山東科技大學(xué)機(jī)電工程系 趙蘭浩 董 鑫 孫 曄

基于串級控制的密碼鎖安全性優(yōu)化

山東科技大學(xué)機(jī)電工程系 趙蘭浩 董 鑫 孫 曄

針對目前應(yīng)用廣泛的普通電子密碼鎖存在的安全性問題，為了提高現(xiàn)有電子密碼鎖的安全性，作者采用串級控制方法，在鍵盤與控制器之間引入接口環(huán)節(jié)，并運(yùn)用串并轉(zhuǎn)換技術(shù)設(shè)計(jì)了鍵盤與鎖體的接口。然后作者使用51單片機(jī)仿真改進(jìn)后的電子密碼鎖與普通密碼鎖進(jìn)行比較，驗(yàn)證得出經(jīng)過改進(jìn)的電子密碼鎖的安全性有所提高。

電子密碼鎖；串級控制；串并行轉(zhuǎn)換；單片機(jī)

1.背景

在日常生活中，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，安全成為人們經(jīng)常提起的話題之一，而且隨著科技的發(fā)展，人們對于安全性的要求也越來越高。這一現(xiàn)象在鎖具上尤為明顯。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)相對簡單，易被暴力破解，因此近些年產(chǎn)生了許多針對各種機(jī)械鎖的破解方法，給人們的財(cái)產(chǎn)帶來了不小的損失。

為了解決這一問題，近年來，人們采用各種技術(shù)開發(fā)新型鎖具，出現(xiàn)了電子密碼鎖、指紋鎖、IC卡鎖等，由于電子密碼鎖具有保密性強(qiáng)、安全系數(shù)高、使用靈活性好等特點(diǎn)，在市場上受到了普遍好評。

目前市場上常見的電子密碼鎖都是通過固定鍵盤輸入密碼完成開鎖任務(wù)，這些產(chǎn)品提高安全性的措施往往在增加密碼位數(shù)[1]，改進(jìn)鍵盤盤面設(shè)計(jì)[2]等。

2.安全性分析

密碼鎖的安全性主要包括兩個(gè)方面，穩(wěn)定性和識別性。具體來說，穩(wěn)定性是指電子密碼鎖在長時(shí)間工作過程中功能保持能力。識別性是指密碼鎖對于主人和入侵者的識別能力。一般人們選擇電子鎖具都是從這兩個(gè)方面考慮。

對于目前市場上使用最廣泛的電子密碼鎖，由于各個(gè)廠家采用了多種新型芯片作為控制器，同時(shí)結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對電子密碼鎖的內(nèi)部電路進(jìn)行了多次改造[3]，因此密碼鎖的穩(wěn)定性相較于以前有了長足的進(jìn)步。

接下來分析識別能力，傳統(tǒng)的機(jī)械鎖具最大的威脅是作為開鎖器的鑰匙遺失或者被復(fù)制。進(jìn)入電子密碼鎖時(shí)代沒有了實(shí)體鑰匙，消除了由于鑰匙遺失給主人帶來的不便。但同時(shí)我們也注意到，由于密碼數(shù)字是抽象的，而且數(shù)字相對于機(jī)械鑰匙幾乎沒有復(fù)制難度，因此一旦使用者在無意中通過各種方式泄露密碼或者密碼易被猜出，對不法分子來說將是最大的便利。而目前存在的普通密碼鎖在密碼泄露后對于主人的識別能力會基本喪失。

因此我們采用串級控制思想，將密碼鎖和機(jī)械鎖結(jié)合起來。對該問題的解決會有一定的幫助

3.方案的選擇

所謂串級控制是指兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)在一起控制一個(gè)執(zhí)行閥，實(shí)現(xiàn)控制目的的方法（引用5百度百科）。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是必須兩個(gè)調(diào)節(jié)器同時(shí)具備條件執(zhí)行閥才會按照程序動作。 通過分析現(xiàn)有的電子密碼鎖具我們得出，現(xiàn)有的電子密碼鎖具主要過程是遵循使用者—鍵盤—控制器—執(zhí)行部件。因此加入控制環(huán)節(jié)的區(qū)間只有使用者和鍵盤、鍵盤和控制器，而控制器和執(zhí)行部件之間加入控制環(huán)節(jié)對于使用者將信號傳入控制器無關(guān)。

（1）使用者和鍵盤

在該區(qū)間加入控制環(huán)節(jié)，即使用者在使用鍵盤前必須通過其他方式驗(yàn)證自己身份。比如通過指紋識別來驗(yàn)證身份。

（2）鍵盤和控制器

在該區(qū)間加入控制環(huán)節(jié)，即鍵盤通過接口連入密碼鎖體，而不是直接輸入鎖體。比如可以將鍵盤拆除，然后通過串并行轉(zhuǎn)換技術(shù)設(shè)計(jì)接口。而接口設(shè)計(jì)成機(jī)械鎖結(jié)構(gòu)，只有機(jī)械鎖符合才會將鍵盤信號輸入控制器。

