挑战杯校内备赛作品智能声锁 V3.docx
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挑战杯校内备赛作品智能声锁V3
第十五届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛
作品申报书
作品名称:
面向短租业的双音频云端智能锁
负责人姓名:
申报者集体名称:
淮工创客实验室智能锁团队
类别:
□自然科学类学术论文
□哲学社会科学类社会调查报告和学术论文
√科技发明制作A类
□科技发明制作B类
说明
3、科技发明制作必须附有研究报告,包含作品的科学性先进性(必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。
请提供技术性分析说明和参考文献资料)、使用说明及该作品的技术特点和优势,提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测等内容,提供图表、曲线、试验数据、原理结构、外观图或照片,也可附鉴定证书和应用证书。
摘要
目前的智能锁的发展还仍然处于初级阶段,但是可以预见的是其大规模产业化要素渐趋成熟。
这对于古老而又常青的发展缓慢的锁业企业是一次难得的快速成长机遇。
在目前来看仍属高端智能锁业未来将会不断在各个领域的细分市场上开辟新的业务领空。
本作品的双音频云端智能锁面向目前短租行业这个细分市场的需求而开发。
由音频智能锁、位于互联网云数据库以及房主手机终端和授权手机终端构成;房主通过房主手机终端APP绑定音频智能锁ID获得对音频智能锁的管理权限,可为该音频智能锁授权多个允许开锁的手机号以及使用的时间期限。
音频智能锁可通过家庭无线网络连接到互联网服务器获取密码,授权手机从互联网服务器获得开锁密码并转换成音频信号,靠近音频智能锁播放,密码吻合音频智能锁就能打开。
论文首先分析了智能锁目前的技术发展和在线短租行业对智能锁具的特殊需求,第二章阐述了本作品的总体方案和软硬件设计,第三章主要介绍了我们团队如何解决智能锁最重要的安全和功耗问题,第四章介绍了本锁具的机械部件情况和团队对这款锁具的指标设定,第五章从实际使用过程中三个方面对锁具做了系统测试,第六章是我们团队目前取得成果。
该锁具已经和本地短租公司达成协议,正在协助其集成到租房管理系统中。
关键词:
DTMF、双音频、智能锁、短租
目录
摘要3
目录4
第一章绪论5
1.1智能锁的技术发展5
1.2短租行业飞速发展5
1.3短租行业锁具需求分析6
1.4应用于短租的云端智能锁产品7
1.5产品创意特点总结7
第二章系统方案8
2.1总体方案设计8
2.2DTMF实现原理9
2.2.1DTMF特性9
2.2.2DTMF识别10
2.3系统硬件设计11
2.4系统软件设计12
2.4.1软件流程设计13
2.4.2后端密码和授权13
第三章安全和功耗14
3.1安全性简述14
3.2简易PKI/CA移动授权与验证15
3.3基于HTTPS/TLS数据传输15
3.4安全性之不可再次授权17
3.5休眠机制和高效算法的低功耗简述17
3.6ESP8266睡眠模式的分类及特性18
3.7模块的睡眠电流实测18
3.8模块和MCU相互睡眠及唤醒测试19
3.9功耗调试和实现19
第四章机械部件及指标设定21
第五章系统测试23
5.1DTMF信号辨识度测试23
5.2wifi通信的测试24
5.3实时数据库网络数据通信测试24
第六章目前成果25
6.1一代成品和APP25
6.2团队成员26
6.3项目负责人27
6.4知识产权28
6.5获奖情况29
6.6企业合作协议32
第一章
绪论
1.1智能锁的技术发展
锁是一个永恒的话题,科学技术的发展及其产业化渗透也触发了锁业的革命,从早期的机械锁、到现代的电子锁、再到近些年来发展势头强劲的以指纹识别为代表的新生智能锁。
