一种封闭环境下的物品智能安全存取方法

本发明涉及一种封闭环境下的物品智能安全存取方法，可保证物品存储的安全性，而且便于应急取物，属于财物的临时保管。

背景技术：

1、随着社会的飞速发展，智能储物柜的应用越来越广泛，对储物柜的安全性、智能水平也提出了更高的要求。传统电子储物柜的功能过于简单，使用时多需要提供一次性解密凭条，常出现凭条丢失、柜子被撬开等安全问题。近年来出现的智能储物柜应用于快递物品的自动存取，取得了很好的示范应用效应。对于重要文件、黄金钻石等贵重物品的管理，需要具有更高安全性、智能性的产品，因此越来越多的技术方案推动了智能柜向着更安全、更智能的方向发展。总的来看，这些方案在以下三个方面取得了进步，同时也存在着不足之处：

2、第一，柜体的机械结构设计。从多门分别控制方案发展到内部配置有传送装置的单门方案。多门方案通过外部的管理系统与安装在门上的控制器进行通讯，实现对门的开关的操作。公布的单门方案主要包括一个专用的机械架构，通过驱动装置推拉水平支撑平台上的储物盒运动实现物品的存取，该方案存在的缺陷是一旦设备出现故障，物品将无法取出，不适于应急物品的存储；

3、第二，柜体与外界交互方法。大部分是在柜体上设置上位机实现开关门、及与外部通信与控制等操作。其缺点是一旦柜体与外部设备的通讯中断，或者柜体出现故障，则会造成取物难的问题，给应急物品的使用带来很大的不便；

4、第三，柜体存取物品的安全机制。有的是依靠柜子自身生成的简单数字或二维码等信息进行存取，有的通过绑定学生卡等实现存取，有的是将取物品的密码信息发送到用户终端设备上。这些方法一定程度上提升了存取的安全性，但还不够安全。比如当手机丢失、生成的密码纸丢失或者被人窃取时都会造成物品丢失的风险。

5、中国专利数据库中一项申请号为cn202010066869.1、名称为“一种锡膏智能储存柜”的专利文献提供了一种智能储存柜的结构，它包括柜体、人机交互模块、信息读取模块、物料交换装置和控制模块；所述柜体上设有供操作人员取放锡膏的锡膏出入口；所述人机交互模块用于接受操作人员的动作指令；所述信息读取模块为条码识别装置、ar识别装置、rfid识别装置，用于读取锡膏的信息；所述货架为弧形或环形，包括至少一层置物板，用于存放锡膏；所述物料抓取装置设于所述货架的中央，用于从货架或者物料交换装置上取放移动锡膏；所述控制模块储存有预先设定好的货架储存位置的坐标信息，并记录每个锡膏的存储位置；所述控制模块根据所述人机交互模块接收到的指令，控制所述物料抓取装置从指定的储存位置存取锡膏；控制所述物料交换装置实现锡膏在存储柜内外的交换。该发明提供的智能储存柜，结构简单紧凑，空间利用率高，运动部件少，耗能较低、故障概率低。但若将其结构用于储存重要文件、黄金钻石等贵重物品，其安全性较低，无法满足防止物品丢失的风险。

6、综上所述，现有的智能储物柜在存储安全性和应急取物方面都存在不足，有必要加以改进。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种封闭环境下的物品智能安全存取方法，以提高物品存储的安全性。

2、本发明所述问题是以下述技术方案解决的：

3、一种封闭环境下的物品智能安全存取方法，所述物品存放在储物柜内，储物柜设有多层，每层设有多个储物格，各储物格之间、以及储物格与存取口之间通过轨道相连，在轨道上设有存取物品的驱动装置，驱动装置上设有机械手，机械手用于物品的存取；在柜体上设置与驱动装置信息相连且配置有用户认证设备的上位机；在柜体外部设置与上位机相连接的存取管理系统；在存取口的上方设置摄像头；注册用户存物品时首先由上位机根据储物柜的存储状况进行审批，用户获得审批后在上位机进行认证，上位机控制驱动装置将用户已放置到存取口的物品存入随机选择的储物格，并对储物格编号进行加密，生成安全编码，再将安全编码和物品信息作为存物凭证进行存储并发送给存取管理系统，存取管理系统保存存物凭证并将其发送给用户，用户持存物凭证取回物品。

