基于加密无线通讯的家用智能门锁系统探讨

熊壮

【关键词】加密无线通讯 家用门锁 智能系统

1. 前言

在智能门锁系统中，无线路由器通过利用无线信号与系统使用者的手持性移动通讯设备进行连接，而无线路由器又通过无线信号连接上上位机。在相互连接的过程中，主要是由采用了WPA2/PSK 协议和SSH 安全协议的家庭无线局域网来对无线连接的无线路由器、手持性通讯设备以及上位机进行双层加密，并通过相关协议的约束来处理无线门锁在家庭无线局域网中的无线信号传输的保密性问题。上位机往往通过产生脉冲信号来对下位机进行控制，一般下位机为门上的锁具。

2. 家用智能门锁系统的运作模式和产生背景

在家用智能门锁系统构建完毕后，使用者可以通过手持性移动通讯设备发出相关指令，而发出的指令通过网络信号传递到无线路由器上，无线路由器在收到指令信号后，又由无线信号转发到上位机上，然后上位机通过脉冲信号对下位机进行控制，完成对家用智能门锁系统内锁具的开关控制，从而实现方便快捷的远距离控制家庭门锁，有效的保障家庭财产安全。

在目前，大多数家庭安装的防盗门上安装的锁具主要是电子锁或者防盗锁。其中，机械锁是由弹簧、弹片等机械部件组成的，要想对其进行开锁的操作，需要使用固定的钥匙才能启动，但是这种机械锁的保密性能比较差，防盗能力不足，很容易被破解，从而成为小偷的目标，造成不必要的财产损失。电子锁主要是运用IC 卡以及指纹解锁、人脸解锁等生物特征识别的方式来进行保密，虽然其相较于传统的机械锁来说，安全性能有着较大的提高，但是在实际的使用过程中，仍然有着一些难以避免的弊端。对于IC 卡锁具的使用来说，其卡密破解难度较小，具有着易丢失、易仿制的特性;而对于指纹解锁模式来说，虽然其使用方法简单，解锁主要依靠手指指纹，不像IC 卡易丢失、易仿制，但在实际使用过程中容易遇到指纹识别算法错误的问题，并且在不同的使用环境和使用条件下，其解鎖速度往往也不尽相同;至于人脸识别技术，虽然其相较于IC 卡和指纹解锁模式来说具有着更加方便卫生的使用模式，但是现在市场上流通使用的人脸识别系统主要采用的是DSP 或ARM 芯片，其对于信息处理的速度比较慢，使用要求较高，不够方便，而且识别错误率也比较高，在快速对焦拍摄上依然有着巨大的不足。随着电子锁不断地更新换代，其和机械锁进行对比时，安全性得到了极大的提升，但在实际的使用过程中还是存在一些不足。因此，开发出更为便捷，错误率更低，安全性能更高的家用智能门锁系统是当前相关产业的研究重点，有着极大的社会价值。

3. 方案分析

将加密无线通讯作为主要技术核心内容的智能门锁系统，其系统构成主要包含上位机、下位机、系统内的门、安装在门上的锁具、无线路由器以及手持移动设备等部件。手持移动通讯设备通过利用无线网络和路由器之间进行有效地连接和融合，并且通过无线路由器传递对应的信号指令，在上位机收到信号指令之后再把所收到的信号指令的内容指示转化成为脉冲信号传递给下位机，上位机通常与下位机直接连接，下位机在家用智能门锁系统中主要起着控制门锁的开关状态的功能，对门锁进行开启和关闭的操作。

4. 系统分析与实现

本方案在智能门锁系统功能设计规划中，无线路由器主要是起到进行信号的发射的功能，在实际使用的过程中其所发挥的具体功能与用户平时进行上网操作时所使用的路由器功能没有明显的区别，当路由器通过网络或家庭无线局域网接收到来自移动通讯设备所发出的信号指令之后，路由器利用本身所具有的天线发出的无线网络把接收到的信号指令转输给周围的在家用智能门锁系统中的无线网络设备，一般来说，其利用自身具有的天线发射出的无线网络是以SSH 安全协议以及WAP2/PSK 协议为主的家庭无线局域网，在这个网络中，信号指令的传递与转发被相关协议所约束，极大程度的保障了家庭无线局域网内信号指令传输的安全性，也保证了家用智能门锁系统实际使用的安全保障性。无线路由器不但具备无线AP 的所有功能（包括VPN、防火墙、WEP 加密等等），还能及时的进行网络地址的转化，使用户可以在局域网中得到数据信息的共享和局域网内其他用户的帮助。无线路由器可以和ADSL 调制解调器相互连接，并且在实际使用的过程中利用交换机、宽带路由器等媒介融入到局域网中。在无线路由器中还有较为简便的拨号软件，用户可以利用账号和密码进行网上登录，还可以利用拨号和网络相互连接，不需要用户再次为其调配对应的电脑或是终端服务器。这些家用智能门锁系统设计的主要核心内容基础就是无线路由器，通过利用无线路由器所发出的WLAN 网络来实现家用智能门锁系统的用户和上位机进行网络互联，并利用家庭无线局域网实现无线路由器对家用智能门锁系统用户手持移动通讯设备和上位机之间的信号指令的转发，使得上位机通过脉冲信号控制下位机进行门锁的开关控制工作，从而实现家用智能门锁系统的远程操作功能，为用户的开关锁操作带来极强的便捷性。

