苏赐民 陈麒名 张慧 胡馨文 张善凌

摘  要：在信息技术高速发展的今天，人们已经越来越感受到科技所带来的便捷，与此同时，各类科技产品也开始进入人们的家庭中，为居民的日常生活的安全、便利带来了更好的体验。但由于目前市场上大多数智能锁基于的是指纹与Wi-Fi模块，所以其安全性问题也始终是隐患之一。该研究通过对基于指纹与Wi-Fi模块的智能锁的关键技术与安全性进行论述，进而提供一款基于指纹与Wi-Fi的智能锁的设计思路与方案，为智能锁的发展提供一定的理论依据。

关键词：指纹模块;Wi-Fi模块;智能锁;系统设计

中图分类号：TN92;TP391.41     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）04-0191-03

Abstract：With the rapid development of information technology，people have increasingly felt the convenience brought by technology. At the same time，various types of technology products have also begun to enter peoples families，providing a safe and convenient place for residentsdaily life. Here comes a better experience. However，since most smart locks on the market are based on fingerprints and Wi-Fi modules，their security issues are always one of the hidden dangers. This article discusses the key technology and security of smart lock based on fingerprint and Wi-Fi module，and then provides a design idea and scheme of smart lock based on fingerprint and Wi-Fi，which provides a certain theoretical basis for the development of smart lock.

Keywords：fingerprint module;Wi-Fi module;smart lock;system design

0  引  言

物聯网技术目前已被我国列为国家发展战略之一，各大互联网商、智能产品供应商也纷纷响应，使物联网技术得到了极大发展。基于物联网的各类智能产品也开始进入人们的家里，发挥着越来越重要的作用。智能门锁作为智能家居产品，以其安全性与便捷性的特点日益受到大众的推崇，它将是今后智慧城市建设的大趋势。为了更好推进智慧社会的发展，贯彻落实创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，文章以门锁作为落脚点，实现传统门锁到智能门锁的改变。智能门锁可运用在酒店、写字楼、出租房或家庭等的房门管理和权限控制之中。因此，智能门锁市场前景广阔、推广应用大有可为。

1  智能锁的安全性与关键技术分析

1.1  智能锁安全问题分析

1.1.1  访问控制协议

在智能锁的实际应用中，各模块间的网络传输会受到攻击与威胁，这是由于各类传感模块之间的传输不稳定，如果在别有用心的人员操控下就能在开放的传输网络间安插节点，继而对正常的登录或操作造成影响，此类问题较为隐蔽且难以防范，因此是智能锁推广应用的关键问题之一。

1.1.2  无线网络

目前的智能家居产品大多都是以无线网络为基础来使用户提升体验感，但是随之而来的就是无线网络的安全威胁，此问题伴随着互联网的诞生，始终未能得到彻底解决。因此在智能锁设计与使用中应避免因无线网络安全问题而影响智能锁的正常使用。

1.2  智能锁关键技术分析

1.2.1  访问控制技术

智能锁各模块间的传输是通过无线方式组网的，它的核心技术就是采集并传输数据，尤其是网关部分最易受到攻击，导致信息泄露。访问控制技术的主要功能是监视并分析用户的活动与行为，并对用户操作行为进行响应，同时给予其相应的权限，防止非法用户获取权限。

1.2.2  用户动态认证

用户动态认证能够通过在节点登录后与网关实现共享，从而防止非法用户捕获网络节点而导致因被攻击出现异常的问题。在用户动态认证环境中，如果非法用户伪造登录数据，就无法捕获到动态密钥数据，登录受到攻击后，节点就会收到攻击信息，做出报警指令等动作。

1.2.3  网络认证协议

在网络认证协议中，应用通信网的规范能够有效提升安全性，并以认证链接作为参照，构建具有认证交互与信息的EAP-WAPI模式，该协议模式能够将客户端与服务器封装，以确保接入的安全性。简而言之，这样的双向认证能够确保服务器与用户之间数据传输的安全性，进而核对用户身份的合法性，此时网络认证协议就会对服务器的指令进行响应，然后反馈给用户，最终确定是否通过认证并接入网络。该认证协议同时能够对数据进行加密处理。需要注意的是在认证过程中，应合理降低签名验证与认证交互的频率，实现执行效率的提升。

1.2.4  身份认证与管理

身份认证与管理的构建基础应是数字证书，通过PKI证书的安全机制能够搭建起智能化身份认证与管理机制。

1.2.5  虚拟网络技术

VPN是指虚拟专用网络，就是在已有的公共网络上再建立一个加密通讯的专用网络，VPN的网关可以通过转换地址及加密数据，从而使远程访问得以实现。如此一来，所建立起来的虚拟专用网络是隔离于公共网络之外的，从而对非法用户的破坏行为进行有效阻止，保障智能锁的安全性与稳定性。

2  智能锁的设计思路与方案

2.1  设计思路与方案

本系统设计核心处理器为STM32F103，借助红外检测扫描模块对门锁外围情况进行定时检测，外围无人的情况下，外设自动关闭，智能锁进入低功耗休眠模式，如果有人用密码或指纹开锁，系统就会对用户身份的合法性进行检查，在经过系统确认后就会通过发送指令开锁，并将相关的录像视频经云服务器后向客户端进行发送，以起到通知的作用。除此之外，该智能锁还能够为用户提供语音支持，能够利用语音提示提升用户的体验感。总体结构框图如图1所示。

