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使用蓝牙通信的远程锁系统

摘要

随着智能手机成为世界上最欢迎的手机之一，各种方便的应用程序也在慢慢出现。现在智能手机不仅能提供普通手机的功能，例如拨打电话和发送短信，此外，他就像我们的移动手机银行，不论我们在什么地方。而且智能手机还可以控制我们生活中各种各样的设备。通过使用移动应用的智能手机，我们可以远程控制各种外部设备，如电视机、用于演讲的投影仪，电脑，甚至汽车等。本文提出了一种使用无线通信的远程锁系统的设计和实现方法。远程锁系统是一个可以通过专用的Android应用程序远程控制的锁定系统。Android智能手机的主要功能是配备蓝牙，这样可以通过应用程序打开和管理锁。用户实时的锁信息可以通过服务器在数据库中存储和管理。即使用户忘记密码，我们提出的锁定系统可以引导他们很容易找到，并向用户提供用户手册。使用该系统，用户可以进行各种管理功能，如添加，删除，修改，并购买用户自己的锁。

关键词：远程锁系统；蓝牙；移动设备；Android；无线通信；

一、引言

移动设备用户，包括智能手机用户的数量在世界上迅速增加，而且各种方便和有用的智能手机应用程序横空出世。现在，智能手机不仅在普通手机的内部流程，如拨号和接听电话，发送短信，而且不论我们在哪里他都能作为我们的移动银行，在我们的日常生活中，他们也可以用来控制各种其他设备。通过智能手机和移动应用，我们可以远程控制各种外部设备，如电视，投影机的演示文稿，电脑，甚至汽车。

人们通常使用普通锁，通常用钥匙或者密码进行锁定。然而，这些锁有一些缺点，如人们失去钥匙或忘记通行证。在本文中，我们提出了一个新的远程锁定系统，使用无线通信，因为这些类型的远程锁产品和专利基本上没有出现。我们提出的远程锁定系统使用无线通信解决了这些问题。利用用户的智能手机，远程锁可以很容易地进行管理。此外，该系统可广泛用于各种遥控密码锁，如远程锁的储物柜，自行车的遥控锁，等等。

本文的其余部分组织如下：第二部分，对相关产品和使用蓝牙通信的远程锁定系统技术进行了讨论。第三节介绍了如何提出使用蓝牙通信系统的设计和实施，最后的结论中描述第四部分。

二、相关工作和技术

相关产品和使用远程蓝牙通信技术的远程锁定系统包括安卓，将在下面讨论。

现有的锁分为三种类型：钥匙锁方法，密码锁系统和远程锁定方法。钥匙锁是使用锁的最古老的方法，人们可能会丢失密钥并且需要始终携带它。与钥匙锁相反，使用密码锁的好处是人们不需要随身携带钥匙，但人们很可能忘记密码，密码改变的方式的数量是有限制的。遥控锁和钥匙锁一样，有一个缺点就是人们总是随身携带遥控钥匙，而且需要电池。

为了改善和解决这些问题，一个以前的专利提出一种没有锁技术，使用蓝牙的解锁系统。该系统的结构由以下三个步骤组成：

步骤1：移动终端向我们要控制的蓝牙设备发送地址，相应的蓝牙设备在未锁定的地址上注册接收到的地址。

步骤2：根据外部密钥，搜索上述移动终端注册的蓝牙设备列表，然后将所选择的蓝牙设备与用户连接，并通过无线发送蓝牙地址。

步骤3：在判断从上述移动终端接收到的无线地址的蓝牙地址是否相同的注册地址时，如果这两个地址相同时，执行锁/解锁操作。

然而，这样的一个系统是有一些缺点的。当蓝牙信息被泄露给黑客，其他人可以非法打开锁。另一个缺点是，在这样的系统的情况下，如果用户丢失密码，解锁将是非常困难的。我们提出的几个系统目标考虑到改善和解决的问题如下：首先，因为所有的用户都持有移动设备已成为一个关键，用户不必携带一个单独的密钥或远程控制，并且它很容易使用。其次，由于用户的应用程序提供了一种轻松管理用户密码的方法，用户可以在忘记密码时减轻负担。第三、即使用户丢失密码，也有一个程序，这样用户就可以打开锁。最后的目标是在利用无线通信的远程锁定系统上配备多个安全锁。

A、安卓

Android是一个基于Linux系统的开放式移动平台，用于移动设备，如智能手机和平板电脑。它不仅包括操作系统，还包括中间件，用户界面（UI），浏览器和应用程序。它还包括C / C 库中所使用的各种Android系统成分。Android系统架构分为五大类：应用程序、应用程序框架、系统运行库、Android运行时和Linux内核。图1显示了我们提出的应用程序在Android上的设计和开发。