从安全、方便、与管理等方面给用户带来了高品质的生活、工作、以及娱乐等等的美妙的体验和享受。
大众概念意义下的智能锁即各类接触/非接触/遥控的钥/卡/扣码锁、以及密码键锁。
可以提供开锁记忆和查询来方便管理和安全的需要,加上这类钥匙的神秘高品位和较高密级防伪特征。
这也是酒店等使用者具有较大流动性的公众服务业普遍使用智能锁的重要原因。
安全、而且尤其方便客人与酒店管理且降低了营运成本。
若从公共安全联防的角度考虑则更有优势,比如,网上追逃与治安防控等等。
目前以指纹锁为代表的智能锁的发展还仍然处于初级阶段,但是可以预见的是其大规模产业化要素渐趋成熟。
这对于古老而又常青的发展缓慢的锁业企业是一次难得的快速成长机遇。
在目前来看仍属高端智能锁业未来将会不断在各个领域的细分市场上开辟新的业务领空。
1.2短租行业飞速发展
“分享经济”作为一种新兴的商业模式正在全球范围内引起广泛关注,在中国也已获得一定程度的发展,“分享经济”的典型代表——在线短租,伴随着Airbnb、Lyft等公司的成功,逐渐成为当下最受关注和追捧的商业模式。
在线短租行业最早起源于美国,以成立于2005年的HomeAway公司和成立于2008年的Airbnb公司为代表。
在国内,在线短租行业飞速发展,爱日租、蚂蚁短租、途家、游天下、小猪短租、去呼呼等在线短租平台先后上线。
艾瑞咨询发布的《中国在线度假租赁市场报告(2016)》显示,去年我国在线度假租赁市场交易额预计达到42.6亿元,较2014年增长122.0%。
目前,小猪短租平台在国内213个城市有近7万套优质房源,2015年房源总数量同比2014年增长超350%;已积累超300万活跃用户,2015年交易额同比2014年增长超500%。
赶集网旗下的蚂蚁短租跟小猪类似,也是主打C2C,已在300多个城市拓展了超过3万套房源。
2015年途家房源数量由年初的11万套上涨到42万套,实现了近4倍的增长。
目前,途家的房源覆盖国内294个城市以及港台和海外353个目的地。
个体短租也是短租行业发展的一大方向,专家预计在2017年,个体短租户将突破200万户,大有取代宾馆的趋势。
短租市场呈现出移动化的趋势。
2015年,小猪短租无线端交易占比达83%。
蚂蚁短租CEO申志强也透露,蚂蚁短租的移动业务占比已达80%。
其他几大平台也表示,订单主要来自移动端。
这与我国网民、特别是移动互联网用户的快速增长保持了一致。
1.3短租行业锁具需求分析
图1机械锁、智能锁、云端智能锁使用对比
如图1所示,目前的国内大部分的短租还是采用机械锁形式,快捷酒店大部分采用ID卡管理模式。
这两种模式有如下弊端:
1、房主和房客在一次租房过程中需要有两次交还钥匙的见面环节,造成时间上的浪费。
2、钥匙的保管不方便,容易出现丢失,被遗忘在屋内等意外情况。
3、钥匙容易被复制,或者移交,造成被授权房客的再次授权,有安全隐患和造成房主管理混乱。
针对短租的特点,需要房主经常授权不同的人来开锁,租期结束还需要取消授权,特别需要一种具有用户识别能力,成本低廉,操作方便,授权方便,安全性高,管理性好等各方面更加智能化的锁具。
1.4应用于短租的云端智能锁产品
本产品是一款成本低廉的依靠音频实现开锁的智能锁具,该音频智能锁可通过家庭无线网络连接到互联网服务器同步密码,房主对房客身份确认后即可对其发放房间使用权,如使用时间段的限制和次数的限制等。
这一类繁琐操作只需房主在线操作即可完成,大大缩减了房主的时间成本,房客通过手机从互联网服务器获得开锁密码并转换成DTMF音频信号,靠近音频智能锁播放,密码吻合音频智能锁就能打开。
该锁操作简单方便,房客在使用房间期间无法更换或配制使用的房间钥匙,大大提高了房间的安全性,保证了房主的财产不受损失。
本产品的一大优势就是可线上操作,无需房主线下交付钥匙以及退房时房客交还钥匙等繁琐操作,大幅提升了短租行业的效率,同时减少了人力及财物成本,对短租行业的高效率快速安全发展提供了必要条件。
