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利用蓝牙技术设计具有特殊功能的智能门锁系统

作者 穆罕默德·萨比林·哈迪斯 和 伊莱亚斯·帕兰蒂

阿米尔·艾哈迈德·伊勒姆 和 阿克巴·亨德拉

印度尼西亚 望加锡 哈萨努丁大学 电气工程系

muhammadsabirinhadis@ieee.org

elyas.palantei@gmail.com

amil@unhas.ac.id

akbarhendra@ieee.org

摘要：随着物联网技术的发展，人们生活的方方面面都在利用物联网技术提高生活质量。锁系统是受到物联网大规模发展影响的方面之一，例如锁系统可以通过输入密码或小工具控制来打开或关闭。智能家居概念的主要组成部分是门，因此门锁系统成为一个值得探讨的有趣话题。本文介绍了一种不需控制开门或锁门的操作门锁系统的设计，该系统使用方便，使用效果良好。此外，该锁系统可适用于各种人体的生理状况。该系统使用低功耗蓝牙技术，几乎可以在所有设备上使用。系统的设计也以其特有的特点完成，增加了用户的安全性和舒适性。锁系统间接支持《残疾人权利联合公约》项目。

关键词——锁定系统;智能锁系统;蓝牙技术;安全;物联网;门;

介绍

锁系统是人类所需要的系统之一。这主要是因为人类需要一个安全的东西来把他们所有的东西[1]或他们想有一个隐私的地方，只有自己可以访问。锁的概念是在4000年前发明的。随着物联网技术的发展，传统的锁也得到了发展和创新。传统锁的发展和创新都是为了弥补传统锁的不足。然后，出现了几种利用物联网技术的锁系统设计，应用物联网技术使人们能够操作锁系统。

使用物联网技术的锁系统有几种安全变体，比如使用密码访问锁[4]，这是一个保存在智能卡、标签和智能手机[5]、[6]等设备中的密码。在控制设计上，锁可以通过智能手机[2]、[7]、[8]上的应用程序设置来控制。安全变异和锁系统控制各有弱点。其中一些人忘记了密码，导致锁系统无法运行，或者丢失了用来控制锁系统的设备，可能被不负责任的人接管。

本文将讨论一种智能锁系统(SLS)的设计，它可以解决前面所述的锁系统问题。并对锁系统的创新设计进行了探讨。第二部分阐述SLS的概念，第三部分阐述SLS的体系结构，第四部分阐述锁系统的安全性，第五部分阐述系统的应用，第六部分简要说明结论。

锁系统的概念

物联网技术的发展使人类的生活方式变得更加灵活和高效，尤其是在人们的活动中，例如将物联网技术应用到锁系统上，不需要传统的锁来打开或关闭锁。它节省了生产和密钥复制上的开销。然而，并不是所有的人都可以使用技术访问锁系统，例如残疾人。

英国广播公司[9]的一项研究发现，残疾人使用技术或传统方式都难以进入门锁系统，因为他们很难到达门锁。本文所推荐的锁系统的设计不需要用户与锁系统之间的接触，使所有人都可以不受身体状况的影响而访问锁系统。

该系统采用蓝牙技术作为访问用户与锁系统之间的通信协议。如果使用锁系统的用户离门很近，那么锁就会自动打开，反之亦然。因此，用户不需要执行打开或锁上门的操作。与wifi连接相比，蓝牙具有更低的功耗(10)和更好的安全性。此外，几乎所有的设备都有蓝牙功能。然后，它使SLS门设计使用任何类型的小工具与蓝牙作为锁系统。

该系统以网站和智能手机应用程序为特色。它还具有特殊的功能，以支持用户的安全和舒适。下一部分将对此作进一步解释。

系统架构

本部分对SLS设计体系结构进行了全面、详细的阐述。首先介绍锁系统的组成部分。其次，阐述了SLS的工作体系。最后，将解释该系统的特殊功能。

1. 系统的各个部分

图1.SLS系统架构.

