一种基于红外阵列的加密电子锁的控制方法及系统与流程

本发明涉及一种基于红外阵列的加密电子锁的控制方法及系统，属于智能家居行业的安全技术防范领域。

背景技术：

门锁作为安全防范产品必须具有安全性、稳定性。如今，有些生产锁的厂家在自身锁的防盗性能上，没有任何进展，为了商业目的，只有在锁的外观上大做文章，改变钥匙形状，故弄玄虚，蒙蔽消费者，这些锁的防盗性能上甚至还不如最古老、简单的挂锁。从锁的发展历史上看，要想能防止万能钥匙的开启，锁的制造工艺就会特别复杂，制造成本会十数倍的增加，同时，其防暴力破坏的性能也会大大降低，锁具制造行业一直被这个问题所困扰。至今，选择什么样的锁才真正安全是广大消费者最为关心的事。但目前市场上主流的几种锁都有各种各样的缺点：

1.机械锁：由于其价格便宜所以被大众广泛使用，但现在入室抢劫事件层出不穷，多数盗窃团伙利用所谓的“万能钥匙”几秒钟就能打开门，轻松进入室内；且机械锁钥匙易被复制，若遇到类似将钥匙给钟点工单独使用的情况，存在很大的安全隐患；

2.指纹锁：虽然有难被复制的优点，但其存在价格较贵和电子零件易损坏、电源易发生故障等缺点，而且温度低不易识别；

3.遥控锁：大多数汽车都适用遥控锁，但是出现这样一种特殊的偷取车内财物手法：利用车主锁车时遥控器发出的信号，偷车贼在离很近的地方利用特殊的仪器干扰遥控信号，然后打开车门偷取财物。

电子锁是组成公共安全防范系统的重要电子装置。随着科学技术的发展，一些以芯片为核心的基于单片机的新型电子锁开始出现，这类型的电子锁一般是采用电子线路控制，以电磁铁(或微型电机)和锁体作为执行机构的机电一体化保险装置。但是现有的电子密码锁，尤其是应用于公共场所的电子锁，其安全稳定性仍然较差，比如一旦将密码告诉其他人，就会存在密码泄露的风险。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种基于红外阵列的加密电子锁的控制方法及系统，它可以有效解决现有技术中存在的问题，尤其是机械锁钥匙易被复制、互开率高，遥控锁信号易被截取，指纹锁价格昂贵，温度低不易识别，以及现有的电子密码锁的安全稳定性较差的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：一种基于红外阵列的加密电子锁的控制方法，包括以下步骤：

a.开锁时，红外发射装置控制单片机进行加密运算，然后通过串口发送字符串至红外发射模块矩阵，红外发射模块矩阵发出不同的红外波形信号；

b.电子锁的红外接收模块接收所述的红外波形信号，对所述字符串进行解密；然后判断解密后的信息与其存储的初始化信息是否一致；若一致，则电机驱动模块启动，锁打开；若不一致，则蜂鸣器进行报警。

优选的，步骤a中所述的加密运算采用基于线性映射的改进的RC4加密算法。

前述的采用基于线性映射的改进的RC4加密算法进行加密包括以下步骤：

S1，计算(i+1)与N相除的余数，其中，i大于等于0小于等于N-1，N为初始状态矢量S中的元素个数，i、N、S均为加密算法初始化的向量值，利用他们和明文进行运算，即可获得加密后的数据；

S2，利用线性方程计算y的值，y＝k*x+b，k和b的值可由用户自行设定其值，这样就可以提高算法的随机性，使得破译的难度更加大；

S3，将y的值赋给x，x＝y，从而当下一次加密的时候，新的x的值与上次加密x的值不同，提高加密的随机性，更难被破解；

S4，利用矢量S、y和N的值计算变量j的值，j＝(j+S[i]+y*N)mod N，j大于等于0小于等于N-1，y的值由步骤S2给出；

S5，交换S[i]与S[j]中的元素(即swap(S[i],S[j]))；

S6，利用矢量S的不同元素(即S[i]+S[j])和N计算t的值，t＝(S[i]+S[j])mod N；

S7，将矢量S中的第t个元素的值赋给KEY的第t个元素，KEY[t]＝S[t]；转到S1，以此类推，获得最终的子密码KEY；然后利用所述的最终的子密码KEY对明文消息(比如红外发射装置的ID号)进行加密。