使得云智能锁对短租行业发展所需的时间、经济等成本要求大大降低从而达到对短租行业发展优化的作用。
1.5产品创意特点总结
●低成本,耗电量低,核心传感器仅仅为数字硅麦。
●采用简单的声学系统实现智能锁信号接收,降低成本,提高可靠性和安全性,越是简单的东西越是实用,特别是主打安全的智能锁具。
●采用最传统的也是进过时间检验的由贝尔实验室开发的信令方式双音多频(DTMF)信号,能够可靠地将信息从语音和背景噪音中区分出来,比各种无线信号更加抗干扰。
●一次性密码,阅后即焚机制。
传统锁在钥匙的保管以及长期发展的开锁方面存在着致命缺陷,房主无法保证每一个房客的素质,如若钥匙在房客使用期间丢失或被有意复制,房主将遭受大量的财产损失,严重可对后期房客的入住造成深远影响,后果严重。
●无需记忆密码,一般智能锁不易更改密码或更改密码后容易造成密码遗忘等不良后果,对于偶尔来访的客人或亲戚告知密码后为了安全性还需更改密码,操作繁琐。
●对手机的要求足够低,只要有扬声器即可,操作简便。
●后端基于实时可靠的云数据库,所有通讯及密码传输采用HTTPS/TLS加密。
●授权直接对后端的云数据库操作,可以通过锁的主人手机端操作,更可以方便的结合到多个应用管理系统,对大批锁进行授权和撤销,例如租房管理系统,酒店管理系统等。
授权方法包括时间范围,使用次数等等。
第二章系统方案
系统由音频智能锁、位于互联网服务器上的实时数据库以及房主手机终端和授权手机终端构成,房主手机终端和授权手机终端分别安装有音频智能锁控制APP。
2.1总体方案设计
图2云端智能锁总体方案示意图
从图2总体方案可以看出,围绕云端智能锁,形成一个闭环系统。
1.房主和购买的云端智能锁确定拥有关系,并记录到云端实时数据库。
2.确定主人关系的房主随时可以获取云端密码实现开锁。
3.当房客通过短租信息平台希望入住时,可以向实时数据库申请对应门锁的授权,房主通过手机管理端实现短期授权。
4.获得授权的房客可以看到被授权的锁具,并从云端获取密码。
5.智能锁预存20组密码,每核实一组密码并开门后随即销毁该密码,当预存密码组为5,生成新的15组密码,打开wifi,将之前的房客开锁记录和新的密码组同步到数据库后,关闭wifi,待机。
我们第一代已经完成的音频智能锁可通过家庭无线网络连接到互联网服务器获取密码,授权手机从互联网服务器获得开锁密码并转换成DTMF音频信号,靠近音频智能锁播放,密码吻合音频智能锁就能打开。
系统由音频智能锁、位于互联网服务器上的智能锁授权和密码控制系统以及房主手机终端和授权手机终端构成,房主手机终端和授权手机终端分别安装有对应的音频智能锁控制APP。
音频智能锁由机械部分和电子部分的组成,电子部分由数字麦克风,单片机及WIFI模块构成。
数字麦克风安装在音频智能锁的拾音部分,用于接收音频信号,单片机控制WIFI模块通过家庭的无线网络连接至互联网上的智能锁授权和密码控制系统服务器请求密码;每个音频智能锁具有惟一ID,音频信号采用DTMF(双音多频)信号。
2.2DTMF实现原理
2.2.1DTMF特性
DTMF是由低频组(fb)和高频组(fa)两组频率信号构成,每个数字信号由低频组和高频组的任意一个叠加而成。
根据CCITT的建议,DTMF的编译码定义可用下式表示:
f(t)=A_{a}sin(2f_{a}t)+A_{b}sin(2f_{b}t)。