如图1所示，SLS主要由四个部分组成。它们是:

1. 第一部分:门锁

该部分不使用机械钥匙，根据系统给出的指令自动开门和关门。

1. 第二部分:锁控系统

这部分是所有SLS设计的主要部分。它具有开门或锁门的功能。此外，它还具有蓝牙服务器的功能，可以搜索门禁附近用户的身份。它也是访问用户与锁系统之间通信协议的中心。

1. 第3部分:服务器

该部分保存了锁系统上用作锁的所有数据标识和用户的安全数据。

1. 第4部分:蓝牙技术设备

该设备向蓝牙发送信号，使系统识别的用户能够执行操作。

1. 系统的功用

该系统通过使用激活蓝牙的设备来识别位于蓝牙信号区域附近的用户。然后，系统匹配标识并连接锁控制系统和访问用户之间的通信。如果访问用户位于验证区域附近，则系统将打开。

研究人员给出了系统识别过程的两个区域:蓝牙信号区和验证区。

1. 蓝牙信号区

蓝牙信号区域是指锁系统中蓝牙信号设备能够到达的区域。

1. 验证区

该区域距离门的半径为1米，当访问用户位于验证区域时，该区域具有自动开门的功能。反之，如果访问权限的用户不在验证区域，则该门将自动锁定。其设计初衷是为了避免在用户离门较远的情况下自动开门锁门，保证用户的安全。

为了了解更多细节，研究人员将解释锁系统的三种一般情况，以便更清楚地了解SLS是如何工作的。

1. 条件1:访问用户位于蓝牙信号区，未访问用户位于验证区

该条件标识访问用户位于蓝牙信号区域，但系统尚未发出开门或锁门的命令。未标识的用户位于验证区域，但是在该区域检测到的用户标识与保存在服务器上的标识不匹配，因此门锁仍然处于锁定状态。

图2.条件1

1. 条件2:访问用户位于验证区，未访问用户位于蓝牙信号区。

如果用户位于蓝牙信号区域，则系统不执行任何操作，但是系统可以检测到活动蓝牙软件，匹配身份，并为访问用户连接通信。在条件2图中，确定访问用户位于验证区域，因此系统命令门锁自动打开。

图3.条件2

1. 条件3:访问的用户和不访问的用户位于验证区域。

如果发生这种情况，锁系统将命令门锁打开，因为检测到用户的身份与保存在服务器中的身份相匹配。它的设计是有目的的，在这种情况下，访问的用户可能带着没有访问权的亲属进入房间。当访问用户离开验证区域时，锁控制系统会对门锁发出自动锁定的命令。

图4.条件3

为了确定验证区域，研究者使用了测量蓝牙信号在测量设备半径1以内的最小功率的逻辑。正如在[11]研究中所做的那样。

1. 特殊特性

该系统具有特殊的功能，可以在特定的条件下激活，提高了用户在操作SLS时的安全性和舒适性。

1. 特性1:返回

在用户丢失设备以访问锁系统的情况下使用该特性。用户可以使用其他连接到互联网的设备访问SLS网站应用程序。用户首先填写用户名和密码的数据来访问SLS网站。那些SLS网站可以访问应用程序直接管理SLS。如果用户可以登录，则用户可以删除丢失了的软件的标识，使其不能再用于访问锁系统。

1. 特性2:指纹

SLS设计为智能手机用户或其他应用程序提供指纹识别功能。然而，该功能需要用户和SLS之间的联系，只有手指没有残疾的人才能使用。有关该特性如何工作的更多细节，请参见图5。

图5.特殊特性

安全

为了避免不负责任的人通过操纵系统上的用户数据来黑锁系统的不负责任行为，研究者参照教科书(12)中所述的蓝牙安全协议对蓝牙通信应用安全协议。SLS中蓝牙通信有3种安全模式，分别是:

