账号:
密码:
CTIMES / 文章 /   
创新数位化电子锁具与家庭防盗系统设计
第十一届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告

【作者: 潘善政、顏錦柱等】2017年08月15日 星期二

浏览人次:【5990】
  


因应现代科技的快速进步,几??人手都有一样科技产品,生活中更是越来越多事物都与科技有所关连,如何让科技可以更加融入生活正是此时此刻非常重要的议题。为了能够在生活中实现,本作品以居家安全与居家防盗为设计出发点,使用盛群HT32F1765晶片与创新设计手机APP,并结合数位化混??系统同步技术,提出高安全性的电子防盗锁具,让宵小无法轻而易举的就破解门锁,同时设计可监测屋内外之IP CAMERA结构,让就算在外的屋主也可随时选择观看家中屋内或屋外的情况,而即时拍摄入侵者的画面也会立即储存在IP CAMERA的记忆卡中,以便日後的报案处理。


创新的设计让民众家中的门锁达到高安全的防盗功能。此次研究设计,将以数位化的方式实现混??系统及同步控制设计,不同於以往使用类比式元件设计之混??锁具,可达到体积小、稳定性高、维修容易的好处。


本作品计画目标在於:将传统运算放大器及被动元件所组成的混??电路数位化,并利用HT32F1765控制器高速的计算能力,以程式演算法的方式实现混??系统。除了可以大幅提升混??系统的稳定性及调变性外,更可降低成本及体积;在晶片内离散化混??讯号,也能加快讯号加密的速度及稳定性,以达到本作品所求之目标━门锁密码的高度保密性与安全性。


创作动机

在台湾有许多宵小经常使用一些简单之工具便可以轻轻松松的撬开而破解传统式的居家门锁,导致屋主回家後才发现遭闯空门,也只能调出监视录影器或者是报警追查是何人,这样的情形层出不穷,就算更换了一般的电子锁也不见得可以与一般的监视录影器做结合。


依内政部警政署统计,住宅窃盗仍然占民生窃盗的第一名,由此可见居家防盗仍然是相当重要的一环,其中锁具的改变从传统简易型的机械式门锁,到现今家中的门锁都增加了许多不同的安全功能;例如:进家门提醒、改善门锁结构、改善门锁材质。


而与现代科技做到结合的就是电子式锁具,如今新建设好的广泛大楼几??都是使用电子式门锁,主要是节省掉用钥匙开门,而其中以防他人破解门锁的安全程度则有待观察,此作品创新数位化电子锁考虑到的就是以遭破解安全性为主要重点,我们改良了以往的电子锁单纯输入密码即能解锁的单调功能,创新设计门锁需与主人手机端做连结,当门锁开门时无法侦测到手机的存在,则将认定开门的并非为屋主,手机APP端会即刻通知屋主,创新开发数位化同步系统之电子锁具设计,并配合IP CAMERA即时拍摄入侵者之画面,让整体电子锁的安全性提升许多。



图一 : 台北市住宅失窃率(资料来源:台北市政府、实价网、优美地产/联合晚报)
图一 : 台北市住宅失窃率(资料来源:台北市政府、实价网、优美地产/联合晚报)

创作目的与创作缘由

此创新之电子锁系将连续混??系统将以离散化後,加上创新同步技术,使主仆系统同步,并在同步的前提下,产生混??系统类随机的状态响应,并利用混??系统对起始值相当敏感,不可预测之特性(蝴蝶效应),有效解决传统电子锁被暴力破解的可能性。此发明设计中使用到的混??技术,与过往技术不同且进步重点之一是将原先的类比讯号技术转移成数位讯号技术。


自从气象学家Lorenz提出蝴蝶效应(Butterfly Effect),论述某系统如果初期条件仅有微小差距,却造成未来巨大的变化,混??系统因具有宽广的傅利叶(Fourier)频谱与在相位空间不可预测的特性,以及对初始条件高度敏感的特性,直观上像是杂讯,因此近年来,在通讯安全的应用上,受到广大学者的注意及研究。