B、蓝牙

我们简单的使用蓝牙，可以一次性用来连接多达七个设备。并且它也很容易切换设备或查找和连接到任何设备。蓝牙设备，如手机、鼠标、键盘，办公室和工业工作在2.4 GHz和2.4835 GHz频率域的自动化设备是未经认证。为了避免在同一区域内工作的设备的干扰，使用跳频算法，该设备使用的频率为每秒1600。该器件工作在一定的频率，称为时隙，且持续时间为625微秒。piconet1内部频率基于伪随机跳频，是由主控单元的变化。频带在1兆赫的区域内被划分成79个通道，数据传输的单位帧。

两种不同的链接可以在网络的主从设备之间建立异步无连接（ACL）链路和同步面向连接（SCO）链接，如下：第一种方法是一种数据传输方法，数据是需要被控制和处理的。从单元和主单元连接到ACL链接。当需要传输语音数据等实时数据时，使用第二连接方法。从单元到主单元连接到三SCO链路可能是在64kb／秒的速度实现。

蓝牙设备可以被定义为三类：1类（100MW，100m的范围内），2类（2.5MW，米范围），3类（1mW，1m范围内）。大多数蓝牙设备属于2类或第3类。图1 HC-06，用于在遥控锁，属于2类。

1）蓝牙设备之间的配对过程：蓝牙配对和连接是一种传输数据的技术，而蓝牙功能是允许设备的连接。图2显示了蓝牙连接过程。

a、被连接到一个蓝牙设备连接的信息，如设备名称和地址是必须的，为了知道这些，对口装置应允许被访问。

b、通过搜索，查询可以连接的蓝牙信息。

c、选择可以连接的蓝牙信息的目标设备，并请求配对（连接需要共享密码）。

d、如果没有配对，两个设备需要请求配对。

e、当两个设备批准配对时，尝试接受连接。

2）蓝牙安全管理器：蓝牙基本上提供安全服务，如认证、保密和授权。蓝牙通过链路层的安全管理器控制蓝牙设备和服务的权限。图3显示了蓝牙安全管理器的相关性。在逻辑链路控制和适配协议（L2CAP），这是在蓝牙协议栈的应用，是用来沟通主机ACL链路，接收连接请求的，安全管理器确认访问是否已经做了没有。安全管理器确定服务数据库和设备数据库是否存在，如果安全管理器允许使用L2CAP，保持连接。

安全管理器的主要特点有：与服务相关的信息安全管理、与设备相关的安全信息管理、与协议安全和应用安全相关的问答、认证和加密性能。

3）蓝牙蓝牙安全等级：蓝牙分为信任设备和不信任设备。信任设备是通过认证的设备，被存储在内存中定义为“信任”的数据库中。不信任的设备是没有被认证的，也会被保存，但不是在定义为“信任”的数据库中。蓝牙有三个安全保障功能应用在四种模式中。

a、安全模式1是非安全模式。设备不会启动任何安全措施。在这个级别的安全性是由自然的连接：跳频和短距离数据。蓝牙设备在2.45Ghz无线电频带传输，同一波段的还有微波炉、无绳电话。所有的蓝牙设备均采用数据跳变，跳变无线带宽在1MHz的间隔中高达每秒1600次。蓝牙设备大多数连接小于10米，所以有限制，窃听的可能性。

b、安全模式2是服务级别强制执行的安全模式。服务访问取决于的设备如下：信任的设备可以不受限制地访问所有服务，固定关系的其他设备，以及不受信任的设备。一般没有固定的关系和服务，它可以访问是有限的。

c、安全模式3是链路级强制安全模式。在挑战响应系统中由对称密钥实现安全性，蓝牙单元中的安全实现都是相同的。

d、安全模式4是一个服务级别强制的安全模式，链路建立后，安全程序开始启动。安全简单的配对（SSP）使用椭圆曲线Diffie-Hellman（ECDH）密钥交换和密钥生成技术。ECDH是一位匿名密钥协商协议，允许双方各有一个椭圆曲线公钥-私钥对，在不安全的信道上建立一个共享的秘密。

4）链路密钥生成：在安全模式1中没有提供链路密钥生成方法，并且有两种方法为蓝牙执行链路密钥生成。安全模式2和3使用一种方法，而安全模式4使用另一种。

对于蓝牙，在安全模式2或3运行，两个相关的设备同时在初始化阶段导出链接键，当用户输入相同的PIN到一个或两个设备，这取决于配置和设备类型。引脚入口，设备关联，和密钥推导的概念如图4。注意如果PIN小于16字节，BD ADDR用来补充用于生成初始化关键引脚值。初始化完成后，如果启用加密，设备自动和透明的身份验证和启动加密程序，以确保无线链路。蓝牙设备中使用的PIN码可以在1到16字节之间变化。典型的四位PIN可能在足够的低风险的情况下，较长的引脚应用于需要更高级别安全性的设备。

SSP介绍蓝牙使用安全模式4。SSP简化配对过程，通过一系列的关联模型，在器件的输入能力方面是灵活的。SSP也提高了安全性，通过在中间的攻击防御被动窃听的人的公钥密码添加ECDH（MITM）在配对。安全模式4是蓝牙服务授权认证的链接关键字，不需要未经身份验证的连接键和不安全的连接。

