k e st h ea t 8 9 s 5 2m c ua st h ec o r ea n du s e st h eh o p p i n g - c o d e e n c r y p t i o nt e c h n i q u e s t h es h o nd i s t a n c e r a d i or e m o t ec o n t r o lt e c h n i q u e sa n dt h e e l e c t r o n i cc o d el o c k st e c h n i q u e s a sar e s u l t ，t h es e c u r i t y , r e l i a b i l i t ya n du s a b i l i t ya r e e n h a n c e d a n dt h ec o s to ft h i ss y s t e mi sr e d u c e dg r e a t l y s ot h i sk i n do fl o c k sc a nb e w i d e l yu s e d i nt h i sa r t i c l e ，f o l l o w i n ga s p e c t sa r ei n c l u d e d ： 1 a c c o r d i n gt ot h ed e s i g ng o a l so ft h i ss y s t e m ，t h eh a r d w a r ec i r c u i t ，a n dt h e s o f t w a r ea r eg i v e ni nt h i sa r t i c l e ，a n de a c hp a r ti sa l s od e s c r i b e di nd e t a i l 2 t h i sa r i t i c lg i v e saw a yt oe n c o d et w e l v ed a t ab yf o u rd a t ap i n so ft h ee n c o d e r i n o r d e rt oe n h a n c et h es e c u r i t yo ft h ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n ，c o d e h o p p i n ge n c r y p t i o n t e c h n o l o g yw h i c h b a s e do nk e e l o qi su s e d s ot h es y s t e mh a sa n t i i n t e r c e p ta b i l i t ya n d c a l la l s op r e v e n tt h es a m es i g n a l st ob er e s e n do rt ob et r a c e d 3 t h eh a r d w a r ec o s ti sr e d u c e dg r e a t l yb yu s i n gt h ep i c l 6 f 6 3 0m c ut od e c i p h e r 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s t h eh o p p i n g c o d e 4 i no r d e rt or e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o ne f f e c t i v e l y , ac o n t r o l l a b l er e s e tc i r c u i t i sg i v e ni nt h ea r t i c l e i nt h i sw a y , t h em a i nc p uc a l lw o r kb e t w e e nt h en o r m a lm o d ea n d p o w e r - d o w nm o d ef r e e