通過分析以上兩種方案，我們得出，第一種方案思路簡單，但指紋識別芯片價(jià)格較高，且使用范圍較窄，指紋芯片受外界干擾大。而第二種方案較好結(jié)合了密碼鎖和機(jī)械鎖的優(yōu)點(diǎn)。成本較低，將鍵盤和鑰匙結(jié)合，提高了安全性。

4.鍵盤與鎖體的接口設(shè)計(jì)

（1）接口的總體設(shè)計(jì)

以16位鍵盤為例，鍵盤與控制器接口共有8位。因此將鍵盤拆除加入接口后，如果不做處理，則鍵盤與控制器需要有8個(gè)插口。這給密碼鎖的使用帶來不便。我們參考機(jī)械鎖的做法，運(yùn)用串并行轉(zhuǎn)換技術(shù)，將接口改成1位，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械鑰匙的功能。

（2）串并行轉(zhuǎn)換

串并行轉(zhuǎn)換技術(shù)是指實(shí)現(xiàn)串行和并行通信的相互轉(zhuǎn)換。

串行通信是指只使用一條數(shù)據(jù)線，按照順序傳輸數(shù)據(jù)，每一次只傳輸一位，每一位占據(jù)一個(gè)時(shí)間間隔。而并行通信是指在多條線上同時(shí)傳輸一組數(shù)據(jù)。

依據(jù)總體設(shè)計(jì)，我們在原有鍵盤的基礎(chǔ)上加入電源和并轉(zhuǎn)串轉(zhuǎn)換器。在鎖體上加入串轉(zhuǎn)并轉(zhuǎn)換器。

（3）并轉(zhuǎn)串轉(zhuǎn)換芯片

對于并轉(zhuǎn)串轉(zhuǎn)換芯片，我們選擇74hc165芯片，74HC165是8位并轉(zhuǎn)串移位寄存器芯片，串行信號從Q0和Q7輸出，當(dāng)讀取口PL輸入為低電平時(shí)，輸入口輸入的并行數(shù)據(jù)按順序讀入寄存器中。當(dāng)讀取口PL輸入為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)將從DS輸入端串行讀入寄存器，同時(shí)在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿右移一位。利用這種特性，將Q7輸出作為下一級的DS輸入，實(shí)現(xiàn)并轉(zhuǎn)串轉(zhuǎn)換。

（4）串轉(zhuǎn)并轉(zhuǎn)換器芯片

對于串轉(zhuǎn)并轉(zhuǎn)換芯片，我們選擇74ls164芯片，74LS164是8位邊沿觸發(fā)式串行輸入并行輸出移位寄存器，門控串行輸入數(shù)據(jù)，并行輸出數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過兩個(gè)輸入端（DSA或DSB）中的其中一個(gè)串行輸入。任一輸入端可以控制另一輸入端的數(shù)據(jù)輸入，具體來說，當(dāng)A、B中有一個(gè)為低電平時(shí)，在時(shí)鐘作用下，輸出Q（A）為高電平，當(dāng)A、B均為高電平時(shí)，輸出Q（A）為高電平。兩個(gè)輸入端或連接在一起，或把不用的輸入端接高電平。時(shí)鐘每次由低變高時(shí)，數(shù)據(jù)右移一位，輸入到 Q（0）， Q（0）是兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端（DSA和 DSB）的邏輯與，它將上升時(shí)鐘沿之前保持一個(gè)建立時(shí)間的長度。

5.驗(yàn)證和結(jié)論

我們通過PROTEUS軟件繪制了改進(jìn)后的密碼鎖原理圖，并同時(shí)繪制了普通電子密碼鎖的原理圖。由于機(jī)械鎖無法通過PROTEUS軟件進(jìn)行仿真，我們使用在控制器上的電源開關(guān)作為機(jī)械鎖環(huán)節(jié)的仿真。通過仿真，我們得出以下結(jié)果：

（1）普通電子密碼鎖和改進(jìn)后的電子密碼鎖在基本的功能實(shí)現(xiàn)上并無差別，輸入密碼后工作正常。因此在基本功能上，兩種鎖功能相同。

（2）改進(jìn)后的密碼鎖在密碼泄漏后對主人的識別能力較好，普通密碼鎖識別能力幾乎為零，基本達(dá)到了優(yōu)化目的。

（3）改進(jìn)后的密碼鎖在使用時(shí)其方便性會低于普通電子密碼鎖。但考慮到其安全性明顯高于機(jī)械鎖和普通電子密碼鎖，而且由于使用了串并行轉(zhuǎn)換技術(shù)，方便性與機(jī)械鎖相當(dāng)。因此改進(jìn)后的電子密碼鎖在安全性和方便性之間有著較好的平衡。

[1]李嵐．多位數(shù)字密碼鎖[J]．電子制作,2002(11):12-13．

[2]胡彩霞,吳曉盼．基于VHDL利用PS/2鍵盤控制的密碼鎖設(shè)計(jì)[J]．銅陵學(xué)院學(xué)報(bào),2011,10(5)．

[3]李曉輝,基于單片機(jī)與串行通信的電子密碼鎖設(shè)計(jì)[J]．電子技術(shù)與軟件工程,2014(22)．

趙蘭浩（1996—），男，山東棗莊人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于山東科技大學(xué)。