4、上述封闭环境下的物品智能安全存取方法，所述方法包括以下步骤：

5、a.用户注册

6、通过上位机输入用户的姓名、身份证号码、详细住址、电话号码，录入指纹、人脸识别特征信息，完成用户注册；

7、b.上位机对用户提出的存储物品申请进行审批

8、用户储存物品时登录存取管理系统，发送存储物品申请，并填写存储物品信息，包括名称、类型、数量，存取管理系统将输入的信息发送给上位机，上位机根据储物柜的存储状况判断是否满足申请要求，如果满足则通过审批，否则不通过审批，然后将审批结果通过存取管理系统发送给用户；

9、c.用户获得审批后在上位机上进行认证；

10、d.存储物品并生成存物凭证

11、用户通过认证后将物品放置到存取口，上位机为物品随机选择储物格，对储物格的编号进行加密，生成安全编码，将安全编码和物品信息作为存物凭证保存到存储器中并将存物凭证发送给存取管理系统，然后控制驱动装置将存取口的物品存入选择的储物格中，存取管理系统将存物凭证保存到数据库并将其发送给用户；

12、e.用户持存物凭证取回物品

13、用户持存物凭证在存取管理系统上登录提出取出存物，存取管理系统通知上位机指挥驱动装置将储存物品自储物格中取出，送至存取口，供用户取走。

14、上述封闭环境下的物品智能安全存取方法，用户持存物凭证取回物品的详细步骤如下：

15、a. 存取管理系统对用户提出的提取物品申请进行审批

16、用户要取走储存物品时登录存取管理系统，输入提取物品申请及存物凭证，存取管理系统将存物凭证信息发送至上位机，上位机对存物凭证信息中的安全编码进行解密，得到存储物品的储物格编号，将该储物格编号与生成的随机取物数据进行关联并进行临时存储，然后向存取管理系统发送审批通过的消息，存取管理系统收到上位机返回的消息后，给用户发送在一定时间范围内可以取物的消息；

17、b.用户在登录存取管理系统通过取物审批后，到上位机进行资格认证，通过认证后输入取物请求，上位机通过存取管理系统将随机取物数据发送给用户手机，用户在规定时间内输入随机取物数据，上位机获取用户输入的随机取物数据后控制驱动装置将物品送到存取口，由用户取走，同时，利用存取口上方设置的摄像头进行拍照留证，将照片发送到存取管理系统留档，完成取物过程。

18、上述封闭环境下的物品智能安全存取方法，如果用户取物时忘记或丢失了存物凭证，用户在上位机上进行认证，通过认证后，上位机通过存取管理系统发送验证码到用户手机，用户将正确验证码输入到上位机后，存取管理系统重新向用户发送存物凭证，之后用户持存物凭证取物。

19、上述封闭环境下的物品智能安全存取方法，上位机对用户提出的存物品申请进行审批的具体方法如下：

20、对于具有 m行 n 列的储物柜，用( x, y)表示第 x 行第 y列的储物格，对于储物格( x, y)，用数 n( x, y)=( x-1) n+ y代表其编号， slist={1,2,…, sm( n( x, y))}为按可存储格编号从小到大排成的序列，其中 sm( n( x,y))表示可存储格中最大的编号， clist={1,2,…, cm( n( x, y))}为按已经被占用的存储格编号从小到大排成的序列，其中 cm( n( x, y))表示已经被占用的存储格中最大的编号，设 num( slist) 为 slist 中的元素个数， num( clist)为 clist中的元素个数；

21、上位机接收到存取管理系统发送的存物品申请后计算 num( slist) 的大小，如果 num( slist) 不为零，则将 num( slist) 的数值减去1，并向存取管理系统发送审批通过的消息，由存取管理系统通知用户可以在一定时间范围内存物的消息，如果在这个时间范围内没有存物事件发生，则将 num( slist) 的数值加1；如果 num( slist)为零，则向存取管理系统发送审批未通过的消息并由存取管理系统转发给用户。

