基于单片机的蓝牙加密密码锁的设计

魏平俊， 杨 洁, 胥浩阳

(1.中原工学院 电子信息学院， 河南 郑州 450007； 2.郑州工业应用技术学院 信息工程学院, 河南 新郑 451100)

随着社会的进步和科技的发展，人们的安全意识越来越强，传统的机械锁已不能满足人们的需要。电子密码锁因其操作简单、密码可变、误码保护等特点，成为密码锁的主流产品，并得以迅速推广。但有些产品密码键盘外露，易被破解;有些产品需携带遥控器、卡片等，安全性和易用性较差。蓝牙是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换,并可通过密码算法对数据进行处理，安全性得到极大提升。本文设计了一种蓝牙加密密码锁，系统以STC89C52单片机为主控模块，运用蓝牙技术实现安卓手机和密码锁的通信，在单片机编程的基础上,通过蓝牙地址配对、算法加密、密码校验等技术,实现了随机密码功能。用户只需携带手机即可实现自由密码修改，安全性和便捷性大大提高。

1 系统总体方案

1.1 系统流程

系统包括智能手机端和单片机端。其中，手机端采用安卓系统自带的蓝牙模块；单片机端采用STC公司生产的高性能芯片STC89C52作为中央处理器[1]，基于HCI协议层的开发方式，用HC-06蓝牙模块实现密码信息的无线传输。蓝牙模块通信的建立主要分为5个步骤:初始化蓝牙芯片、查询周边蓝牙地址、建立连接、数据传输、断开连接[2]。初始化过程中，通过编写C语言程序，单片机产生6位初始密码信息，通过HC-06蓝牙模块查询周边蓝牙地址，并进行初始化密码的验证，待6位密码配对成功后，建立手机端和单片机端的连接。手机随机设置4位密码信息，通过蓝牙无线信道发送到单片机，单片机接收随机密码信息并存储。开锁时，通过键盘输入密码并与单片机存储器中的密码进行比对，实现密码验证；若密码验证不成功，则通过继电器控制和无源蜂鸣器等作出反馈。系统流程如图1所示。

图1 系统流程

1.2 E0加密算法

由于蓝牙协议是一个公开协议，为保证信息的安全传输，每个蓝牙设备都须具备密钥管理的功能，如加密、解密和破解等。本文采用的E0加密算法是一种作用于链路层的对称的单钥加密算法，加密过程就是将数据流与密钥比特流进行异或运算[3]。

E0算法实现结构如图2所示[4]。它主要包含3个部分：LFSR(线性反馈移位寄存器)、混合器和组合逻辑。混合器中L1、L2表示线性变换网络，可通过异或来实现，Z-1表示延时网络。E0算法的实现过程如下[5]：首先进行初始化，以加密私钥Kc、蓝牙设备地址ADR、时钟信号CL和随机数RAND作为输入，产生有效载荷字(净荷密钥)；然后有效载荷字发生器对输入的比特位以适当的形式进行组合，再传送给LFSR，LFSR产生伪随机序列，形成密钥流；最后将密钥流按模二加运算作用于数据流完成加密，若将密文和形成的密钥流再异或即可实现解密。

图2 E0算法实现框图

2 硬件设计

硬件系统主要包括手机、控制电路、电插锁和电源等部分，其结构如图3所示。

图3 硬件系统结构

2.1 控制电路模块设计

控制电路由单片机、液晶显示屏、HC-06蓝牙模块、继电器和无源蜂鸣器模块等组成。电路原理如图4所示。

2.1.1 单片机

单片机采用高性能、低功耗的8位微控制器STC89C52，它具有8 k字节Flash,32位I/O口，具有可在线编程功能[6]，可直接使用串口下载、编写和烧录程序实现电路控制。本设计使用了STC89C52单片机的15个I/O口，其中P0为LCD1602数据，P2. 2为电插锁控制端口，P2. 4为蜂鸣器控制端口，P2. 5为读/写端口，P2. 6为液晶数据指令端口，P2. 7为液晶使能端口，P3. 0为RXD接口(接蓝牙的TX端，是单片机串口的接收端)，P3. 1为TXD接口(接蓝牙的RX端，是单片机串口的发送端)。

2.1.2 液晶屏

液晶屏采用并行驱动的LCD1602，通过电压控制显示区。开机后打开背光灯，成功连接后显示“enter password:”，每输入一位密码，显示一个“*”，密码输入错误显示“error!try again:”，密码输入正确显示“welcome!!!”。