l y 5 t 1 l ed e t a i l e dm e t h o d so fa n t i - j a m m i n go fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r es h o w ni nt h i s a r t i c l e i tc a ne n h a n c et h ea n t i - j a m m i n ga b i l i t ya n d c r e d i b i l i t yo ft h es y s t e me f f e c f i v e ly 6 b a s e do nt h ed e s i g na n dt h ee x p e r i m e n t ，t h es a m p l eo ft h en e ww i r e l e s sr e m o t e e l e c t r o n i cc o d el o c kc o n t r o ls y s t e mi sm a n u f a c t u r e d a f t e rt h ea c t u a lt e s t ，a l lt h ep e r f o r m a n c e sh a v em e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s b y u s i n gt h ec o m p l e xn o n l i n e a r i t ys y n c h r o n i z e dt e c h n i q u e si nt h ee n c r y p t i o np r o c e s s ，t h e s y s t e mh a sg o o da n t i - i n t e r c e p t i o na n dr e - t r a n s m i t sa b i l i t y 1 r h ec o m p a t i b i l i t ya n dt h e u s a b i l i t ya r ea l lv e r yg o o d 皿en e w w i r e l e s sr e m o t ee l e c t r o n i cc o d el o c kc o n t r o ls y s t e m i sm a i n l yd e s i g n e df o rs a f e o t h e ro c c a s i o n sf o rh i 曲s a f e t yr e q u i r e m e n tc a na l s ou s et h i s s y s t e m k e y w o r d ：r e m o t ec o n t r o l ：o n o f fk e y e dm o d u l a t i o n ；r a d i of r e q u e n c y ： 栅9 s 5 2 ：m i c r o c o n t r o l l e r 硕士学位论文 m a $ t e r l st h e s i s l o 】2 s 8 d 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导f ，独立进行研究工作所取得的研 究成果。除文c 】已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法 律结果由本人承担。 作者签名 麟 日期：挪午r 月 学位论文版权使用授权书 日 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中师范大 学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名 日瓤碲j 2 月；日 导师签名：葫茸仟 日期：加6 年协月j 日 本人已经认真阅读“c a m s 高校学位沦文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。同童迨窒理童屋进丘；旦主生；旦二二生i 旦三生发壶! 