摘要：本文主要针对433MHz频段和WiFi技术的无线智能锁进行研究工作，研究的主要内容包括：基于433MHz频段和WiFi技术的无线智能锁的总体方案设计，无线智能锁的硬、软件设计等。
关键词：433 MHz频段；Wi Fi技术；智能锁设计
前言：无线网络技术的飞速发展给人们的日常生活带来了翻天覆地的变化，为人们提供了更加舒适、灵活、便利的办公和居住环境。Wi Fi作为无线网络技术之一，其主要优点是分布范围广、传输速度快、硬件嵌入技术成熟；其主要缺点是传输过程中信号易衰减，功耗高且易受障碍物影响等。433 MHz频段无线模块的显著优势是信号穿透能力强、抗衰减能力好、功耗低；但其缺点是传输速度慢，一般只适用于数据量较小的应用场景。为满足智能锁的低功耗要求，选用433 MHz频段技术；而为了实现移动终端远程控制，故采用WiFi技术。本文结合433 MHz频段和WiFi技术的无线智能锁设计，既实现了设备低功耗，又实现了稳定可靠的数据传输并支持移动终端远程控制功能。
1 系统总体方案设计
智能锁系统整体结构如图1所示，主要由门锁终端、集中器、云端服务器和远程客户端4部分组成。智能门锁的433MHz无线模块作为终端节点_，多个门锁终端节点与集中器组成局域网，它们将门锁的状态、刷卡信息及通过红外感应模块感应到门外有人在有效区域停留3 e以上使用摄像头模块拍照的图像等数据经过XXTEA加密算法加密上传到集中器，保证通信安全。然后经过集中器WAA模块转发到云端服务器，云端服务器将状态信息发送到移动终端，存储图像和刷卡记录供P C终端查看。反过来，移动终端可以控制门锁开关和P C端下发卡号等门锁信息，达到了远程实时监控管理和智能防盗的功能。其中集中器是由433MHz无线模块和WAA模块构成的，通过短按按键使用AirLmk模式接入云端服务器2。
图1智能锁系统完整结构
2 无线智能锁系统硬件详细设计
本系统的硬件设计主要包括433 MHz无线通信模块和集中器。433转Wi Fi无线通信接口模块采用的是433转UART，UART转Wi Fi的方式，而UART转Wi Fi已属于集成的已开发完全的用户级产品，这部分只做简单介绍，重点介绍基于433 MHz频段的无线模块硬件的详细设计。
2.1基于433 MHz频段的无线模块详细设计
2.1.1单片机
MCU与射频芯片CC1101间的接口设计基于433 MHz频段的无线模块由STM8S003K3T6C单片机与射频芯片CC1101组成，之间采用SPI接口通信，STM单片机的SPI设置为主模式，芯片CC1101的SPI接口处于从模式，此模块的用户访问接口为UART接口。模块硬件组成图如图2所示。
图2 433 MHz无线模块系统框图
2.1.2 433 MHz无线模块的频率设置
当组建多个局域网时，需考虑频带资源分配，以避免同频或邻频干扰。CC1101可工作在387.0 MHz～464.0 MHz频段，在1 MHz的信道间隔下，可保证通信互不干扰。CC1101的载波频率公式如下：
式中，fc为载波频率，fx为晶振频率（26 MHz），Freq是由寄存器FREQ2、FＲEQ1和FRＲEQ0寄存器中的24位频率字决定的基本频率，Chspc_M、Chspc_E和Chan分别是通过寄存器MDMCFG0．CHANSPC_M、CFG1．CHANSPC_E和8位信道数量寄存器CHANNR．CHAN来设置的。为避免邻频干扰，减少频率偏移的影响，设置500 k Hz的信道滤波带宽，使用1 MHz的信道间隔。系统中，使用333 k Hz信道间隔，并选择所有CHANNR_CHAN的第3条信道这种方法来获得1 MHz的信道间隔。因此，可通过给定fc来确定Freq的值，如fc=434 MHz时，Freq=0x16EFB。实际应用中，为了避免信号间干扰，不同局域网里的无线模块采用不同的频率点通信，通过式（1）来计算Freq，从而设置相应寄存器的值。
2.2 UART转Wi Fi
选用USR-WIFI232-B作为串口转Wi Fi模块，由于此模块为已开发完全的用户级产品，本文只介绍USR-WIFI232-B无线模块的工作特点。
2.2.1组网模式
USR-WIFI232-B的无线模块支持AP、STA、AP+STA功能。本系统中，将USR-Wi Fi232-B配置成AP+STA模式，锁里面的无线模块作为STA与该模块相连，同时通过该模块与PC客户端、移动终端进行可靠通信。具体连接方式如图3所示。
图3组网模型
2.2.2安全机制及网络协议
USR-WIFI232-X模块支持多种类型的无线加密方式，如WEP、WPA-PSK/TKIP、WPA-PSK/AES、WPA2-PSK/TKIP、WPA2-PSK/AES。本系统中，采用WAP-PSK/AES无线网络加密方式。USR-Wi Fi232-X模块支持TCP/UDP无线通信协议，USR-Wi Fi232-X网络端接口既可工作在服务器模式下，也可工作于客户端模式，用户可通过Web或串口发送AT+命令这两种方式进行模式选择。