本次家用智能锁系统方案设计中选的上位机为树莓派迷你电脑，其有网络端口、两个USB 接口和GPIO 端口来进行信号的接收和传递，而对这些端口进行利用可以有效的解决无线路由器发射的信号接收问题，并且通过端口连接线和下位机相互融合，通过将无线路由器转发过来的信号指令转化成脉冲信号来控制下位机的开合状况，实现对门锁的开关控制。树莓派的主要操作系统有Windows 以及ARM 和Linux操作系统，和一般的电脑进行对比的话，其所占空间比较小，而且具有的“大容量内存”也能够保存很多和家用智能门锁系统环节中所占有的工作内容有关的东西，所以在方案系统内可以把其作为通用计算机，而且树莓派迷你电脑在家用智能门锁系统的实际工作过程中可以在较短的时间内有效的处理数目较多的后端数据，所以也可以把它作为一个小型的PC 运用在家用智能门锁系统中来对信号指令信息进行更为有效的处理。在这次智能门锁设计的过程中，由于树莓派迷你电脑本身的设计原因，其所占的空间比较小，所以很容易隐藏起来，在实际使用的过程中不容易被人们所察觉，而作为上位机存在于家用智能门锁系统中的树莓派迷你电脑的高隐蔽性，保障了上位机的运用安全，在一定程度上大大的增强了系统的安全性。再者因为树莓派具备很多不同的信号连接端口，所以在实际的运用过程中可以和鼠标、键盘、显示器等操作连接起来，在保证家用智能门锁系统具有着可操作性的同时，还有利于及时的对系统的缺陷进行补足，保障家用智能门锁系统的可操作性和持续安全有效性。

下位机在家用智能门锁系统的实际使用过程中主要是用来接收上位机传送的脉动信号，并根据脉动信号的实际指示进行操作，然后控制对应的门锁开合，实现门锁的远程可控制性，家用智能门锁系统实际方案中的下位机是Arduino 下位机，其除了可以被上位机通过端口连接线传输的脉冲信号进行控制外，还可以在Arduino 控制板连接无线网络接口或是蓝牙接口被无线通讯设备进行控制。控制板存在I/O 端口，这次设计方案中我们把MCU 作为核心控制器的AVR 单片机进行相互连接。AVR 单片机在家用智能门锁系统的设计方案中主要承担为下位机接收信号的功能，所以，下位机可以利用AVR 的脉冲信号来进行相应信号指令的接收，并根据相应的信号指令进行相应的工作，从而执行门锁开启与闭合的动作。手持移动通讯设备主要是指具備无线网络板块的移动设备，其在家用智能门锁的实际使用过程中必须具备可以发出对应的信息指令的功能，从而保障整个系统的有效进行。在所有家用智能门锁系统的系统操作中，用户通过带着对应的移动设备，在使设备连接上网络时，利用连接外部网络的无线路由器和家中的网络相互连接，并且不影响手持移动通讯设备进行网页的浏览等上网的操作，通常情况下，手持移动通讯设备与家庭无线路由器连接的这个过程是自动化的过程，在第一次进行手持移动通讯设备与家庭无线路由器连接相关的连接操作后，下一次用户在进行手持移动通讯设备与家庭无线路由器连接时便不需要再进行较为繁琐的操作。

5. 技术特征

这次家用智能门锁具备一定的安全性和实用性，主要包含了以下几方面的内容：

第一，具备隐秘性。这次设计所使用的是SSH 安全协议以及以WPA2/PSK 作为基础的无线局域网，同时具有WLAN以及SSH 密钥进行多重保护的功能，从而有效的加强了门锁的隐蔽性。

第二，具有安全性。本次设计主要是把智能锁隐藏到无线局域网所覆盖的范围中，和传统的机械锁或是电子锁进行对比，其中的安全性得到了大大的提升，破解往往需要耗费较大的时间和精力，最重要是成功的几率较低。

第三，损耗情况比较轻。本次设计属于防盗门的范畴中，并且门锁的开关主要是靠移动设备来操控的，如果使用外力进行暴破的话，可行性也不高。

第四，资金经费较少，本次设计还兼顾了传统锁具的功能，不会出现因为网络不稳定及其他特殊情况造成无法解锁的尴尬。

6. 结束语

综上所述，与过去的门锁进行对比，智能门锁的优势更为明显，具备较强的安全性，资金耗损比较低，随着科学技术的发展，智能门锁的发展速度也十分迅猛，使用范围也在不断增加，很大程度上提高了人们的生活质量。