作者签名 日期：加6 年，。月j 日 导师签名：劾琦叩 日期：御6 年f 月，日 )，一 硕士学侄论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 国内外现状 1 绪论 自古以来，锁具都是人们心目中的“铁将军”，随着社会物质财富的日益增长 和人们生活水平的不断提高，人们对它要求也越来越高，即要安全可靠，又要使用 方便。因此，锁具的安全性和实用性一直是锁具的制造者长期以来研究的主题。 保险柜作为人们生活或工作中的一种不可或缺的重要设施，主要用于存放各种 贵重物品，因而保险柜锁的安全性就变得至关重要。目前市场上的保险柜产品使用 的锁具主要是传统的机械转盘式密码锁，使用电子密码锁保险柜数量相对较少。 据有关资料介绍，电子密码锁的研究从2 0 世纪3 0 年代就开始了。在一些特殊 场所早就有所应用。这种锁是通过键盘输入一组密码，完成开锁过程。研究这种锁 的初衷，就是为提高锁具的安全性。由于电子锁的密钥量( 密码量) 极大，可以与 机械锁配合使用，并且可以避免因钥匙被仿制而留下安全隐患。电子锁只需记住一 组密码，无需携带金属钥匙，免除了人们携带金属钥匙的烦恼，而被越来越多的人 所欣赏。电子锁的种类繁多，例如数码锁，指纹锁，磁卡锁，i c 卡锁，生物锁等。 但较实用的还是按键式电子密码锁。 2 0 世纪8 0 年代后，随着电子锁专用集成电路的出现，电子锁的体积缩小，可 靠性提高，成本较高，只适合使用在安全性要求较高的场合，且需要有电源提供能 量，使用还局限在一定范围，难以普及，所以对它的研究一直没有明显进展。 目前，在西方发达国家，电子密码锁已被广泛应用于智能门禁系统中，通过多 种更加安全，更加可靠的技术实现大门的管理。在我国电子密码锁的成本还很高， 应用还不广泛。希望通过不断的努力，使电子密码锁在我国也能得到广泛应用。目 前市场上的密码锁主要有以下几类，都存在不同程度的缺陷。 1 机械式的密码锁 它是现在大量使用的传统圆盘式机械密码锁，具有成本低，抗干扰能力强的优 点，已被广泛使用在保险柜、文件柜、保险门、银库门、仓库门上。但它有一些无 法克服的缺陷： ( 1 ) 操作繁琐。以三片式的普通圆盘式机械密码锁为例，需要正反转好几圈 才能对好密码。如果采用美国“洛加达”、“沙金”等几个品牌高档圆盘式机械密码 锁，其“对码”和开锁均使用同一个旋钮，保密性虽然有所提高，但由于增加了一 个辅助圆盘，操作就更繁琐。 ( 2 ) 密码输入不易。由于要靠旋钮边缘的精密刻度来分辨密码，靠转动旋钮 的刻度来对准密码，如稍有不慎就可能输入错误而前功尽弃。 ( 3 ) 密码量少。以三片式的高档圆盘式机械密码锁为例，假定旋钮边缘刻有 l o o 个刻度，三片式结构在理论上应该有l o o 万组密码( 1 0 0 3 ) ，但实际上根本达不 到。因为用旋钮旋转对密码时，单凭手的转动来准确分辨一个刻度( 3 6 度) 是很 困难的，加上机械加工误差，不可能按一个刻度值来准确对码。为了保证输入密码 的成功率，必须在结构上留有充分的余量。所以传统圆盘式机械密码锁在对码时允 许有不超过1 2 5 个刻度的误差，也就是大约2 5 个刻度为一个有效值。而旋钮边 缘上的刻度绝大多数只有7 0 8 0 个刻度，有效刻度值就算能有5 0 个，三片式密码 锁最多也只有5 0 3 = 1 2 5 万组密码。远远小于标称密码量。 ( 4 ) 声音报警功能。由于锁具完全使用机械装置，不可能实现自动报警功能， 也无法拒绝非法用户尝试密码。因此可以允许非法用户尝试输入密码的次数为密码 的最大数值，即直到尝试成功。 ( 5 ) 在使用中发现，可以通过轻压开门把手，同时转动密码转盘，靠手感判 断出转盘卡槽的位置，从而逐一试探出开门密码。专业的开锁人员都是利用这种方 法帮助丢失钥匙的用户打开保险柜的。 由于机械式密码锁存在很多缺点，只能用在保密性要求不高的场合。而用在保 密性能要求相对较高的保险柜上却显得力不从心。 2 固定键盘式电子密码锁 这类密码锁使用固定键盘输入门锁密码 1 - 2 1 。用户密码可以在1 8 位任意设定， 密码量极大，尝试法输入密码时，系统会出现保护性自锁，同时具有自动报警功能。 