式中两项分别表示低、高音频的值,Ab和Aa分别表示低音群合高音群的样值量化基线,而且两者幅值比为K=Ab/Aa(0.7 同时规定,对应于DTMF编译码中的标称频率在发送时,DTMF信号的频率偏差不应当超过1.5%,每位数字的信号极限时长应该大于40ms,而接收设备对2%的偏差应能可靠地接收,对30ms~40ms时长的信号可以正常地接收。 图31~4数字对应的DTMF波形图 与单音编码不同,DTMF信号是采用8中取2的方式,从高低两个音组中各取一个音频复合而成来代表0-9十个号码和其他功能码,再加上这8个音频信号的各频率间不存在谐波关系,大大减少了虚假信号的干扰,因而DTMF信号工作可靠性特别是抗干扰能力很强。 2.2.2DTMF识别 图4数字2对应的DTMF频谱图 DTMF信号包含两组音频信号,解码器的任务是通过数学变换把它从时域转化到频域,然后得出对应的数字信息。 由于芯片处理的是数字信号,所以必须把输入信号数字化,再用DSP芯片处理。 频率检测时,检测出DTMF信号的基波及二次谐波,DTMF信号只在基波上有较高的能量,而话音信号则是在基波上叠加有较强的二次谐波,检测二次谐波的作用是用来区分DTMF信号与语言和音乐信号。 根据国际电信联盟电信标准化部的ITU-TQ.24标准文件的建议,多频信号接收中的双音多频信令应检测的技术参数包括: 频率误差、对应频率的功率等级和信号持续时间。 例如,双音多频信号的持续时间TON。 应大于40毫秒。 码间的最小间隙时间Toff应为30至70毫秒。 满足持续时间的这些条件下,双音多频解码器对双音多频信号解码需要在40毫秒以上,并在解码间隙暂停超过30毫秒。 智能锁单片机对硅麦采集的音频信号采用增强型Goertzel滤波的DTMF算法,经过频谱分析得到高频和低频的频率,然后查表得到对应的按键,经过实验发现浮点算法效率很低,因而采用定点算法。 2.3系统硬件设计 图5智能锁电子部分示意图 音频智能锁开锁过程如下: 授权手机播放的DTMF音频信号,经过音频智能锁的数字麦克风转换成数字信号发送到单片机的DTMF解码单元进行解码,解码单元经过优化Goertzel算法得到音频对应的开锁密码,单片机将得到的开锁密码和单片机密码存储单元的密码进行对比,如果正确则驱动锁具的执行机构打开音频智能锁。 图6硅麦结构示意图 数字麦克风是云智能锁重要的传感器,其各项指标决定了对音频信号的正确采集和检测。 这里采用前向硅麦克风(SMA120)。 硅麦又称MEMS麦克风,是基于MEMS技术制造的麦克风,由MEMS升压传感器芯片,ASIC芯片,音腔和RF抑制电路组成。 MEMS声压传感器是一个由硅振膜和硅背极板构成的微型电容器,能将声压变化转化为电容变化,然后由ASIC芯片降电容变化转化为电信号,实现"声--音"转换 硅麦比传统ECM麦克风的优势 1,可以SMT贴片: 硅麦能够耐高温。 2,语音清晰,自然,易于辨识 3,硅麦能不受温度,电压等条件变化的影响,稳定性强 4,特别适合各种降噪算法,片与片之前匹配很好 5,内置RFI抑制电路,抗RF干扰 6,体积小 7,工作电流在100uA~150uA,功耗小。 单片机采用esp8266-07s工业级,是一款高度集成的芯片并自带有WiFi网络解决方案。 2.4系统软件设计 开锁密码采用9位数字密码,由单片机通过雪花算法随机产生8位数密码加1位验证位组成,验证位由“加权取余”算法得到。 该密码由智能锁密码单元产生并同步保存在云数据库该锁对应的密码组队列中,密码组队列的队列数为20。 DTMF信号包含两组音频信号,单片机解码单元的任务是通过数学变换把它从时域转化到频域,然后得出对应的数字信息。 频率检测时,DTMF信号只在基波上有较高的能量,而话音信号则是在基波上叠加有较强的二次谐波。 为了增强音频信号的安全性,可以在播放开锁的DTMF信号中混入一定的语音信号,通过检测二次谐波的作用是用来区分DTMF信号与语言和音乐信号。 音频智能锁、房主手机终端和授权手机终端与位于互联网上的智能锁授权和密码控制系统服务器之间的网络通讯采用HTTPS/TLS加密。 2.4.1软件流程设计 第一次使用流程: 智能锁开机第一次使用设置wifi模块为热点并启动webserver,IP=192.168.4.1用户输入家庭无线网络的名称和密码,以及授权手机号码用户确认后智能锁将信息注册到云服务器。 