王铭杰

摘要：本文描述了一种基于加密无线通讯的家用智能门锁系统，包括家用无线路由器、上位机、下位机、门、设置在所述门上的锁具以及手持式移动设备，所述家用无线路由器通过无线网络与手持式移动设备通讯连接，所述家用无线路由器与所述上位机通过无线网络通讯连接，上位机通过脉冲信号与所述下位机通讯连接，所述下位机设置成控制所述门上的锁具。本文采用基于WPA2/PSK协议和SSH 安全协议的家用无线局域网进行双层加密实现无线门锁的高保密性，实现用户的安全、远距离门锁，价格低廉，操作便捷。

关键词：加密；无线通讯；智能门锁；系统

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）09-0049-02

目前，市面上防盗门使用的多为机械锁或电子锁。机械锁是通过机械零件组装而成，用钥匙来开启。这类机械锁的保密性和防盗性差，易成为盗贼的目标。电子锁则可采用 IC 卡、输入口令开启、指纹识别、人脸识别等方式门锁。这类电子锁相较于机械锁安全性虽然有所提高，但仍存在一定的弊端。就IC卡而言，容易丢失、容易仿制。指纹识别虽然相对安全简便，但不排除指纹识别算法错误率的问题和处理速度问题。人脸识别更加方便、卫生，但由于大部分人脸识别系统采用的是DSP或ARM芯片处理速度慢，使用不方便，还有识别错误率和不能快速对焦拍摄的问题。

市场上曾有智能门锁易被技术破解或者暴力损坏的新闻，同时也发现市场上较安全的智能门锁价格高昂，不利于推广和普及。针对上述技术的不足，本文描述了一种基于加密无线通讯的家用智能门锁系统，采用基于WPA2/PSK协议和SSH 安全协议的家用无线局域网进行双层加密实现无线门锁的高保密性，实现用户的安全、远距离门锁，价格低廉，操作便捷。

1方案描述

基于加密无线通讯的家用智能门锁系统，由家用无线路由器、上位机、下位机、门及门上的锁具以及例如手机等手持式移动设备组成。手持式移动设备通过无线网络与路由器连接，而连接路由器的上位机通过脉冲信号与下位机通讯连接，而下位机控制门上的锁具实现门锁的开启和关闭。结构如下图所示：

在本方案中，无线路由器是一种应用于用户上网、带有无线覆盖功能的路由器，可将其看作一个转发器，将宽带网络信号通过天线转发给附近的无线网络设备，采用的无线网络为基于WPA2/PSK协议和SSH 安全协议的家用无线局域网。无线路由器不仅具备单纯性无线AP所有功能，如支持DHCP客户端、支持VPN、防火墙、支持WEP加密等等，而且还包括了网络地址转换（NAT）功能，可支持局域网用户的网络连接共享。无线路由器可以与所有以太网接的ADSL MODEM或CABLE MODEM直接相连，也可以在使用时通过交换机/集线器、宽带路由器等局域网方式再接入。其内置有简单的虚拟拨号软件，可以存储用户名和密码拨号上网，可以实现为拨号接入Internet的ADSL、CM等提供自动拨号功能，而无需手动拨号或占用一台电脑做服务器使用。在本方案中，它的主要用途利用WLAN连接移动设备和上位机，实现手持式移动设备的网络连接功能。

上位机为树莓派计算机，设置有网络端口、USB接口以及GPIO端口，用于向下位机发送门锁信号。树莓派是基于ARM和linux或windows操作系统的卡片式电脑，可以用于计算量大的环境，可以作为一个通用计算机来用，也可以用于复杂控制系统的后端数据处理和GUI，像一个很小的PC機。在本方案中，这种结构就有很好的隐蔽性，不容易被人发现，安全性能高。树莓派计算机上设置不同的端口可实现与外界设备不同形式的通讯，可链接鼠标、键盘和网线等。在具体实施例中，可选用以下的结构参数：

芯片：Broadcom BCM2835

CPU：700 MHz， ARM1176JZF-S 核心

分辨率：1080p

USB：2 x USB 2.0 1个SD插口 3.5mm 音频输出接口

尺寸：85.6 x 53.98 x 17mm

GPU：Broadcom VideoCore IV，OpenGL ES 2.0， 1080p30 h.264/MPEG-4 AVC high-profile decoder

下位机用于接收上位机指令，执行门锁动作。下位机为arduino下位机，设置有arduino控制器、与arduino控制板连接的蓝牙接口以及无线网络接口。arduino控制器配置的I/O端口与AVR单片机相连接。AVR单片机包括MCU微控制器。因此，arduino下位机可通过AVR单片机处理接收的信号，发出执行动作。

手持式移动设备为具有无线网络接口的手机或平板电脑，用于发出用户指令。

在应用时，手持式移动设备（如手机）由用户随身携带，通过家用无线路由器连接家里的网络，实现手持式移动设备的上网功能，这一步通常是自动完成的。

手机可预先通过秘钥登录树莓派计算机，发出门锁命令。通常，一般家庭都设有自己的家用无线局域网。树莓派计算机置于局域网内，本文采用基于WPA2/PSK协议和SSH 安全协议的家用无线局域网，使得通信系统具有高保密性，首先利用WLAN的密钥形成第一层加密，考虑到有很多现成密钥（例如Wi-Fi万能钥匙等）会将无线网密钥泄密，以及无线网络密钥可能是弱口令，设置了第二层加密：登陆树莓派计算机必须用SSH密钥连接。SSH使用RSA加密，破解难度高。以上两层加密保证了整体控制过程高度的安全性。树莓派计算机通过GPIO端口处的GPIO引脚产生一个长度大于100ms的电流脉冲（也可以用I2C总线来发信号，更可靠）这时arduino下位机通过AVR单片机控制接收到的信号，并发出执行门锁命令，从而使锁具通过无线的方式安全门锁。

2技术特点

本方案具有较强的实用性，具有以下突出的特点：

1）保密性强：本方案采用基于WPA2/PSK协议和SSH 安全协议的家用无线局域网进行双层加密实现无线门锁的高保密性；

2）安全性能高：本方案将加密门锁隐藏于家家户户都有的家用无线局域网中，隐蔽性很强，增加了破解的难度，安全性能高；

3）不易破损，本方案整个门锁系统处于防盗门的保护范围之内，门锁用手持式移动设备操作，日常使用不接触门锁系统，常规暴力损坏锁的方式难以实现门锁的目的，并且这种方式的成本与破坏防盗门的成本相当，不易被他人掌控；

4）成本低，操作方便：本方案可直接加装于防盗门和原有传统锁具之上，保证了诸如停电等情况下仍可以用钥匙开门，安装成本低，便于普及。