1. 配对和链接密钥生成

在此步骤中，系统将使用蓝牙服务器上为将要使用的设备生成的pin码进行锁定。图6解释了从SLS中使用的pin代码生成锁的概念。

1. 身份验证

如果系统已经设置了蓝牙设备的锁，下一步就是系统的认证过程。在此过程中，系统作为验证者，匹配已设置锁的软件的有效身份。图7解释了身份验证过程的概念。

图6.从引脚生成链路密钥[12]

图7.蓝牙认证[12]

1. 保密

这种模式是蓝牙的一种秘密服务，它对设备之间发送或接收的所有包进行加密，从而避免包被窃取或黑客入侵。图8解释了通过蓝牙通信发送或接收包的加密过程。

适用性

用户和SLS之间不再有交互。因此，适用于私人住宅、办公室、校园、老人、残疾人之家等各种场所的门。此外，除了具有指纹特征的系统外，该系统还可以供所有人在不考虑身体状况的情况下使用。

只需要将设备与蓝牙连接激活，系统就可以自动访问。因此，无论是正常人、残疾人还是老年人都可以访问该锁。为便于进一步使用，本系统不仅适用于门楼，也适用于汽车、摩托车等车辆，使车辆更容易进入门锁系统。

图8.蓝牙加密程序[12]

应用程序

为了方便管理，SLS应用程序的使用分为两部分，它们是:

1. 用于网站应用程序

网站的使用主要针对两个用户类别，即管理员和用户。该应用程序旨在组织能够访问SLS的用户。以下将解释用户可以在网站应用程序上做什么，

1. 管理员：
2. 管理员可以添加、编辑和删除用户设备的数据。
3. 管理员可以添加、编辑和删除用于登录网站的用户名和密码。
4. 用户：
5. 用户可以删除自己的设备标识。
6. 在移动应用上的使用

用户使用移动应用程序激活SLS操作模式。要更改用户的操作模式，需要输入密码。用户可以在移动应用上做的事情是，

1. 激活自动模式。如果模式是活动的，应用程序将自动激活蓝牙，使其能够在不控制系统的情况下访问锁。
2. 激活指纹模式。当使用该模式时，应用程序将需要用户的指纹来访问锁。

结论

本文对蓝牙技术在SLS设计中的应用进行了探讨，得出的结论是锁系统的创新，用户与锁之间不再有直接的接触。采用蓝牙安全协议和特殊功能，提高了系统使用的安全性和舒适性。它也解决了前面介绍的锁系统的问题。

不需要进行控制和额外的接触来访问锁，该系统可以被所有人使用，而无需考虑物理条件。SLS还间接支持《残疾人权利联合公约》(United Convention of Right People of Disabilities)项目，为该系统提供了方便的访问。

参考文献

[1] “History of Locks,” History of Keys, 2017. [Online]. Available: http://www.historyofkeys.com/locks-history/history-of-locks/. [Accessed: 29-Sep-2017].

[2] A. Kassem, S. E. Murr, G. Jamous, E. Saad, and M. Geagea, “A smart lock system using Wi-Fi security,” 2016, pp. 222–225.

[3] Liberty Aries, “Penemu Kunci Pertama kali.” [Online]. Available: http://www.beritacnn.com/2013/01/penemu-kunci-pertama-kali.html. [Accessed: 01-Oct-2017].

[4] Jain, Ankit, Anita Shukla, and Ritu Rajan, “Password Protected Home Automation System with Automatic Door Lock,” 2016.

[5] Kasim Adalan and Bursa Branch, “Face recognition, NFC and voice controlled door lock system,” 2016.

[6] C.-H. Hung, Y.-W. Bai, and J.-H. Ren, “Design and implementation of a single button operation for a door lock control system based on a near field communication of a smartphone,” 2015, pp. 260–261.

[7] N. H. Ismail, Z. Tukiran, N. N. Shamsuddin, and E. I. . Saadon, “Android-based home door locks application via Bluetooth for disabled people,” 2014, pp. 227–231.

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资料编号：[3729]