22、上述封闭环境下的物品智能安全存取方法，上位机为物品随机选择储物格的具体方法如下：

23、上位机在[1, num( slist)] 中随机生成一个数 r，然后从 slist中找出第 r个可存储格编号，将该编号对应的储物格作为随机选择的储物格，同时将这个储物格的编号从 slist中移到 clist中，待该储物格中的物品取出后，再将这个储物格的编号从 clist中移到 slist中，同时更新 num( slist)和 num( clist)的大小。

24、上述封闭环境下的物品智能安全存取方法，上位机对储物格编号进行加密，加密规则如下：

25、选定一个不小于10的正整数 k，当选择存储格编号为 n( x,y)时，上位机按照以下步骤计算编码：

26、a.计算；

27、b.找出比 n’( x,y)大的最小两个素数 p1 ,p2，计算和；

28、c.选择一个比小的正素数 p3，使得满足；

29、d.计算；

30、e.计算；

31、f.将保存在上位机上，将( p 3 ,c n’( x,y))发送给存取管理系统；

32、g. 存取管理系统按照重模加密方案对( p 3 ,c n’( x,y))进行加密为 ct并存储。

33、上述封闭环境下的物品智能安全存取方法，上位机对安全编码进行解密，解密规则如下：

34、用户取物时，存取管理系统按照重模加密方案将( p 3 ,c n’( x,y))的密文 ct进行解密为 pt，然后发送给储物柜的上位机，上位机查找( p 3 ,c n’( x,y))的序列，计算，再计算出，得到存储物品的储物格编号；

35、所述重模加密方案，是指选定一个多项式 h( x)= x4+＇8615＇ x3+＇2178＇ x2+＇1459＇ x+＇4227＇作为多项式模；设分组长度为128比特，密钥 k的长度为128 比特，采用32轮非线性迭代结构，轮密钥为 rk i，系统参数 c=(23 bc,552 a,1 cdb, f184,8671,3901,2 ab7,5 e2 b)中的数均为16进制形式， l为选定的线形变换， s为选定的s盒置换， a为由密钥 k的控制的重模多项式矩阵；对于一个要加密的整数 pt=( p 3 ,c n’( x,y))，加密算法为 ct= f32 . f31 . …f2 . f1( pt)，其中 fi( pt)= l( s( a( pt⊕ rk i) ⊕ c),1≤ i≤32，解密算法为，其中，

36、。

37、上述公式中的线形变换 l及其逆变换 l -1定义为：设一个输入input，对应的输出为output，那么有：

38、，

39、，其中为32比特循环左移。

40、上述公式中的 s 盒置换及逆 s 盒置换定义为：其中， θ为8位2进制的输入数。

41、

42、上述公式中的矩阵 a及逆矩阵 a -1定义为：

43、任选16个整数a1,a2,…,a16，对其取模216运算得到矩阵 a’，，然后对 a’的元素做奇偶修正后得到矩阵 a。同时在重模多项式环上可计算出逆矩阵 a -1。

44、上述公式中的密钥 k和轮密钥生产方法为：

45、密钥 k可选取任意一个正整数，轮密钥的生产方法为 rk0 =k,rk i+1 =( sbl) 8( rk i) ,i=0,1,…,31，其中 s和 l分别是上述定义中的s盒置换和线形变换 l，而，矩阵 b中 x, x2, x3的系数为16进制数。

46、上述封闭环境下的物品智能安全存取方法，当存取管理系统发生故障时，用户取物时在上位机上进行验证后，在上位机输入紧急取物请求和存物凭证，上位机对用户输入的存物凭证中的安全编码进行解密，得到存储物品的储物格编号，然后控制驱动装置将物品送到存取口，并生成和临时存储取物记录信息，待存取管理系统故障排除后自动将取物记录信息发送给存取管理系统。