C、M328-mini V1.0模块

M328-mini V1.0模块的尺寸大小是26times;30毫米，安装mega328p-20au AVR。该模块配备pwr-led，run-led，6针的ISP，16mhz晶振，和USB2.0串口转换器。该系统主要采用Arduino兼容模块控制蓝牙模块和电机驱动模块。

D. HC-06模块

图6 HC-06蓝牙主从模块用于蓝牙主设备如蓝牙2或Android智能手机连接。当电源提供给主控模块，为HC-06蓝牙从模块和子模块的邻域搜索直接连接。

E. L9110 模块

该模块可以控制两个直流电机或一个两相四线步进电机。蓝色终端的两个端口是电机A和电机B端口，直流电动机连接到每个端口。图7显示了一个6头引脚，连接到数字引脚的Arduino，这是一个开源电子原型平台，基于灵活的、易于使用的硬件和软件，来控制电机。用于控制直流电动机(A-1B, A-1A)，引脚2是用于控制直流电动机B (B-1B, B-1A)。应该指出的是，PC机的USB端口提供高达500mA的电流。

三、实施效果

A、建议的系统架构

我们建议的远程锁系统由一个锁与四个主要模块，移动设备和服务器计算机构成。该系统提供了七个操作，以实现上述目标。

我们所提出的系统包括四个主要模块：电机，蓝牙，主模块和生物识别模块。另外，该锁与移动设备配对蓝牙通信，并且移动设备还与服务器通信。对于远程锁，易趣网在美国销售的产品是删除现有的遥控器锁的内部模块与遥控器，而我们在开发我们提出的远程锁系统的锁产品。Android的蓝牙套接字连接操作，锁是用java写的，使用套接字服务器套接字通信实施存储、删除和修改用户信息。换句话说，当使用的应用时，WiFi，蓝牙，3G通信应该是可用的。远程锁定系统提供的锁与主模块和生物识别模块连接以进行无线通信。

应用程序在移动设备上运行，以管理移动设备和服务器之间的密码发送和接收。当蓝牙模块验证密码时，锁的主模块通过无线通信操作电机模块。

服务器可以对每个移动设备进行区分和分类，每个用户可以相互注册。用户输入的密码和用户登录的密码提示已经注册。我们提出的的远程锁定系统通过无线通信给这些角色提供通信。

当每个用户认证通过生物识别模块，每个密码验证通过蓝牙分别执行，我们所提出的系统提供的控制信号从主模块传递到电机模块使用无线通信系统。

除此之外，此锁配备了报警装置，蓝牙配对时会显示。当锁定和解锁的时候，该系统提供了一个健全的功能和照明的灯。

服务器还授予每个移动设备一个主号码，对自己来说，该系统显示该移动设备的主号码。服务器与数据库连接，当客户端的数据传输请求收到时，根据输入的接收指令，它将与数据库一起工作。本系统是基于MySQL，并从服务器收到查询语句运行。

移动设备存储用于锁定和解锁锁的密码。

B、一些选定的菜单

图8（a）显示主菜单，在启动应用程序后，用户进入主菜单并开始与服务器通信。用户在服务器中从数据库中取出必要的数据（已注册的信息、公告等）后，用户暂时将其存储在设备中。图8（b）和图9（a）显示未注册的锁定菜单，该锁可用于注册，并锁定信息。用户的蓝牙搜索他/她的周边设备在一个新的注册菜单，未注册锁检索。用户选择检索到的锁并输入用户信息，其信息存储在数据库中。此信息已成功存储时，将在菜单上显示完成消息。

图9（b）和图10（a）显示密码请求和“打开”按钮后创建连接锁。此菜单通过蓝牙检索锁，用户输入密码。如果信息正确输入，设备和蓝牙将被连接。当点击“打开”按钮被触动，锁被打开。图11还显示了已注册锁检索的顺序图。

图10（b）显示已注册锁、修改和删除对话框的列表。此管理页显示用户在服务器中注册的锁的列表。然后当用户要更改信息时，如果输入口令与现有密码相同，则用户可以输入新信息。

四、结论

本文提出了一种新的无线通信远程锁系统。远程锁系统是一个可以通过专用的Android应用程序远程控制的锁定系统。Android智能手机的主要功能是配备蓝牙，这样可以通过应用程序打开和管理锁。用户的锁定信息可以通过服务器管理，并且在数据库中存储和管理。此外，即使用户忘记密码，我们提出的锁定系统引导他们很容易找到，并提供用户手册供使用。使用该系统，用户可以进行各种管理操作，如添加，删除，修改，并购买用户自己的锁。

感谢

作者要感谢资助机构提供财政支持。这项工作的一部分，由韩国圣经大学的研究资助。作者还感谢Robert

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