有鉴於以往的电路制作技术,混??系统的实现是以固定类比元件组成之多??路的回授电路,制作复杂、体积庞大、系统会有饱和的疑虑。本作品改以程式演算法加以数位离散化,相较於传统硬体电路所实现的混??电路更大幅提升资料的安全性及可靠度;而本作品将着重於离散化混??系统加解密原理的实现,将会使用HT32F1765微控制器於传送端及接收端,主要工作在於处理混??系统离散化加解密时,所需要的大量数学运算,所以HT32F1765微控制器在这里所扮演极重要的角色。图二为利用手机与电子锁同步解锁之架构图



图二 : 手机与电子锁同步解锁之架构图
图二 : 手机与电子锁同步解锁之架构图

本次作品主要完成以离散化混??系统为基础之电子锁加密系统之设计,内容我们将分下四点来做研究:


* 离散化混??系统建立


* 主仆系统同步处理设计


* 系统功能整合实现


* 系统成品实现


此系统不仅有完整之语音加密系统,可达到即时和稳定的语音加密及传送功能,为通讯安全提供良好的保障以及安全性。


工作原理

本作品基於数位化同步系统之电子锁具设计,系以连绩混??系统原有之特性将以离散化後与之应用在电子锁上,其系统原理如下所述:


此电子锁的居家防盗功能设计如下:当屋主进入屋内必须先透过创新设计的手机APP程式来辨识屋主身份,当手机端收到APP执行之指令时,主系统端将传递同步讯号至仆系统端,透过同步控制器来做讯号是否同步的确认,当主系统确认主仆两端有达到讯号同步处理时,便开始进行智慧门锁端随机密码之确认,确认成功後即可开锁。若同步处理或随机密码确认失败皆视为无法解锁,则配合IP CAMERA即时拍摄入侵者之画面,以便日後的报案处理外,另外同时设计两台IP CAMERA之结构,方便在屋内与屋外皆可监控,屋主则可随时观看家中屋内外情况,此创新的设计让民众家中的门锁达到高安全的防盗功能。


离散化混??系统设计及实现

本次作品创新数位化电子锁具与家庭防盗系统设计,系以连续混??系统原有之特性将以离散化後与之应用,以下将条列介绍连续混??系统之特性:非线性:有别於线性系统会收敛、发散之特性。这是混??系统存在特有的行为,即奇异吸子,虽然其不稳定,但仍然存在一定的区域来限制其系统之状态,使其系统不至於发散。


* 变幻莫测:类随机的状态响应,不可预测之特性。


* 蝴蝶效应:对起始值具有相当敏感的特性,即使同一系统,只要起始值不同,最後的状态响应将截然不同。


* 宽阔的傅立叶频谱:表示其讯号组成,是复杂的。


为充分应用以上特性,以下说明混??系统的离散化方法,同时离散系统亦保有连续混??系统的特性。连续混??系统之动态方程可描述如式(1)。


其中包括非线性向量,以及可控的数值。则此型式之混??系统(1)之离散时间系统可表示如式(2a)与式(2b)。


在此文中,首要目标在於设计离散混??系统混??的设计,并将之应用於即时语音加密系统的设计当中,因此如何将连续之混??系统离散化,并保有原连续系统之混??特性,是非常重要的,现利用上述说明的方法,可解决此一问题。现举一非线性之Lorenz system说明,其连续系统描述如式(3)。



图三 : 方程式(1~4b)
图三 : 方程式(1~4b)

其中的简化设计,我们可将上式写成满足(1)式之矩阵形式如式(4a)。


若以取样间T=0.001秒,则由(2a)式,可以得到其离散系统如(4b)。


本作品首先研究离散混??系统数位化,将混??系统数位化的目的是可以有效解决传统式类比混??系统元件体积过大的问题,再者也比较不会受到杂讯干扰的影响以及元件老化所衍生的问题,并且实现於HT32F1765系统上,充分发挥嵌入式系统强大且快速的数位讯号处理能力,进行语音的加解密功能。在电路方面,若系统讯号过大,如:声音、影像之讯号,常会造成电路饱和或运算数值解析度不足的问题,因此混??系统数位化不仅把体积变小,运算能力也大幅提高了。