47、上述封闭环境下的物品智能安全存取方法，所述用户认证设备为人脸识别系统和/或指纹识别系统。

48、有益效果

49、与已有技术相比，本发明具有如下优点：

50、（1）存取方案安全

51、本发明的储物柜内设有多层、多个储物格，只设一个存取口，通过轨道连接各个储物格，自动存取物品，储物格编号随机生成、两重安全管理机制，储物安全，存取快捷、存取手续简单；

52、（2）物品存储信息编码随机生成，难以破译

53、本发明实时统计存储柜的各储物格单元占用和闲置情况，通过对可用单元编号大小进行排队，把生成的随机数与队列进行关联，从而选择出存储单元。这样能有效防范不法人员获取物品存放位置，降低物品被盗风险；

54、（3）设计了两重安全管理机制

55、本发明随机产生的存储单元编码首先要做线性变换、生成一个新的数据，然后对新数据进行加密，生成的存物凭证发送给用户和柜外的存取管理系统；

56、这种方案具有两重安全机制：一方面，采用了加密机制，既能保证存储单元编号的安全性，避免柜子管理员直接看到存储单元编号，也能避免用户将存物凭证不当外泄后被冒取的风险；另一方面，采用内部混淆机制，可防止外人直接获得存储单元编号。

57、（4）设置了故障情况下的应急取物方案

58、本发明设置了在外部存取管理系统故障情况下取出物品的方案，可消除用户在意外情况下无法顺利提取物品的担忧。

59、总之，本发明采用了随机性的存储编码方案和加密机制，不仅能有效防止不法人员获取物品存放位置，降低物品被盗风险，而且能保证储物格编号不会外泄，从而大大提高了物品存储的安全性。本发明还提供了在储物柜故障情况下取出物品的方案，为应急物品的顺利取出提供了保证，不致发生有物取不出的灾难性后果。

60、实施方式

61、本发明提供的封闭环境下的物品智能安全存取方法，该方法在存储物品的储物柜内设置驱动装置以实现物品在柜内的规则移动，所述储物柜设有多层，每层设有多个储物格，各储物格之间、以及储物格与存取口之间通过轨道相连，在轨道上设有存取物品的驱动装置，驱动装置上设有机械手，机械手用于物品的存取；在柜体上设置与驱动装置信息相连且配置有用户认证设备的上位机；在柜体外部设置与上位机相连接的存取管理系统；在存取口的上方设置摄像头，由于储物柜的机械结构与配置在已有文献中多有论述，对本领域技术人员而言无需付出创造性的劳动，因此，本发明在此不再赘述。在储物柜中，还设置与上位机相连的人脸识别与指纹识别的认证设备；在柜子外部设有存取管理系统（以下简称系统）可与上位机进行通信，包括接收存取物品审批的消息、向上位机发送存取物品审批的消息，系统还可以对用户信息进行管理与身份验证、对存物过程信息进行存储。

62、本方法适用于只有一个存取口的智能柜，通过随机性存取方案对柜中的物品进行随机存放，待取时能够快速找到，从存取口送出物品。

63、用户必须先注册，填写用户的姓名、身份证号码、详细住址、电话号码，输入指纹、面部特征信息，通过实名认证后才能开展业务。

64、当要存物品到智能储物柜中时，用户要登录系统，发送存物品申请，并填写要存物品的名称、类型、数量。上位机根据储物柜的存储状况判断是否满足申请要求，如果满足要求则通过审批，如果不能满足要求则不通过审批，审批结果发送到系统，由系统发送给用户。

65、用户获得审批后，到储物柜前，通过指纹和人脸验证后，点击与上位机相连的储物格屏幕上的“我要存物”按钮，并要求对用户及其要存物品进行拍照，拍照完成后将照片发送到系统数据库留档。用户按照储物柜提醒将物品放到存取口，上位机为物品随机选择储物格，再对储物格的编号进行加密，得到安全编码并存储在上位机的存储器中，然后将生成的安全编码发送给系统，系统将物品信息和安全编码一同作为存物凭证发送给用户手机，同时将存物凭证存储到系统的数据库中。之后，储物柜按照选择的储物格自动进行存放。