2.1.3 蓝牙模块

HC-06蓝牙模块支持蓝牙2.0协议标准，采用CSR蓝牙芯片，具有2～3 Mbps的调制度，内置2.4 GHz天线[7]，有效距离可以达到10 m，输入电压为3.6～6 V，未配对时电流约为30 mA，配对后约为10 mA，具有标准HCI端口(UART or USB)并采用自适应跳频技术。

2.2 双电源供电系统

采用内置和外接双电源供电系统，如图5所示。Vcc IN为12 V、1 A的电源适配器，BT1为13 V、0.6 A、2 000 mAh的锂电池。当外接电源断开时使用内置电源供电，采用继电器切换，继电器采用T73型12 V电磁式5脚继电器。

图4 控制电路原理图

图5 双电源供电电路图

2.3 电插锁

采用XL03型电磁式电插锁，工作电流为0.6 A，电压为12 V，额定功率为7.5 W，开锁时间为1 s，允许连续通电时间10 s。通过继电器来控制一个D触发器，电流通过，触点断开，开锁；断电时，触点闭合，关锁。

3 软件设计

该系统软件采用上位机和下位机分别编程的方法来实现。上位机利用Eclipse平台，使用Java语言编程，将智能手机设置的随机密码信息通过HC-06模块传输给下位机[8]。

单片机作为下位机，采用Keil平台，使用C语言编程。89C52单片机具有3个16位的定时/计数器，其中，T1、T2都可以用作串口波特率发生器。在本设计中采用T2作为波特率发生器，使用11.059 2 MHz的晶振，其产生的波特率最高且误差较小[9]。采用RS-232C通信标准，8位数据位、1位停止位、无奇偶校验的通信格式。

采用随机编码方式，逐一传输6组密码信息，每组范围为0X00到0XFF，可以表示“0”到“9”的任意数，具有256种变化方式。主要程序如下：

if (RI) //RI接收中断标志

{ RI=0; //清除RI接收中断标志

table3[i]=SBUF-m; /*SUBF为接收/发送缓冲器；m为随机编码种子，若使用ASCII码，m为48*/

i++; }

单片机通过随机编码产生6位密码信息与手机进行地址匹配，匹配成功后接收手机端设置的4位密码，同样采用随机编码方式进行编码并保存在单片机存储芯片中。开锁时，与键盘输入的随机密码信息进行比对，密码正确则开锁。

4 系统调试

4.1 硬件电路调试

硬件电路搭建完成后，暂不通电，先观察焊接情况，看有无虚焊漏焊现象；然后根据电路原理图判断线路连接是否正确；再用万用表检查关键元件的电压、电流是否正常，排除隐患后进行系统调试。

4.2 蓝牙模块调试

采用单片机开发装置调试单片机程序，用蓝牙串口通信助手调试HC-06蓝牙模块[10]。将单片机I/O口的P3.0接HC-06蓝牙模块的TX端，P3.1接蓝牙模块的RX端，给HC-06模块上电，进入AT指令模式；在PC端启动串口调试助手,选择正确的端口和波特率并打开串口，勾选自动发送，在输入框中输入AT指令并回车，回收框中显示OK，则说明串口正常；打开手机的蓝牙，利用串口调试助手查询HC-06蓝牙地址并进行连接，匹配成功后在输入框中输入一个AT命令，若LED灯亮且回收框中显示返回值，则说明HC-06蓝牙模块调试成功，可以与手机及单片机连接进行数据传输。

4.3 报警电路调试

在单片机烧写程序和电路板制作时，电路报警装置提前设置好参数，若输入密码错误，则单片机会驱动报警装置，蜂鸣器做出响应，时间为2 s。若连续5次出现密码输入错误，则蜂鸣器长时间鸣叫，需按下复位键方可停止报警。

5 结 语

本文设计的密码锁,利用蓝牙无线技术进行数据传输,通过加密算法和随机密码的设置,实现了手机对密码的控制,提高了密码锁的安全性和方便性。实验表明，该密码锁具有安全性高、使用方便、价格低廉等特点，可以应用在图像处理设备、安全产品、建筑、家用电器等领域，具有广阔的应用前景。本设计已通过中华人民共和国国家知识产权局审批，被授予实用新型专利权(201420358698X)。