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第九届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛─以动态密码为基础之新型机车保全系统
 

【作者: 樹德科技大學電腦與通訊系】2015年07月08日 星期三

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前言

创作动机

因为科技的进步,人们的生活也跟着改变,安全变成人们最重视的课题,其中,跟人类最有相关的安全莫过于「锁」。锁的演进, 从以前的机械锁到现在的电子锁,其安全性也一直在提升。传统机械锁容易被技术开启,为了增加安全性因此慢慢的被电子锁取代。随着电子技术的发展与科技的进步,电子锁的便利性、防止技术开启功能及智能管理功能等都是机械锁无法比较的。


台湾近几年工业技术发达,人口密度在各大都会区都相当密集,台湾也是亚洲机车数量最密集的一个国家,根据交通部公路总局统计资料显示2011年5月全台汽机车数量为14,962,808辆。在台湾平均每1.5个人就有一辆机车,但是机车失窃率相对非常高,根据报导,光新北市近三年总计两万零九百一十五辆机车失窃,平均每天遭窃十一点五辆。


日前市议员王鸿薇指出,机车窃盗案犯罪手法以「万能钥匙破坏」最多,希望警方有所作为。台北市议员王鸿薇接获市民陈情,指一周前将机车停放在延吉街与忠孝东路4段交叉口附近,在东区逛街后欲骑车回家时,发现机车锁头被破坏变形,王鸿薇要求警方重视机车失窃问题,提出具体作为。市警局统计,市内近3年机车失窃案件数总计高达2万915件。


创新贡献与创作目的

由上述新闻报导的叙述中,我们可以发现机车在失窃案中,大部份小偷在偷窃机车的过程中都是以机车的「锁头」及「电路」为下手的重点,因为在市面上已有许多业者设计了许多方便的电子式机车锁头,电子锁的种类更是不胜枚举,在国内的研究中,有像是省电型的RFID 锁之制作与应用,主要是利用RFID 系统来设计机车电门系统,可解决一般传统式的机械锁的问题(如破坏锁头),同时也利用无线通讯的方式解除以往电子锁繁杂的布线问题,但其在曝露于公共空间的讯号并无特殊的防护机制。然而,一般电子锁,诸如磁卡锁、晶片锁或无线锁等,皆面临被高科技设备以扫频的方式给破解等问题。具体而言,由于电子锁皆采用数位讯号或线性的类比讯号以作为钥体与锁体的比对依据;因此,当有心人士透过扫频设备找出适当的频段以后,即可用电脑快速运算的方式,以试误方法破解之,为了解决改善上述问题,本作品利用混沌电路产生随机之讯号及动态密码之设计,解决传统电子锁中密码易被暴力破解的问题,混沌是一种非线性系统,此系统具有讯号随机不可预测之特性,以及混乱随机的状态响应与对初始值相当敏感的蝴蝶效应。


另外,为避免以动态密码基础之新型机车保全系统的锁头保全性过于高强,有心人士一不做二不休直接将贵重的机车已搬运的方式把车子窃走,我们也在作品中加装了一个三轴加速度感应器,当机车驾驶人不在附近的时候,机车遭有心人士恶意的碰撞与搬运,这时三轴加速度感应器会触发并透过传送简讯的方式在第一时间通知驾驶人机车遭窃,我们也根据窃盗案中常见的歹徒将机车后座的置物箱打开并窃取里面的财物,设计出一样利用混沌电路产生随机之讯号及动态密码之设计来开启机车车厢同时也附加一项功能,就是车驾驶人不在附近的时候,机车的后车箱遭到歹徒恶意开启,感应器触发后一样会透过GSM传送简讯到使用者的手机里达到警告的功能。


为有效解决上述问题,我们设计出以动态密码为基础之新型机车保全系统,为了改善上述传统电子锁及机车防盗性之缺点,本作品利用混沌系统来提高其安全性与随机性,并设计动态密码增加密码的动态性、随机性,因此设计此电子锁,将带给人们有一个安全的生活环境。以下是本作品主要功能。


动态密码OTP (One Time Password),就是一次性密码,采用混沌电路随机特性及动态编码方式,产生动态密码。


˙机车车厢防盗--运用动态密码电子锁将车厢锁定,以防小偷运用万用钥匙将车厢打开


˙安全帽锁扣提醒--如驾驶人未将安全帽扣子扣上,语音IC将拨出语音做出提醒,同时启动机车断电系统


˙机车防盗--感应三轴加速度感测器的水平值是否出现变化,若变化太多则表示机车被窃盗,立即发送简讯给车主


˙紧急通知--GSM晶片在收到三轴感应器的讯号时会发送简讯通知车主


工作原理

以往传统的机车电子锁具常用固定密码或其加密方式亦为大家熟悉之方法,虽方便,但相对被破解的可能性较高,且在无线的锁具上,解锁讯号暴露于公共空间中,亦容易被截取,若未进行特殊编码加密,亦可能影响其安全,本设计以非线性混沌电路为主,设计并实现混沌电路,使其可产生随机之混沌讯号,做为密码之用,并设计动态密码之编解码及动态更新机制,以确保安全性,再藉由微控制系统,设计韧体程式,以实现编解码之实现规划出电子锁之安全编码和动态密码之设计,配合微控制器HT66F50建构出完整的控制平台,让电子锁的控制和应用更为简易。