这种密码锁成本不高，操作非常简单，常与机械弹子锁配合使用。目前市场上出现 的如宁波海曙精锐电子厂的j r i c 0 1 型电子密码锁，以及苏卅f 澳凯科技有限公司的 a o k 3 1 7 型密码锁等都是固定键盘式电子密码锁。这类密码锁有以下缺陷： ( t ) 需要安装固定键盘，数字按键的位置固定不变，用户在操作时没有隐蔽 性，其他人可以通过记住密码输入人员的手势推测出输入的密码，或被他人偷拍输 入过程而得到密码。 ( 2 ) 这类保险箱的键盘都在柜门外，虽然都配备了机械钥匙，若键盘被强行 毁坏，虽然系统能够自动报警，但由于没有了密码输入装置，主人也会被拒之f - j 9 t ， 会给用户带来极大的不便。 ( 3 ) 保险柜上配有报警系统。有的报警装置与电话网连接，虽能实现自动拨 2 号报警，但电话线要连接到柜体外部，容易受到盗贼的破坏，而使报警失效。有的 报警机制不合理，会出现多次报警，且大音量报警装置耗电较多，保险柜又使用电 池供电，电能有限，如果在短时问内多次大声报警，会将系统电能耗尽，造成系统 永久死锁。 ( 4 ) 错码自锁机制不完善。当用户连续输入三次错误密码后系统会自动锁定 并大声报警，几分钟后，报警自动解除，可以再次尝试输入密码，若再出现三次错 误，则再自锁报警，周而复始。因此盗贼仍然可以多次尝试输入密码。 ( 5 ) 密码体制不够完备。一般都有两组密码，其中一组备用，但两组密码却 是并行工作的，任何一组密码均可开锁，即密码没有层次性。 3 随机键盘式密码锁 为了防止用户在利用固定键盘输入密码的过程被偷窥或偷拍，研制出了随机键 盘系统。用这种键盘输入密码时，每输入一个数字，键盘上的数字键的摆放顺序会 随机变化，用户利用变化后的键盘输入下一位数字，使得利用偷窥或偷拍的方式记 住密码的企图无法奏效。但它也由于缺点显著而无法应用到保险柜上： ( 1 ) 由于随机键盘对硬件要求较高，要采用触摸屏幕，键盘与显示器就必须 合二为一，因此成本较高，难于应用到保险柜上。 ( 2 ) 触摸屏键盘系统也属于固定键盘系统，一旦遭到破坏，也无法输入密码。 4 遥控式电子密码锁 由于各种遥控技术已经纷纷用于我们的日常生活中，遥控技术与密码系统的结 合也是自然的。市场上也出现了少量的遥控式电子密码锁，但绝大多数都采用固定 式编解码芯片( 如p t 2 2 6 2 p t 2 2 7 2 、a x 5 3 2 6 a x 5 3 2 7 等) 实现编码与解码，编解 码器通过设定同样的硬件地址实现配对使用的。如果遥控器的型号相同，地址位设 定不同，也不能控制解码器，这是它们的安全性所在 3 _ 8 】。国家知识产权局近几年公 布的遥控密码锁的实用新型专利也人都属于此类固定式编码遥控密码锁1 9 。1 ”。这种 遥控密码锁有以下几个致命的缺陷： ( 1 ) 由于系统产生的编码位数较短，如p t 2 2 6 2 只有1 2 个地址数据位( a d 位) ，编码的组合形式极为有限，可以利用“追码器”，通过变换代码逐个发送( 即 用穷举方式) 来破解密码系统。 ( 2 ) 加密是靠设定硬件地址实现的。如遥控器一旦丢失或遥控器的地址位设 定方式被他人知道，很容易复制一个完全相同的遥控器，使非法用户也成为“合 法”用户。 ( 3 ) 这类遥控系统的共同缺点在于产生的编码是固定的，一旦设定好地址位， 无论任何时问按动遥控器上的同一按键，编码器的输出的编码都是相同的，这就是 固定式编码1 8 】。编码一旦在空中传输就很容易被截获，重发编码即可破解密码系统。 ( 4 ) 这类编解码遥控器不是用于数据输入，而是实现多路遥控，例如用于控 制多路开关等，每一个按键控制。一个通道，而不能用来依次输入多位密码。 市场上也出现了少量无线加密遥控装置：一类是“跳码”加密方式【1 5 - 蚓，另一 类是“滚动”加密方式【1 7 。1 8 】。它们具有固定编码系统无与伦比的优势，解决了固定 编码系统同一按键产生的编码相同的缺点，实现了即使连续按压同一按键也能够产 生不同的编码。它们绝大多数用于各种车辆的防盗系统，使用非常方便。但也存在 以下几个的缺点： ( 1 ) 这种遥控器中使用的编码器对数据的加密是利用固化在芯片中的非线性 加密算法 1 9 - 2 0 1 来实现的，而加密算法中使用的重要数据是在编码芯片生产时确定 的，一旦遥控器生产出来，用户很难更改这些重要的数据。 ( 2 ) 编码器中的核心数据是由芯片的制造商或遥控系统的制造商保管的，对 制造商而言用户也没有什么保密性可言。 ( 3 ) 目前出现的这类遥控器都只有四个按键，都被定义为功能键( 如车辆防 盗器的开锁、锁定、寻车、预热启动) 1 2 1 j ，因此可以实现“一键开锁”或“一键锁 定”功能，只要按动一次按键，接收系统直接执行相应操作，虽然使用方便，但一 旦丢失遥控器就无法开锁。 ( 4 ) 这种遥控器也不能用来输入多位密码。并且如果他人得到遥控器也可以 直接执行相应命令。 以上两种编码类型的遥控锁还有大部分采用红外遥控方式【2 2 _ 2 7 】和激光遥控方 式，由于红外线和激光都不具备“绕射”能力，用户无法在隐蔽的地方操作，因此 也会使用户感到使用不便。 5 其它密码锁 市面上还有如手机遥控锁1 2 8 2 9 】，磁卡式的保险柜锁、智能卡i c 卡式的保险柜 锁，指纹保险柜锁等。磁卡式保险柜锁和智能i c 卡式的保险柜锁，虽然都具有更 换方便，易于操作的优点，但是由于磁卡本身结构简单、磁条( 磁层) 暴露在外、 存储容量小、无内部安全保密措施，容易被破译，安全性差。同时由于磁卡和i c 卡本身对使用环境要求高，它的稳定性和可靠性也就相应降低了。虽然指纹式的保 险柜锁具有操作简单，密码具有难一性，安全性高，不易破译，掺带方便的优点， 但是它的成本偏高，而且如果指纹识别口被划伤，也不能有效的识别合法用户，也 会给使用带来极大不便，因此也不能被人们广泛地接受。 d 经调查，在安全性要求较高的场合，电子密码锁保险柜的市场前景较好。它的 成本相对不高，密码量极大，安全性高，操作简单，最符合用户的需要。但是目前 的电子密码锁存在很多的不安全因素，这也是电子密码锁没有得到广泛应用的一个 重要原因。 1 2 课题来源 为了解决电子式密码锁存在的诸多安全问题，进一步提高电子密码锁系统的安 全性、可靠性和实用性，提出将滚动加密技术与无线遥控技术相结合，利用多层次 密码机制，研发新型无线遥控电子密码锁系统。彻底解决固定键盘式密码锁和固定 编码遥控锁的不足，使用户能在一定范围内的任何位置都能安全的操作电子密码 锁。使系统具有抗截获重传的能力。使一切利用“追码器”或跟踪代码破解密码系 统的企图都无法奏效，保证密文电波的安全传输。而且，用户丢失“钥匙”后也不 用更换锁具，仍然可以安全地使用。这种新型无线遥控电子密码锁可以填补目前市 场的空白，具有较好的应用前景。 1 3 研究思路 本文是针对现有的电子密码锁系统的不足之处进行改进，给出了一种安全可靠 的新型无线遥控电子密码锁系统的整体设计方案。研究从以下几个方面进行： 1 遥控方式的选择 为了避免保险柜上的固定键盘被非法破坏后无法输入密码，系统必须具备在没 有固定键盘或固定键盘遭到非法破坏时也能方便地开启保险柜。因此系统必须具备 遥控功能。而对于无线遥控技术，红外( i n f r a r e dr a y ) 遥控方式和无线射频遥控方 式使用较普遍。 红外线遥控方式。红外线遥控技术成本低，控制内容多，抗干扰能力强，不会 发生误动作：响应速度快，不会对其它设备造成干扰：体积小，成本低，比其它方 式相比功耗更低。但使用时需要保证遥控发射器和接收设备处于一定的角度范围， 中间不能有任何障碍物。如果将红外遥控方式用于保险箱上，用户无法在较隐蔽的 环境中操作，给用户的使用带来不便，因此不适合运用于保险柜的遥控系统中。 无线射频遥控方式。无线电波具有“绕射”和“穿透”特性，只要在有效工作 范围内，无线设备就可以不受角度、方向和障碍物的限制而自由使用。并且采用特 定的编码调制技术可防止无线电波相互干扰。如果电子密码锁采用无线射频遥控方 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 式，用户就能在较隐蔽的环境中安全的输入密码，不用担心被偷窥或偷拍。 比较上述两种遥控方案，本系统选用无线射频遥控方式实现数据传输。 2 数据编码方式 为能使系统的无线电波信号具有抗截获重传能力，数据编码必须使用私钥进行 加密，由于滚动加密技术具有很高的可靠性，即使对于同一数据经滚动加密后的编 码也不相同。