66、当用户要取出物品时，首先要登录系统，提出取出物品申请，并输入存物品时系统发送给他的存物凭证，系统会将存物凭证发送至储物柜上位机，储物柜上位机对安全编码进行解密，得到储物格编号，生成随机取物数据与该储物格编号进行关联并进行临时存储。如果系统与储物柜上位机通讯正常，系统收到储物柜返回的消息后，给用户发送在一定时间范围内可以存物的“审批通过”消息。

67、用户获得审批后，到储物柜前，通过指纹和人脸验证后，输入取物请求（如点击储物柜屏幕上显示的“取走物品”按钮），储物柜将随机取物数据发送给用户手机，用户须在规定时间内输入随机取物数据，储物柜上位机获取用户输入的随机取物数据后，将控制驱动装置自动将物品送到存取口。这时，储物柜对用户及其取走的物品进行拍照，并将照片发送到系统数据库留档。

68、如果用户忘记存物品时系统发送给他的存物凭证，系统对用户人脸进行验证，通过后发送验证码到手机，用户正确输入验证码后，系统将重新向用户发送存物凭证。之后，用户可按照上述方法进行存取。

69、当系统发生故障时，用户要取出物品可到储物柜前，通过指纹和人脸验证后，在储物柜上位机中连续输入紧急取物请求（如 “jjqw” ）和存物凭证，储物柜上位机依据用户输入的存物凭证信息，对安全编码进行解密运算，计算出储物格编号，然后控制驱动装置自动将物品送到存取口，并生成取物记录信息。这时，储物柜对用户及其取走的物品进行拍照，并将照片和取物记录信息进行临时存储，待系统故障排除后自动发送给系统，存入系统的数据库，并删除上位机的特定存储器的信息。

70、上位机对用户提出的存物品申请进行审批的具体方法：

71、对于具有 m行 n列的储物柜，用( x, y)表示第 x行第 y列的储物格，对于每一个储物格( x, y)，用数 n( x, y)=( x-1) n+ y代表其编号， slist={1,2,…, sm( n( x, y))}为按可存储格编号从小到大排成的序列，其中 sm( n( x,y)) 表示可存储格中最大的编号。 clist={1,2,…, cm( n( x, y))} 为按已经被占用的存储格编号从小到大排成的序列，其中 cm( n( x, y)) 表示已经被占用的存储格中最大的编号。设 num( slist)为 slist中的元素个数，  num( slist)为 clist中的元素个数。

72、当系统收到存物申请后，将向储物柜发出存物申请，储物柜计算 num( slist) 的大小，如果 num( slist) 不为零，则将 num( slist) 的大小减去1，并向系统发出可以在一定时间范围内存物的消息。如果在这个时间范围内没有存物事件发生，则 num( slist) 的大小将会加1。

73、上位机为物品随机选择储物格的具体方法如下：

74、当用户在储物柜验证身份，并点击“我要存物”后，储物柜在[1, num( slist)] 中随机生成一个数 r，然后从 slist 中找出第 r个可存储格编号，确定该编号对应的储物格，同时将这个储物格的编号从 slist 中移到 clist 中。

75、当用户在储物柜验证身份，点击“取走物品”后，储物柜将物品送出存取口后，将这个储物格的编号从 clist 中移到 slist中，同时更新 num( slist)的大小。

76、为防止黑客对储物格编号进行解密，本发明的上位机对储物格编号进行加密，其具体方法是：

77、选定一个不小于10的正整数 k，当选择存储格编号为 n( x,y)时，上位机按照以下步骤计算编码：

78、a.计算；

79、b.找出比 n’( x,y)大的最小两个素数 p1 ,p2，计算和；

80、c.选择一个比小的正素数 p3，使得满足；

81、d.计算；

82、e.计算；

83、f.将保存在上位机上，将( p 3 ,c n’( x,y))发送给存取管理系统；

84、g. 存取管理系统按照重模加密方案对( p 3 ,c n’( x,y))进行加密为 ct并存储。

85、上位机对安全编码进行解密的具体方法：

86、当用户取物时，系统将( p 3 ,c n’( x,y))发送给储物柜的上位机，上位机查找( p 3 , c n’( x,y))的序列，计算，再计算出，然后发送取出 n( x,y)储物格的物品指令。