2.2  智能锁硬件部分设计

2.2.1  指纹模块

指纹模块是该智能锁系统的核心部件，其作用就是快速、精确地对用户指纹进行核实与匹配，进而迅速判断用户的合法性。该智能锁系统设计采用的电容指纹模块为R301，该模块将高性能DSP处理器与指纹传感器相结合，并内嵌完整的指纹识别协议与算法，其功能包括指纹搜索与比对、模块的生成与存储、提取特征、指纹录入及存储、图像处理等功能。其中指纹模块可存储的指纹约1 700枚，并能将搜索指纹的时间控制在0.3秒以内。其运行的基本原理是通过Uart串口与单片机实现指纹数据通信，并向MCU传输指纹处理结果，此时主控芯片就会根据收到的处理结果数据向无线模块及电机发送指令，从而使智能门锁快速开门的结果得以实现。

2.2.2  摄像模块

本智能锁系统设计使用的是OV7670型摄像模块，此型号摄像模块的特点是总线制、工作电压低且模块体积小，同时能够实现整帧输出、子采样等功能。同时考虑主控芯片处理图像的速度，在进行电路设计时，在FIFO中先将图像存入，摄像模块设计RGB565、JPG为输出格式，当主控芯片收到图像信息后，借助Wi-Fi模块将其发至云服务器，云服务器收到视频、图像数据并加以处理后，发送至客户端。

2.2.3  按键模块

本智能锁设计使用12通道触摸感应芯片WTC6212ML作为该模块核心，其特点包括低功耗，2.2～5.5伏工作电压，对于最小间距0.5毫米的密集键盘也可使用，且防水能力佳。触摸按键数量设计4～12个，触摸灵敏度则通过CSEL电容来设定。芯片输入的根据是PCB感应，并经触摸芯片转换为BCD码后，向MCU传输，系统以此为基础确定安全级别并判定加密与否，最后门锁电机就会根据指令进行动作，同时上传用户记录至云服务器进行信息保存。

2.2.4  锁体模块

锁体的开关动作由系统指令对电机进行驱动完成，锁体模块输入/输出口初始化后，便开始等待指令，当收到指令并对其进行解析后，完成开关动作并上传开关记录。此外，手机端APP也能控制鎖体，通过网络向服务器发送指令后，经由Wi-Fi向锁体发送指令，锁体设计如5秒后未检测到开门进入动作，智能锁就会自动锁门。

2.3  智能锁软件部分设计

2.3.1  总体架构设计

当智能锁系统接通电源后，整个系统开始初始化配置，包括各模块、输入/输出模块与时钟等。完成初始化后，智能锁系统就会开始进行初始信息采集，用RSA算法加密处理需传输的数据后，经Wi-Fi模块向服务器传输，与此同时对用户发出的指令进行实时监听，并进行相应解析，最终根据指令完成相应的控制与调整动作。

2.3.2  密码管理

为降低智能锁系统的工作功耗，在默认情况下密码管理处于休眠状态，如有用户唤醒系统，密码管理就会开始扫描按键，接收用户输入信息。系统在此时通过语音模块提示用户，在显示面板中显示随机密码序列，确保不会因输入密码留下的痕迹而产生安全隐患。核对用户身份合法性后，智能锁就会完成开锁动作，同时将门锁开关记录保存至云服务器。另外，考虑到数据传输的安全性，所有的传输都基于加密处理，并将密码输入次数限制在5次以内，如有用户超过5次输入错误的信息，智能锁就会将提示信息向用户端进行发送，智能锁使用者可通过摄像模块远程确定访客信息，从而确定是否给予访客授权、报警或关闭系统，确保智能锁的安全性。

2.3.3  视频处理

视频处理流程如图2所示。

系统中的STM32F103模块先将视频模块及参数进行初始化后，等待接收用户指令，当收到用户指令后，启动协议栈及Wi-Fi模块，成功连接服务器后向MCU发送图像信息。由于图像信息较大，系统数据存储采用DMA完成，在寄存器中存储数据，此时控制器只需要读取寄存器内的信息，如此一来就能使控制器的负担减轻，同时确保实时传输数据。信息经处理后变为JPG格式的图片并发送至用户端。

2.4  系统测试与结果分析

该智能锁经硬件与软件两部分测试，其中硬件测试首先确保各硬件模块能够独立运行且正常兼容，测试标准为单机状态下获得输入信息并判断其准确性。所有硬件模块测试包括视频传输、触摸扫描的稳定性与匹配指纹的准确性。软件测试则是在各模块正常动作的前提下，测试数据在各模块、设备间，如客户端、终端设备、服务器等之间传输的准确性、稳定性。

由于本智能锁系统设计的核心是指纹与Wi-Fi，因此对指纹模块的测试基于手指的不同湿度条件，重点检查在Wi-Fi环境下数据传输的稳定性。结果显示当手指湿度大于80%时，录入时间与误差值也在设计范围内且数据传输正常。由此可见，本案例中所设计的智能锁从最大限度上考虑到了安全问题、网络问题及实用性问题，同时确保指纹开锁的准确性与安全性。遇到非法用户提供报警功能，存储并记录用户开关锁行为，便于用户查询。

3  结  论

综上所述，基于指纹与Wi-Fi的智能门锁随着物联网的普及与推广已经开始被越来越多的家庭使用，其具有便捷性、安全性等优点，市场前景广阔。通过对基于指纹与Wi-Fi的智能锁的关键技术与安全性分析，同时设计案例中不难看出，虽然智能锁相较于传统锁具已经有了很大的进步，并在安全性上有了极大的提升，但由于智能锁主要通过Wi-Fi、网络等作为传输媒介，在进行数据传输时的安全性仍然需要进一步研究，这也是智能锁走向成熟的重要研究课题之一。

参考文献：

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作者简介：苏赐民（1973.02-），男，汉族，广东湛江人，讲师，毕业于武汉大学，工程硕士，研究方向：电子技术。