由于采用了滚动加密技术，即使用户连续按动遥控器上的同一按键， 遥控器发射出的编码也是不同的，而且系统能将最近使用过的编码自动作废。因此 本系统采用滚动加密的方式实现数据的加密传输。使系统具有抗截获重传和防止代 码跟踪的能力，完全克服了固定编码系统致命的缺陷。 3 密码设定与修改 本系统取消了其它遥控锁具的“一键开锁”这一极不安全的做法。系统密码为 1 8 位，实行两级密码保护模式。用户使用系统初始密码打开保险柜后，通过安装 在保险柜门内侧的固定键盘设定或更改系统密码。 4 固定键盘与显示器 本密码锁是在原有的固定键盘电子密码锁的基础上进行改进的，可以保留固定 键盘，以方便用户在未带遥控器时，可以利用固定键盘输入密码开锁。用户必须在 打开保险柜后才能设定或修改系统密码，而且只能在柜门内侧固定键盘上进行密码 设定。也可以不安装门外固定键盘，而只安装显示器。 5 错码自锁与自动报警 错码自锁功能主要是为了防止非法用户通过尝试的手段破解系统密码。本系统 采用两级密码( 开锁密码和附加密码) 体制和错码自锁功能相结合，即用户正常使 用时只需要输入系统的第一组密码( 门锁密码) 即可顺利开锁。通过尝试手段输入 三次错误密码时，系统将发出警告提示1 0 秒，要求用户输入附加密码，如果附加 密码再累计错误三次，系统发出报警声，持续2 0 秒，然后自动关闭所有数据输入 和输出电路的电源一个小时，在这- - 4 时中，主控c p u 工作在空闲模式，任何用 户都无法使用固定键盘或遥控器输入密码。- - 4 时后系统自动解除自锁状态，主控 c p u 进入掉电状态。用户可以通过固定键盘或遥控器上的任意按键使系统复位，此 时系统再次要求用户输入正确的附加密码。只有输入正确附加密码才能再次输入门 锁密码，否则系统会再次进入自锁状态。这样能有效避免非法用户在短时间内多次 尝试输入密码。 6 作废丢失的“钥匙” 为让用户安全使用密码锁，系统配备两只以上的遥控器( 一个随身携带使用， 硕士学住论文 m a s t e r st h e s i s 另外的备用) ，所有遥控器都必须在接收系统中“登记注册”后爿一能使用，一旦经 常使用的遥控器丢失，用户可以及时地用备用遥控器或固定键盘打开保险柜，利用 系统的“注销”功能将钥匙全部注销，再将现有的遥控器重新“登记注册”一次， 丢失的遥控器就“作废”了。即使他人获得丢失的遥控器也不能控制本系统，实现 即使丢失钥匙也不用换锁，仍可继续安全地使用密码锁。 7 “钥匙”可防止被复制 系统使用的编码芯片的内容是不可读取，只能修改。即使他人复制一个编码器 型号完全相同的遥控器，由于不知道系统的加密密钥，也不能被接收系统正确识别， 从而可以避免遥控器被复制。 8 供电与节电措施 保险柜经常处于关闭状态，因此系统不需要一直处于正常工作状态。由于系统 主要使用电池供电，必须合理利用主控微处理器的省电模式，以最大限度的节省电 能。另外，为了避免由于电池电能耗尽而出现无电死锁的现象，系统还配备有市电 供电接口，在电池电量耗尽时可以采用外部供电方式应急开锁，或对电池进行充电。 1 4 遥控密码锁系统简介 遥控密码锁系统由遥控发射器和遥控接收系统两部分组成。 系统采用无线射频遥控方式实现数据传输。所有遥控器必须在接收系统上“登 记注册”之后才可以使用，未经过“登记注册”的遥控器即使是同一种型号也不能 被接收系统识别。 遥控器的使用与一般的遥控器完全相同，只是数据在传输过程中是经过加密 的。用户可在距离接收系统2 0 米的范围内的任何位置操作密码锁。开锁时将门锁 密码从遥控器上依次输入，以“带”键结束。接收系统接收到数据后，进行解密还 原出与遥控器按键对应的数值，并将该数值送给主控c p u 。主控c p u 将读取的密 码与系统存储的密码进行比对，若密码正确，则驱动门锁电机开锁，否则提示错误。 默认状态下，接收系统的主控c p u 处于掉电模式。需要开锁时，可以按遥控 器或固定键盘的任意按键使接收系统的主控c p u 复位，然后输入门锁密码即可。 当用户关闭保险柜柜门时，系统会在5 秒后自动执行锁门动作。 用户能自己设定或修改系统密码，系统密码采用两级保护模式。密码长度为1 8 位数( 十进制) ，有1 0 s 种组合方式。