正常开锁流程: 智能锁开机睡眠待机接收到DTMF音频信号后唤醒主机判断密码是否正确正确驱动锁电机并删除该密码现有密码组是否小于5组生成新的15组密码,打开wifi登录家庭无线网络,连接数据库,更新密码,上传前次开锁记录关闭wifi模块睡眠待机。 2.4.2后端密码和授权 图7密码和授权过程 云端数据库为每个音频智能锁确定一个管理手机号,建立一个密码组队列和授权开锁手机号组;授权开锁手机号组中保存可以打开智能锁的手机号码以及授权的时间期限。 密码组队列是先进先出(FIFO)线性表,保存用于开锁的密码,授权手机请求密码时,系统仅发送位于队头的开锁密码后即删除该密码,队列其余的密码依次前移一位。 房主通过房主手机终端APP绑定音频智能锁ID获得对音频智能锁的管理权限,可为该音频智能锁授权多个允许开锁的手机号以及使用的时间期限。 被授权的手机号可以通过授权手机终端APP查看到被授权的智能锁,并向智能锁授权和密码控制系统服务器申请开锁密码,智能锁授权和密码控制系统确认该手机号码属于授权开锁手机号组并在使用时间期限内,则返回该智能锁对应的密码组队列里位于队头的开锁密码。 授权手机终端APP将接收到的开锁密码转换成对应的DTMF信号,通过扬声器播放。 音频智能锁采用一次性密码验证方式,当开锁密码被验证成功,锁被正确打开后,单片机从密码存储单元中删除该开锁密码。 为了节省电量,音频智能锁采用按需联网方式,当音频智能锁单片机中的密码存储单元为空的时候,单片机启动WIFI模块,向智能锁授权和密码控制系统服务器请求密码组,服务器将该音频智能锁对应的密码组队列清空并重新生成新的密码组队列,将密码组队列中所有的开锁密码一次性发送给音频智能锁,由音频智能锁保存到单片机的密码存储单元中,然后单片机随即关闭WIFI模块。 第三章安全和功耗 安全性和功耗是智能锁具无法避免的两个重要问题。 3.1安全性简述 谈到锁,就要谈到钥匙、谈到其安全性加方便性和防身份盗用。 锁的第一要素是防开与防撬性能,钥匙的第一要素是防盗性能。 所谓防盗。 指的是密级和防伪。 钥匙的种类在电子锁和智能锁出来以后变得形形色色。 有有形的、也有无形的(比如密码),有静态的。 也有动态的(比如滚码遥控或指纹特征模板)。 还有身外的、也有身内(比如人体生物特征)的划分等等。 所有这些的首要目的还是在于加强防盗和防伪性能,其次在于增加使用方便与管理需求等附加功能所以。 智能锁的技术发展在需求层面来讲也将着眼于这些来导引技术研发。 云端智能锁采用无形的密码钥匙,但是采用有形的音频传播渠道来使用该钥匙,如何确保其安全性呢? 3.2简易PKI/CA移动授权与验证 移动授权是指申请人通过手机向授权者发起申请后授权者也通过手机查看申请并授权的行为。 授权验证是指申请人将授权书交给验证设备进行验证的行为。 由于智能锁具使用的单片机运算能力和内存都较为有限,无法完成PC机类似的加密运算,因而我们参考PKI/CA授权与验证过程,并做了适当简化。 1、授权申请是申请者向授权者申请获得授权书的过程,授权申请过程如下: 房客在APP端注册后,根据其手机号码生成解密密钥key,并在APP端保存私钥privateKey,其以后申请信息都将进行签名后把申请信息和签名一块发送给云服务器。 签名过程为: RSAsign(SHA1(apply_msg),privateKey)。 2、授权模块位于房主APP端,完成对申请信息的签名操作,具体授权过程如下: 授权者在客户端得到需要进行授权的信息content,包括申请者姓名,有效期,使用目的,使用次数,锁编号等信息。 点击授权后用房主私钥privateKey对content进行签名,把申请信息content和签名信息串联后发送给服务器。 发送信息为: content||RSAsign(SHA1(content),privateKey)。 3.3基于HTTPS/TLS数据传输 通常的HTTP通信,就是不加密的通信。 为信息明文传播,带来了三大风险。 (1)窃听风险(eavesdropping): 第三方可以获知通信内容。 (2)篡改风险(tampering): 第三方可以修改通信内容。 (3)冒充风险(pretending): 第三方可以冒充他人身份参与通信。 SSL/TLS协议是为了解决这三大风险而设计的,希望达到: (1)所有信息都是加密传播,第三方无法窃听。 (2)具有校验机制,一旦被篡改,通信双方会立刻发现。 (3)配备身份证书,防止身份被冒充。 SSL/TLS协议的基本思路是采用公钥加密法,也就是说,客户端先向服务器端索要公钥,然后用公钥加密信息,服务器收到密文后,用自己的私钥解密。 但是,这里有两个问题。 (1)如何保证公钥不被篡改? 解决方法: 将公钥放在数字证书中。 只要证书是可信的,公钥就是可信的。 (2)公钥加密计算量太大,如何减少耗用的时间? 解决方法: 每一次对话(session),客户端和服务器端都生成一个"对话密钥"(sessionkey),用它来加密信息。 由于"对话密钥"是对称加密,所以运算速度非常快,而服务器公钥只用于加密"对话密钥"本身,这样就减少了加密运算的消耗时间。 因此,SSL/TLS协议的基本过程是这样的: (1)客户端向服务器端索要并验证公钥。 (2)双方协商生成"对话密钥"。 (3)双方采用"对话密钥"进行加密通信。 上面过程的前两步,又称为"握手阶段"(handshake)。 图8握手阶段的详细过程 "握手阶段"涉及四次通信,整个握手阶段全部结束后客户端与服务器进入加密通信,就完全是使用普通的HTTP协议,只不过用"会话密钥"加密内容。 3.4安全性之不可再次授权 锁系统安全中的一个基本要求就是被授权人的不可转移之刚性绑定,来提高客人客房安全等级、也要提供客房具体开门者记录保存与查询。 虽然此种授权刚性也带来了授权转借的偶尔不便,但是须知授权转借本身就是一个不安全因素。 目前就中国市场而言智能锁的客户群绝大部分依然集中在集团用户,比如酒店、机构、企业等等,前提要求被授权人需要记忆密码且短时被授权人不会恶意间或转手授权,然而目前的密码智能锁是无法记忆真实开锁人,因此其安全等级有时要大打折扣。 生物特征识别能够绑定授权到开锁人,但是生物特征识别无法动态授权开锁人,智能应用于固定开锁人群。 基于一次性密码和个人私钥验证的不可再次授权云端智能锁用于房客私密贵重物品专用保管、既方便又安全,使用期间除非房客本人、其他人包括房主、服务人员都无权打开。 定期上传的开门者记录的特性充分保证了产生争议时的事后公正性。 这也是云端智能锁的内涵和外延,可以在联网层面上得到了普通智能锁具无法实现的技术发展和扩张。 3.5休眠机制和高效算法的低功耗简述 智能锁使用电池方式供电。 为了保证安全智能锁能够长时间的使用,必须使用合适的功率控制技术,实现智能锁整机长时间内的低功耗使用,进行功率控制的方法初步有以下几种选择。 (一)定时休眠,自动唤醒通过程序对安全智能锁内部主要耗电的部分,如MCU,wifi模块,硅麦进行控制,使得这些部分能够自动进入低功耗休眠模式,到达特定的时间后自动唤醒正常工作,正常工作一段时间后再次进入低功耗休眠模式。 由于添加了低功耗休眠模式,安全智能锁整体来说功耗会有所降低。 (二)常态休眠,外部唤醒通过程序的控制,实现安全智能锁在正常通信之后,会自动进入低功耗休眠状态,如果要唤醒安全智能锁,必须通过外部的触发。 外部触发可以通过机械触发,也可以通过信号触发。 (三)算法级功耗优化算法级功耗优化,需要从电路设计就要开始进行算法的选择,应该尽量选择功耗效率高的算法。 首先,从实现算法所需逻辑的大小来看,算法中操作的数目、存储操作、端口操作越少,此算法应用到的电路功耗越低。 在实际的设计中,需要按照应用的要求进行总体性能和功耗的均衡。 算法中临时变量少、临时变量有效的时间短、循环的合理运用都会降低算法所需的功耗。 (四)时间窗模式,安全智能锁
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