3 系统软件设计
该系统433M Hz无线频段采用自定义协议，加入双重加密机制进行安全通信。
3.1数据帧格式的制定
自定义的数据帧格式见表1。
表1数据巾贞格式
在该数据帧中设置了一个预留位可供以后功能扩展使用，认证阶段使用可变长数据包发送，数据传输阶段根据数据大小选择使用无限长和可变长数据包发送，校验位是从数据长度到校验位前一位的算术和对2 5 6的余数。本系统开启CC1101芯片的地址检测功能，所以一个433MHz频段组成的局域网内最多设置256个门锁终端节点。
3.2 433MHz频段无线传输安全
该系统众多门锁终端节点与集中器之间通过D-H密钥交换算法在不安全的无线信道上安全的交换了各自的密钥，在经过XXTEA加密算法进行密码认证之后在将获得的ID号和密码组合经过哈希运算来作为新的通信密钥加密数据，由此进行双重加密机制使得集中器和各个门锁终端节点可以安全准确的通信。
3.2.1 D-H算法
D-H密钥交换算法是由Diffie和Heilman首次提出，它的原理如下描述：
（1）选取一个大素数ρ和在上的本原根α，将ρ和α作为公开系统参数；
（2）通信两端X和Y选择和ρ处在一个数量级的随机数Gx和G y，并且Gx和G y都小于ρ-1，作为X和Y各自的私钥；
3.2.2 XXTEA加密算法
XXTEA加密算法是基于微型加密算法TEA（tiny encryption algorithm）的变种XTEA和BlockTEA的基础上改进变化而来的。XXTEA加密算法以描述与实现的简单性著称，以128位的密钥对32位的倍数的分组块进行操作。为了确保每一轮加密都不同，一个来源于黄金比率的常数delta被作为倍数来使用，在处理块中每个字的时候利用了相邻字，算法迭代轮数根据被加密数据长度来定。XXTEA加密算法结构非常简单，软件实现的代码短小精悍，具有可移植性，在现如今比较常用的小型加密算法当中最适合性能和资源受限的系统。XXTEA的一轮加密过程如图6所示。
图6 XXTEA的一轮加密过程
图6中＜＜表示左移＞＞表示右移，
表示求和，⊕表示异或。
3.2.3 双重加密机制
门锁终端节点要加入以集中器为A P的局域网内必须要通过集中器的认证，认证过程采用类似于T C P/I P协议的握手机制，认证通过后方可正常安全的通信。门锁终端节点的密码是存储在EEPROM，集中器的密码是存储在FLASH里，密码一致且为8字节，图7是门锁终端节点密码加密认证过程。
图7 门锁终端节点密码认证过程
以下是集中器和门锁终端节点交互认证入网具体步骤。
（1）集中器初始化生成公开系统参数ρ、α，根据D-H算法生成自己的公钥、私钥，发送信标帧，帧里包含ρ和α；
（2）门锁终端节点接收到信标帧，提取ρ和α，根据D-H算法生成自己的公钥和私钥，然后门锁终端节点把自己的公钥组成帧发送给集中器；
（3）集中器收到后根据D-H算法生成通信密钥并发送自己的公钥给门锁终端节点；
（4）门锁终端节点收到集中器的公钥数据帧后根据D-H算法生成通信密钥；
（5）门锁终端节点用通信密钥根据XXTEA加密算法加密经过哈希运算后的EEPROM里的密码组帧发送给集中器；
（6）集中器收到了后解密数据对比经过哈希运算的FLASH中的密码是否一致，一致为认证通过并分配给一个I D号通过通信密钥加密后发送给该门锁终端节点；
（7）门锁终端节点收到I D号后存储并回复一个ACK给集中器，集中器收到ACK后存储该I D号和该门锁终端节点地址，至此加密认证入网成功。这时门锁端节点获得了集中器分配的I D号，由I D号和密码组合经过哈希运算生成新的通信密钥，这里的哈希
运算采用信息摘要（message～digest algorithm 5，M D 5）算法，而后的数据传输都是通过这个新的通信密钥来加密解密，形成双重加密机制，保证系统安全。
4 结语
以433 MHz无线模块、集中器为核心的无线智能锁系统，一方面满足了智能锁低功耗的需求，克服了障碍物对信号的阻碍；另一方面它实现了终端远程控制功能。智能锁监控系统界面友好、人机交互方便可靠、易于观察控制。软件上的易操作、友好性和硬件上的稳定可靠性使得本无线智能锁系统具有广阔的应用前景。
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论文作者:马裕文
论文发表刊物:《基层建设》2019年第15期
论文发表时间:2019/8/6
标签：集中器论文; 终端论文; 门锁论文; 模块论文; 节点论文; 频段论文; 密钥论文; 《基层建设》2019年第15期论文;