另外，系统还有硬件密码6 4 位( 二进制) ， 用于对遥控数据进行加密或解密。存放在系统的编码和解码芯片内，只可修改，不 可读取，可以有效地防止遥控器被复制。因此，系统具有极高安全性。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 本系统遥控器具有通用性，便于生产。而且即使有一个遥控器被盗或丢失， j j 户可以利用备用遥控器打开柜门，利用系统的“注销”功能注销掉丢失或被盗的遥 控器。用户不用换锁，仍然可继续安全地使用遥控锁。 系统主要使用可充电电池供电，也配备有市电接口，用于电池电能耗尽时应急 开锁，以及对可充电电池进行充电。 1 5 设计目标及方案 1 5 1 遥控密码锁系统设计目标 1 系统性能必须安全、稳定，经济实用。 2 用户可设置一组门锁密码和一组附加密码，长度为8 位。 3 必须在打开柜门后才能修改系统密码，且必须在门内侧固定键盘上操作。 4 在断电情况下，原设定所有密码及相关信息不丢失。 5 遥控器必须登记注册才能使用，数据必须加密传输，可防止数据被重传或 被跟踪；遥控器应具备防止复制能力，可以方便地注销掉丢失的“钥匙”。 7 可用遥控器( 或固定键盘) 输入开锁密码，门锁锁闩利用电机拖动。 8 遥控器的大小在4 0 m m * 8 0 m m 之内，控制距离大于2 0 m 。 9 系统使用可充电电池供电时也能长时间使用；还应配备市电接口。 1 0 应适当配备显示器件，具有声音提示与报警功能。 1 5 2 方案论证 目前的电子密码锁普遍使用专用芯片，由于专用芯片的功能固定，价格昂贵， 且不具备升级能力。为了能使系统具备升级能力，本系统选用单片机作为中央处理 器。配置适当的外围电路，实现系统的控制功能。 1 c p u 的选择 系统需要使用两只c p u ，一只为系统丰控c p u ，另一只为解码c p u 。在本系 统中，8 位c p u 已经能满足系统的设计需要。因此主控c p u 选择a t m e l 公司的 a t 8 9 s 5 2 单片机，它是一款高性能低功耗8 位c m o s 单片机。具有丰富的i o 口线， 内部集成8 k b 的f l a s hr o m ，可以反复擦写1 0 0 0 次之多。给程序调试和以后的系 统升级带来了极大方便，完全能满足系统的设计需要。解码微处理器选用m i c r o c h i p 公司的p i c l 6 f 6 3 0 单片机，它的特殊之处在于内部集成有1 2 8 字节的e e p r o m ， 可在线修改数据，且掉电不丢失，能保证解码所需要的重要数据更加安全。 硕士学值论文 m a s t e r st h e s i s 2 编码方案 系统采用m i c r o c h i p 公司的h c s 3 0 1 编码芯片完成编码任务，它内部固化有 k e e l o q 滚动加密算法程序，能对遥控器按键信息进行滚动加密，经它加密后的编 码称为滚动码。由于k e e l o q 加密算法是一种复杂的非线性加密算法，因此，滚 动码保密性极高。即使连续两次按同一按键，编码器产生的编码都是不同的，系统 会自动将最近使用过的代码作废。使捕捉电波重传编码或扫描跟踪等破译手段都无 法奏效，克服了固定编码系统的缺点，保证了数据的安全传输。 3 遥控发射器电路 遥控发射器的电路原理图如图1 5 1 。 ； m “m 一 餐辫 l j娟。乍“ 墨 愁 l j - = _ _ = - - 蛐蹄阻1 “ 硼l 。】 一 11 ”蛐r ”“。 o 葶旧 !d ll i 薯，国| ； 6 1 “m 卜：_ _ =i i o u l ：_ ；| r i 鬣。霜够! i 尊0 赢口粤 n 1 1 ，1 ： 【i 辅讳r ，i 骚“j 一 1 s “ 要雕鬻- 1 ”茚斜 p mt + ：， ： | j - ， 溪燃 - 1 1 一瑚葡 纛鳃磊i l 黔， -， 茎旧器 刚。d e 。 _ r 诫i l i 一 雾鲻黪 寨i 醚蘩 ： = ；：一。；一譬 簦2 妥二j ，* 。i i 。e 鹦 ：， 隐；呻罂* 晶j。| 型 i i i 鼎i 、i ：4 ，毫 d i ，i 糊 r 1一一一 ”引。；? 黼 d i i b d 蜘 1 。