同时整合了无线传输系统,让使用者透过智慧型手机APP程式,即可建立一个安全并具有发送加密讯号功能的手机程式,同时可自订密码,让安全性更具弹性,提高其安全性。


混沌电路之设计与实现

混沌系统是一个极为复杂的动态非线性系统,具有相当宽广的Fourier 频谱、白色杂讯及宽广频谱的特性,且混沌系统对初始值相当敏感,故具有轨迹不可预测性,亦即蝴蝶效应。根据文献上记载之混沌系统种类非常多,其中较著名的混沌系统有Chua、Rossler、Sprott 及Unified chaotic systems 等,其中Sprott结构简单,实现容易,因此本专题选择以Sprott 混沌系统做为本研究之混沌系统。


Sprott混沌系统主要是以一个三阶微分方程式为基底的动态非线性系统,其原始微分方程式如下:


x+ax+x=G(x)


其中G(x)为片段线性方程式,分别令:


X1=x,x2=x,x3=x


G(x)=1.2x+2sign(x)


a=0.6


经过移项后即可得到下列微分方程组


X3=-1.2x1-x2-0.6x3+2sign(x1)


为了进一步了解此系统的动态响应具有混沌现象,利用Matlab 软体来模拟此方程式的状态响应,除此外,我们亦实际应用运算放大器等基本电子元件,实现其电路。其模拟图与实际量测图分别如图一至图三所示:


图一 : :混沌系统电路
图一 : :混沌系统电路

图二 : : 系统X2-X3相位实际量测图
图二 : : 系统X2-X3相位实际量测图

图三 : :Sprott系统X1-X3相位实际量测图
图三 : :Sprott系统X1-X3相位实际量测图

动态密码之编解码及动态更新机制

为确保系统之安全性,我们利用混沌系统状态响应具随机以及对初始值敏感的特性,提出动态随机密码的概念,进一步设计出无线动态密码更新装置,为详细说明本电路装置之设计,特举上述之混沌电路-Sprott系统加以说明但其应用适用于任何混沌系统,首先,本作品如图四所示包含有:


一组传送端与一组接收端,在传送​​端部分里面区分为五个模组。


翻譯中...


(2)类比转数位模组:该模组主要利用混沌模组所产生之随机波形,将期由类比随机讯号转换为数位随机讯号。


(3)资料库模组:内有欲传送之讯号。


(4)编码模组:该模组主要产生一组编码密码,此为第一组密码并与数位随机讯号和欲传递之资料讯息进行编码。


(5)无线传输模组:将上述(4)所混合产生之讯息编码经由无线传输模组发送该讯号。


传送端经由上述步骤将讯号经由无线传输模组发送后同时编码模组会以新的数位。随机讯号来取代第一组密码来作为新的编码密码。


另外,在接收端部分分为两个模组。


(1)无线接收模组:此无线接收模组用来接收传送端传送之讯号。


(2)解码模组:在此模组里设有一组解码密码,该解码密码初始值为第一密码,解码模组则利用该解码密码将接收讯号进行还原动作,进而还原该随机数位讯号以及传递之资料讯息,此时解码模组就以该还原之随机数位讯号来取代第一密码成为新的解码密码。


总结上述,发送与接收端之编码密码及解码密码为相互对应,一开始先由使用者输入第一密码,经由一轮动作后,在藉由混沌随机产生之讯号进行类比讯号转为数位讯号,再将之覆盖上第一密码并分别输入至编码模组与解码模组中。如此一来密码就会随着时间与混沌之特性随意改变。


(3) 微控制器端韧体程式之设计:在微控制器中进行程式写作,实现编解码机制,并透过无线传输完成和钥匙端(智慧型手机)讯号的连系,建立安全并能够有发送加密讯号功能的手机程式。此部分所写之程式码是为了让单晶片(拟使用国内生产之晶片,未来量产可间接促进国内相关产业发展),可以对收至手机端讯号进行动态密码的更新及编解码,并控制继电器让继电器能够控制电子锁,此外,在我们的构想中,建立一个安全并能够有发送加密讯号功能的手机程式,于是我们初步拟在APP Inventor 中撰写程式,功能上有两个功能键分别是装置选择与连线两个按钮,而在安全的考量下,我们甚至做了一个图形解锁介面的功能,如图六所示。


图四 : :动态密码架构图
图四 : :动态密码架构图

图五 : :动态密码示意图
图五 : :动态密码示意图

图六 : :APP Inventor 程式开发介面
图六 : :APP Inventor 程式开发介面

(4) 研究成果及专利


本作品是由我们团队共同制作,使其完成以动态密码基础之新型机车保全系统,应用于降低机车的失窃率,为完成此作品,我们也提出相关之专利布局及申请说明如下。


(5) 相关专利申请


名称:具动态密码之无线安全通讯装置


发明人:颜锦柱等4人


专利证书字号:M378579


申请人: 树德科技大学高雄县燕巢乡横山路59号


申请范围如下:


本创作系为一种具动态密码之无线安全通讯装置,其系统包含有一发射端及一接收端,该发射端内建设有包含一混沌模组、一类比转数位模组、一编码模组、一无线传输模组,该接收端内建设有包含一无线接收模组及一解码模组,其中该混沌模组用以产生随机动态编码密码,使该发射端及该接收端具有密码同步更新之功能,藉由该编码密码随机且无法被预测之功能,使该发射端开始执行时,没有取得其编码密码,则在之后所取得之发送讯号皆无法被正确解码,可保护其传输的资料。 【创作特点】 爰此,有鉴于习知技术的缺失,故本创作提供一种具动态密码之无线安全通讯装置,包含有一发射端,该发射端内建设有一混沌模组、一类比转数位模组、一无线传输模组及一编码模组,该编码模组内设有一编码密码,该编码密码初始值系为第一密码,该混沌模组产生一随机类比讯号,而该类比转数位模组将该随机类比讯号转换为一随机数位讯号,该编码模组则利用该编码密码将该随机数位讯号编码,产生一发送讯号,并由该无线传输模组传输该发送讯号,同时该编码模组并以该随机数位讯号取代该第一密码成为新的编码密码;一接收端,该接收端内建设有一无线接收模组、一解码模组,该解码模组内设有一解码密码,该解码密码初始值亦系为第一密码,该无线接收模组接收该发送讯号,该解码模组则利用该第一密码将该发送讯号解码,进而还原该随机数位讯号,该解码模组并以该随机数位讯号取代该第一密码成为新的解码密码;藉由该发射端之编码密码及该接收端之解码密码皆会被该混沌模组产生之随机数位讯号覆盖成为新的编码密码及解码密码,让每次的编码密码及解码密码皆对应且不相同。


上述之发送端进一步具有一资料库模组,该资料库模组具有一资料讯息,该编码模组利用该编码密码将该资料讯息编码,而该解码模组之解码密码将该资料讯息解码,进而还原该资料讯息。上述之编码密码与该解码密码相同。上述之第一密码系分别预设输入至编码模组及解码模组内。本创作利用混沌模组产生之随机动态密码使发射端与接收端之编码密码及解码密码可即时同步进行更新,具有提升资料传输的安全性。


测试说明

图七 : :模组配置(安全帽)示意图
图七 : :模组配置(安全帽)示意图

图八 : :模组配置(混沌锁具)示意图
图八 : :模组配置(混沌锁具)示意图
图九 : :模组配置示意图
图九 : :模组配置示意图

(1)机车动态密码锁


本作品利用混沌系统之特性随机及宽广的讯号特性,并使用动态密码之编解码及动态更新机制,并透过无线传输与智慧型手机号的连结,建立一个简单安全并既有发送加密讯号功能的机车动态密码锁。



图十 : :作品实体示意图
图十 : :作品实体示意图

(2)车厢密码锁


利用动态密码锁更安全的保护,来降低车厢被开启及车厢内物品遭到偷取,当车厢并非使用正常之开启方法,将启动防盗警示声响,及时传送讯息给与车主。


(3)安全帽锁扣提醒


安全帽锁扣用来防止驾驶人忘记扣上安全帽,当安全帽为扣上时,安全帽上之蓝芽传输器,将传送讯号致机车上蓝芽接收器,此时机车上之主控台将会启动机车断电系统,同时也传送讯号至安全帽上之语音IC,发出声音警告驾驶人,当驾驶人将安全帽锁扣扣上时,机车主控台将会关掉机车断电系统。


(4)防盗警示


当机车之动态密码锁未解开时,便会启动震动感应器,而震动感应器感应到震动时,就会传送讯息至车主手机。


其他延伸应用

本作品一样能使用于家中大门及铁门亦或者是所有需要锁具或者是保密性之电子产品。达成手机配合动态密码锁达成整合家中所有产品的开启及应用,将本产品运用于家中门锁上,以相同道理将动态密码用家中门锁,只要运用手机之程式,即可解开家门上之动态密码锁。


(本文作者颜锦柱为树德科技大学电脑与通讯系教授;简品晟、陈晋纬、曾誉升、许佑祯为树德科技大学电脑与通讯系研究生)


参考资料

[1]苹果日报-汽机车失窃率;万华居冠http://www.appledaily.com.tw/appledaily/article/headline/20120514/34226635/


[2]专利检索,「M378579具动态密码之无线安全通讯装置」,2010/04/11。


http://twpat-simple.tipo.gov.tw/tipotwoc/tipotwkm?@@1965641008


[3]H​​T66Fxx Flash MCU原理与实务​​-组合语言篇;全华出版


[4]盛群官网-技术支援


http://www.holtek.com.tw/chinese/tech


/tech.htm


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