上述的基于红外阵列的加密电子锁的控制方法中，步骤a中，当获得最终的子密码KEY后，将该最终的子密码KEY与红外发射装置的ID号进行异或运算，得到该红外发射装置的密文字符串，然后通过串口发送字符串至红外发射模块，红外发射矩阵发出不同的红外波形信号，由于ID号是唯一的，这样使得每把钥匙加密后的数据都不一样，进而密文字符串和红外波形信号也不一样，从而不同的锁之间不会互开。

步骤b中，电子锁的红外接收模块接收所述的红外波形信号，并采用前述的基于线性映射的改进的RC4加密算法计算得到与a步骤中相同的子密码KEY，利用所述的最终的子密码KEY与所述的密文字符串进行异或运算，得到红外发射装置的ID号；然后将该红外发射装置的ID号与电子锁自身存储的信息相比较，若一致，则电机驱动模块启动，锁打开。

实现前述方法的基于红外阵列的加密电子锁的控制系统，包括：红外发射装置和设于电子锁中的红外接收装置，所述的红外发射装置包括A单片机、A电源模块、按键模块、红外发射模块和A开关，所述的A电源模块、按键模块、红外发射模块和A开关分别与A单片机的IO端口连接；所述的红外接收装置包括：B单片机、B开关、B电源模块、红外接收模块、蜂鸣器和电机驱动模块，所述的B开关、B电源模块、红外接收模块、蜂鸣器和电机驱动模块分别与B单片机的IO端口连接，红外接收模块与红外发射模块无线连接。

优选的，所述的红外发射模块和红外接收模块均为多个，且一一对应，多个红外发射模块分别与A单片机的IO端口连接；对应的多个红外接收模块分别与B单片机的IO端口连接。

前述的基于红外阵列的加密电子锁的控制系统中，所述的红外接收装置还包括：LED状态信号指示灯，所述的LED状态信号指示灯与B单片机连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用红外阵列加密电子锁，必须由对应钥匙近距离操作才可将锁开启，从而可以有效解决不法分子从中截取信号的问题，安全性较高；而且本发明通过红外的发射和接收来实现电子锁的开启，并通过加密算法进行红外的编码和解码，使得每一次发射的红外信息都不同，从而也大大提高了该电子锁的安全性；同时其成本低廉，可防止钥匙复制，且互开率较低；

2、本发明为了提高传统RC4算法中伪随机数生成过程中的随机性，进而提高算法的可靠性，提高电子锁的安全性，将线性方程(y＝k*x+b，其中参数k和b可由用户确定)融入伪随机子密码的生成过程中，并且该算法具有较低的计算复杂度；

3、本发明的加密电子锁的控制系统包括红外发射装置和设于电子锁中的红外接收装置，其中，所述的红外发射装置作为本系统中的钥匙来使用，该加密电子锁具有安全防盗功能，稳定性可靠性较高，且与在外观上大做文章的锁相比，成本较低；

4、本发明的红外发射装置中设置有多个(以三个为例)红外发射模块，每个串口的加密方式是相同的，但是初始数据是不同的，按下按键后，每个原始原始数据通过加密算法加密，串口打开，三个红外模块就会发射出经过加密算法加密之后的三种不同的信息，从而可以进一步有效防止钥匙复制的情况，解决机械锁的易复制性、互开率高的问题；

5、本发明中的红外接收装置接收到红外发射装置所发射的红外信息之后，对接收到的信息利用相同的子密码进行解密，然后看所述的明文消息与其自身存储的信息是否一致，若相同，则单片机通过控制电机开锁，同时，LED状态信号指示灯闪烁，否则，启动蜂鸣器模块，发出警报声；也即一个锁只能由与其相同编译密码的钥匙才能打开，从而可有效解决万能钥匙带来的危害；同时与指纹锁、传统数字密码锁等相比，本发明的加密电子锁价格低廉，不受温度影响，安全稳定性和可靠性更高，能有效保护消费者的财务。