： _ ；：” 图1 5 1遥控发射器电路原理图 电路选用3 1 5 m i - i z 射频方式完成数据传输。3 1 5 m h z 的发射频率是国家规定的 防盗报警及无线控制设备专用频率，符合国家规定【3 0 】。本发射电路采用声表面滤波 器稳频，保证了工作频率的稳定性。发射器发射功率微小，不容易对外界造成干扰， 发射距离大于1 0 0 米( 空旷场地) 。完全能够满足设计要要。 4 接收与解调 接收解调电路选用廉价的超再生电路，具体电路如图1 - 5 2 。电路的灵敏度高 f 1 0 5 d b m ) ，被广泛应用于各种遥控装置上，在本系统中也能很好地完成解调任务。 9 l c l - t - 1 0 3 = 曩0 0 斗 ：2 ；l 1 5 p ，2 5 t ：交鱼赞 i 蝴 麓押堂扩。1 薹疗引 l 鲈x c 1 ：j 6 4j r 1 52 0 0 苴 8765 r i o j i c ll 1 3 5 8 4 7 1 1 i1 2 34 r 1 3 fc 1 1 1 7 2 r 1 1 1 菇 r 1 2 l 呱 o u t = 一 图1 5 2遥控接收与解调电路 5 解码方案 为了降低系统的硬件成本，利用单片机实现对滚动加密数据进行软件解密，还 原出与发射器对应的按键信息。出于用软件完成解码，实时性要求较高，需要占用 c p u 较多的时间，因此，专门用一个微处理器作为软件解码处理器，将解出的遥控 数据送给主控c p u ，由主控c p u 执行相应的操作。 6 外接存储器 由于用户密码和系统运行过程中的一些重要数据需要保存，并且要求在断电时 不能丢失，系统需要外接e e p r o m 存储器。而具有标准1 2 c ( i n t e ri cb u s ) 总线 的e e p r o m 存储器与主控c p u 之间的连线最少，操作也相对简单，而系统需要保 存的数据量不大，系统使用a t 2 4 c 0 2 来保存用户的密码和系统运行的重要数据。 7 门锁电机驱动 保险柜的门闩利用直流电动机拖动。电机采用七只晶体管驱动，且可由主控 c p u 控制电机正反转，以完成开锁与锁门动作。并利用门闩位置丌关配合构成电机 自停装置，当门闩运动到规定位置时电机自动停止运行。 1 5 3 总体方案 遥控密码锁系统由遥控发射器和遥控接收电路两部分组成。 1 遥控发射器 电路由键盘( 1 2 键) ，编码电路，发射电路组成，结构框图如图1 。5 3 ： 亟二 至亟 困 图1 5 3 发射器结构框图 颃士学侄论文 m a s t e r l st h e s i s 遥控器使用一只2 3 a 电池( d c l 2 v ) 供电，有键按下时，编码器及发射电路得 电工作，对按键的状态信息进行编码，经o o k 调制，以3 1 5 m h z 的频率发射。 2 遥控接收电路 遥控接收电路由无线接收模块，主控微处理器，解码微处理器，固定键盘及l e d 显示电路，e e p r o m 电路、声音提示与报警电路等构成。结构框图如图1 ，5 4 ： l 键盘及u m 显示 令 主 f 无线接收模块l 控 j l i 声音提示与报警b ：一 微 o、 一 2 p c 5 硕士学位论文 m a s t e r st 1 - i e s i s 时，电路杂散电容的影响也会越严重。在超外差接收电路中，高频信号经输入回路 调谐选择，在变频级变换成固定的中频信号，再经中频放大级放大，由检波( 或鉴 频) 电路还原出数据，与直放式接收解调电路相比有很大的优越性【4 4 1 。 超外差接收电路灵敏度和选择性都很好，并且调试简单。h i m a r k 公司的 r x 3 3 1 0 a 4 5 】和m i c r e l 公司的m i c r f 0 0 7 4 6 】是典型的两款超外差接收解调芯片，功耗 都比较低。r x 3 3 1 0 a 比m i c r f 0 0 7 的外部电路稍复杂一些。m i c r f 0 0 7 还有电源关 断控制，使用简单。在很多高端产品都使用这类芯片。由于超外差电路的成本比超 再生电路高得多，综合考虑成本和性能后，选用超再生方式实现接收解调任务。 2 5 。2 单片射频接收电路m i c r f 0 0 7 m i c r f 0 0 7 是标准的r f