主仆系统同步处理设计

在此作品中,如何将连续之混??系统离散化,并保有原连续系统之混??特性,是非常重要的,现利用上述说明的方法,可解决此一问题。而在此电子锁设计中的同步控制包含主仆2个数位化混??系统,及同步控制器的设计,现举例说明,但混??系统不受限於此说明的形式。在上述说明中得知混??系统拥有许多不稳定的特性,使用其特性进行加密会拥有非常强大之安全性,但既然其拥有不稳定特性,在进行解密工作时也会遇上许多困难,所以一个强健的同步控制器显得至关重要,本技术将引用在传送端及接收端之系统架构如图四所示:



图四 : 主仆混??类随机讯号同步技术
图四 : 主仆混??类随机讯号同步技术

在设计中,将采用主仆混??系统同步技术,在传送端与接收端分别设置数位混??系统,传送端传送部分讯号至接收端的同步控制器,经由同步控制器作用,传送与接收端的主仆混??系统即可达到同步,亦即在传送与接收端可同步取得一组相同的随机讯号,做为加解密之用,在此研发技术中,除要考虑杂讯干扰问题及系统同步的强健性外,实现韧体的设计亦为技术开发重点。


图五 : 方程式(5-11)
图五 : 方程式(5-11)

以下就主仆混??类随机讯号同步技术说明:


考虑主仆(master and slave)Lorenz 系统如下:


Master Lorenz system: 见式(5)


Slave Lorenz system: 见式(6)


其中为主仆混??系统状态,a,b及λ为系统叁数,u(t)?R为控制输入,p(t) ?R为可能的外来扰动。我们将(5)及(6)写成如式(7-8)的矩阵型式:


在取样时间T=-0.001 sec.,a=10,b=8/3及λ=28,可得离散系统如式(9)及式(10),以及定义同?误差,则误差动态方程可描述如式 (11)。


离散化转换面及滑动模式控制器设计


图六 : 方程式(12-15)
图六 : 方程式(12-15)

为使主仆混??系统同步,可设计离散化转换面如式(12),其中s(kT)?R,c>0是待设计叁数满足┃0.99-0.01c┃<1。所以当系统可进入滑动模式,则由式(13)可得到式 (14)的结果。


因c满足┃0.99-0.01c┃<1,所以e1(kT)收敛到0,同时,e2(kT)也会随着收敛到0。当e1(kT),e2(kT)均收敛致0,则e3(k+1)T=0.997e3(kT),也就是e3(kT)亦会收敛到0。由上可知,若可设计控制器,使得s(kT)=e2(kT)+ce1(kT)=0恒成立,则主仆混??系统将可达到同步。以下为抵达条件(reaching condition)。式(15)其中 q>0;为取样时间。


定理一

若控制器: u(t) ?R设计为式(16)所示,其中q>0; >0;1-qT>0;T=0.001>0为取样时间见式(17),则可满足抵达条件(15)。


证明: 由上,可得式(18),很明显地,由式(18-20),可确认满足抵达条件(15)。


模拟验证


图七 : 方程式(16-23)
图七 : 方程式(16-23)

在此模拟中,我们令p(t)=0.1sin(π.t),转换面设计,选择c=2,满足┃0.99-0.01c┃<1,因此可得稳定的滑动模式,转换面如式(21),再由 (13),可得控制器如式(22)。


其中模拟的结果如图五到七所示,由模拟结果可知,主仆混??系统确实可以达到同步,同时由(16)式可看出,c的选择可影响误差收敛速度。



图八 : 主仆混??系统状态响应
图八 : 主仆混??系统状态响应

图九 : 同步误差状态误差响应
图九 : 同步误差状态误差响应

图十 : 滑动面s(kT)
图十 : 滑动面s(kT)