附图说明

图1是本发明的一种实施例的系统结构框图；

图2是本发明实施例中红外发射模块的电路原理图；

图3是本发明实施例中蜂鸣器的电路原理图；

图4是本发明实施例中电机驱动模块的电路原理图；

图5是本发明实施例中红外接收模块的电路原理图；

图6是本发明实施例中红外发射装置的工作流程图；

图7本发明实施例中红外接收装置的工作流程图。

附图标记：1-红外发射装置，2-红外接收装置，3-A单片机，4-A电源模块，5-按键模块，6-红外发射模块，7-A开关，8-B单片机，9-B开关，10-B电源模块，11-红外接收模块，12-蜂鸣器，13-电机驱动模块，14-LED状态信号指示灯。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

本发明的实施例：一种基于红外阵列的加密电子锁的控制方法，如图6、图7所示，包括以下步骤：

a.开锁时，红外发射装置控制单片机进行加密运算，然后通过串口发送字符串至红外发射模块矩阵，红外发射模块矩阵发出不同的红外波形信号；

b.电子锁的红外接收模块接收所述的红外波形信号，对所述字符串进行解密；然后判断解密后的信息与其存储的初始化信息是否一致；若一致，则电机驱动模块启动，锁打开；若不一致，则蜂鸣器进行报警。

本发明利用红外阵列加密电子锁，必须由对应钥匙近距离操作才可将锁开启，从而可以有效解决不法分子从中截取信号的问题，安全性较高；而且本发明通过红外的发射和接收来实现电子锁的开启，并通过加密算法进行红外的编码和解码，使得每一次发射的红外信息都不同，从而也大大提高了该电子锁的安全性；同时其成本低廉，可防止钥匙复制，且互开率较低

为了提高传统RC4算法中伪随机数生成过程中的随机性，进而提高算法的可靠性，提高电子锁的安全性，步骤a中所述的加密运算可采用基于线性映射的改进的RC4加密算法，具体包括以下步骤：

S1，计算(i+1)与N相除的余数，其中，i大于等于0小于等于N-1，N为初始状态矢量S中的元素个数，i、N、S均为加密算法初始化的向量值；

S2，利用线性方程计算y的值，y＝k*x+b，这里的k和b的值可由用户自行设定其值；

S3，将y的值赋给x，x＝y；

S4，利用矢量S、y和N的值计算变量j的值，j＝(j+S[i]+y*N)mod N；j大于等于0小于等于N-1，y的值由步骤S2给出；

S5，交换S[i]与S[j]中的元素(即swap(S[i],S[j]))；

S6，利用矢量S的不同元素(即S[i]+S[j])和N计算t的值，t＝(S[i]+S[j])mod N；

S7，将矢量S中的第t个元素的值赋给KEY的第t个元素，KEY[t]＝S[t]；转到S1，以此类推，获得最终的子密码KEY；然后利用所述的最终的子密码KEY对明文消息进行加密。

步骤a中，当获得最终的子密码KEY后，将该最终的子密码KEY与红外发射装置的ID号进行异或运算，得到该红外发射装置的密文字符串，然后通过串口发送字符串至红外发射模块，红外发射矩阵发出不同的红外波形信号；步骤b中，电子锁的红外接收模块接收所述的红外波形信号，利用所述的最终的子密码KEY与所述的密文字符串进行异或运算，得到红外发射装置的ID号；然后将该红外发射装置的ID号与电子锁自身存储的信息相比较，若一致，则电机驱动模块启动，锁打开。

实现上述方法的基于红外阵列的加密电子锁的控制系统，如图1～图5所示，包括：红外发射装置1和设于电子锁中的红外接收装置2，所述的红外发射装置1包括A单片机3、A电源模块4、按键模块5、红外发射模块6和A开关7，所述的A电源模块4、按键模块5、红外发射模块6和A开关7分别与A单片机3的IO端口连接；所述的红外接收装置2包括：B单片机8、B开关9、B电源模块10、红外接收模块11、蜂鸣器12和电机驱动模块13，所述的B开关9、B电源模块10、红外接收模块11、蜂鸣器12和电机驱动模块13分别与B单片机8的IO端口连接，红外接收模块11与红外发射模块6无线连接。

为了进一步有效防止钥匙复制的情况，解决机械锁的易复制性、互开率高的问题，所述的红外发射模块6和红外接收模块11均为多个(以三个为例)，且一一对应，三个红外发射模块6分别与A单片机3的IO端口连接；对应的三个红外接收模块11分别与B单片机8的IO端口连接。红外发射装置中设置有多个(以三个为例)红外发射模块，每个串口的加密方式是相同的，但是初始数据是不同的，按下按键后，每个原始原始数据通过加密算法加密，串口打开，三个红外模块就会发射出经过加密算法加密之后的三种不同的信息，从而可以进一步有效防止钥匙复制的情况，解决机械锁的易复制性、互开率高的问题；红外接收装置接收到红外发射装置所发射的红外信息之后，对接收到的信息利用相同的子密码进行解密，然后看所述的明文消息与其自身存储的信息是否一致，若相同，则单片机通过控制电机开锁，同时，LED状态信号指示灯闪烁，否则，启动蜂鸣器模块，发出警报声；也即一个锁只能由与其相同编译密码的钥匙才能打开，从而可有效解决万能钥匙带来的危害；同时与指纹锁、传统数字密码锁等相比，本发明的加密电子锁价格低廉，不受温度影响，安全稳定性和可靠性更高，能有效保护消费者的财务。

为了方便查看锁的工作状态，所述的红外接收装置2还包括：LED状态信号指示灯14，所述的LED状态信号指示灯14与B单片机8连接。

本发明的一种实施例的工作原理：

将所述的红外发射装置1包括的A单片机3(可采用STC89C52单片机，这是一款低功耗、高性能的CMOS8位微单片机，具有8K字节系统可编程Flash存储器；512字节数据存储空间；内带4K字节EEPROM存储空间；可直接使用串口下载程序)、A电源模块4(可采用USB供电系统，单片机的电源端直接插接到移动电源USB口即可向其他模块提供电源)、按键模块5、红外发射模块6(可采用YS-IRTM红外发射、解码模块，波长为940nm 38k NEC编码信号的发射；UART单片机串口通信接口为TTL串口，用作和A单片机3通信，传递加密信息)和A开关7封装在一个小盒子内，在外部能看到的是A开关7、按键模块5、三个红外发射模块6。在需要使用钥匙开锁时，开启A电源模块4，其余时间可以选择关闭A电源模块4，可以有效地降低红外发射装置1的损耗。由于A单片机3本身只有一个串口，可以通过模拟串口的方式设置另外两个串口，每个串口连接一个红外发射模块6。在按键之后，三个红外发射模块6就会发射出经过加密算法加密之后的三种不同的信息。

同样，将所述的红外接收装置2包括的B单片机8、B开关9、B电源模块10、红外接收模块11(可采用YS-IRTM红外发射、接收模块，其中红外接收头用于接收NEC红外信号，进而发送给B单片机8进行分析解码操作)、蜂鸣器12、电机驱动模块13(可采用28BYJ-48五线步进电机，可在5V电压下工作，接收到B单片机8信号后，能够驱动锁舌进行开关锁)及LED状态信号指示灯14封装在锁的内部，在外部可以看到的是B开关、LED状态信号指示灯14、三个与红外发射模块6一一对应的红外接收模块11。在需要使用锁时，开启B电源模块10，其余时间可以选择关闭电源，可以有效地降低红外接收装置2的损耗。在收到红外发射装置1所发射的红外信息之后，与经过同红外发射装置1相同的加密算法计算之后的信息相比，若相同，则B单片机8通过电机驱动模块13控制电机开锁，同时，LED状态信号指示灯14闪烁，否则，启动蜂鸣器12，发出警报声。

本发明的加密电子锁的控制方法如下：

步骤1:打开开关；

步骤2:将红外发射装置1的槽口对上红外接收装置2的槽口；

步骤3:按下红外发射装置1的按键模块5，A单片机3进行加密运算，然后控制红外发射模块6发射红外信号；

步骤4:红外接收装置2的三个红外接收模块11接收红外发射装置1发送的红外信号，并将该信号进行解密，然后判断接收信息是否与自身运算的信息一致，若一致，则电机驱动模块13启动，LED状态信号指示灯14亮，锁打开；若不一致，则启动蜂鸣器12，发出警报声；

步骤5:使用完毕，关闭红外发射装置1和红外接收装置2的开关。

若锁的电量耗尽，门内外均有USB充电口，充电时亦可以正常实现功能。

若钥匙(即相应的红外发射装置1)丢失，则只能采取暴力破解的方法开门。