系统功能整合实现

为求改善居家环境之安全,此专利电子锁需要开启时,要经过层层的资料比对才能顺利开锁,若开锁失败则启动IP CAMERA让使用者监控环境。


首先在电子锁的主系统手机端与仆系统电子锁端都会产生一组共同密码,此密码由主系统端透过离散化後的连续混??系统对其产生随机加密的动作,当讯号传送至接受端仆系统进行解密时,会先经由同步控制器做讯号同步处理,透过同步处理取得相同的随机讯号後,再进行加解密的机制,下一个验证动作则是将加解密後得到的密码与仆系统端原先的共同密码做核对比较的动作,比对後的密码若为相同,电子锁系统则做解锁之动作,若比对结果错误视同失败,系统则会做出相对应的机制通知主人,整体开锁准则如图八所示。


本作品创新使用数位化技术实现,成功取代过去以类比式做为基础的电子门锁,设计过程也说明离散化的混??系统仍然保有原混??系统的特性,所以我们将HT32F1765晶片与手机作结合,并在电子门锁端加以应用并实现,另外,此设计不同於以往防盗门锁是使用动态密码的机制,这里则是采用同步控制的机制,让整个防盗锁的安全性更加完整且更不容易被破解,并且透过创新手机技术来即时且远端来观看家中情形,将电子防盗锁又更提升了一层安全性。



图十一 : 电子锁开锁准则
图十一 : 电子锁开锁准则

作品结构

电子锁具加解密设计系统架构

此创新数位化同步之电子锁设计,主要作品架构分为下图九左半边的主系统手机端与右半边仆系统电子锁具端,并将数位化离散化後的混??系统设置於主仆两端,另将混??类随机讯号同步技术设在仆系统端,透过系统加解密与同步的过程方可得到加解密的结果,经过加以比对後系统再判断是否解锁成功。



图十二 : 电子锁具加解密设计系统架构
图十二 : 电子锁具加解密设计系统架构

IP CAMERA与手机创新APP

电子锁的安全应用之外,此作品另外设计两台IP CAMERA於门锁端,利用系统将两台镜头分别向屋内以及屋外做监控,由专属APP操控其动向,可自由切换观测视角。


(本文作者潘善政1、颜锦柱2、张皓勋3、王亮凯4 、张自行5为树德科技大学电脑与通讯系为1-2教授及3-5学生)


叁考文献

[1] 李宜达,控制系统设计微处理机设计与实务MATLAB/SIMULINK,全华图书,2011/09/29.


[2] 刘超群,Android SDK程式开发应用实务,2013/08.


[3] 李宜达,Android App 初学必修课,??峰,2013/01.


[4] 杨宪东,非线性系统与控制 II:控制设计,国立成功大学出版中心,2016/07/01.


[5] M.Hirsch(赫希,斯梅尔),微分方程、动力系统与混??导论,人民邮电出版社,2008/04/01.


相关文章
超━虚实体感互动系统设计
嵌入式需求不坠 8位元MCU历久不衰
第十三届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告━基於网路实体系统之灯联网
为实现安全自动驾驶的迫切权衡
系统复杂度升级 数位电源让供电难题迎刃而解
comments powered by Disqus
相关讨论
  相关新品
Platform Manager Devices
原厂/品牌:Lattice
供应商:Lattice
產品類別:Power
Power Manager II Hercules Development Kit
原厂/品牌:Lattice
供应商:Lattice
產品類別:Power
Processor PM Development Kit
原厂/品牌:Lattice
供应商:Lattice
產品類別:Power
  相关新闻
» 高通预计将於2019年问世的商用5G行动装置
» 宇瞻科技启用工业级产品识别
» 盛群获颁GSA 2018年最隹财务管理半导体公司奖
» SEMI:2018年11月北美半导体设备出货为19.4亿美元
» 上银荣获2018国际创新奖
  相关产品
» 安森美半导体推出RSL10传感器开发套件
» HOLTEK New Arm Cortex-M0+ based 32-bit Flash MCU Series HT32F52344/52354
» 艾迈斯半导体将在MWC展示以感测技术实现智慧连结
» HOLTEK新推出BH67F2752红外线测温MCU
» HOLTEK新推出HT66FW2350无线充电发射端专用MCU
  相关资源
» Power Management Solutions for Altera FPGAs

AD