密码根据随机码进行变化的动态密码电子锁系统.pdf

本发明提供一种密码根据随机码进行变化的动态密码电子锁系统，由锁体和临时密码生成器两部分组成。在锁体内的非易失性存储器中存储密码锁的固定密码，当临时使用者使用电子锁时，电子锁生成一个随机码R，开锁用的临时密码是通过固定密码和该随机码通过特定算法(例如单向散列函数等)计算得出的，随着固定密码的变更或者是每次生成的随机码不同，临时密码随之自动进行可计算的变更。由此一来，临时密码可以由掌握密码锁中固定密码的密码锁管理者在收到随机码的情况下计算得出，交给密码锁临时使用者后，密码锁临时使用者只有在有效时间段内使用该临时密码开锁。

1.  一种密码根据随机码进行变化的动态密码电子锁系统，由锁体和临时密码生成 器两部分组成，锁体中有锁机构部分和控制部分，其中控制部分由微处理器，非易 失性存储器，输出单元和输入单元组成，通过一个输出驱动器以驱动锁机构部分工 作，其特征在于：
密码锁临时使用者在密码锁上获得随机码R，密码锁管理者通过临时密码生成 器使用固定密码F和随机码R，或者再加入可选的附加数据H，使用算法进行计算 得到临时密码P，交给密码锁临时使用者使用，当密码锁临时使用者通过特定方式 在锁体上输入临时密码P后，微处理器从非易失性存储器中取得固定密码F和当前 的随机码R，之后对F和R使用与上述对应的算法进行计算得到结果B，比较B和P， 若确认对应则通过输出驱动器以驱动锁机构开锁。

2.  根据权利要求1所述的锁系统，其特征是临时密码生成器为独立的电子装置。

3.  根据权利要求1所述的锁系统，其特征是临时密码生成器为可安装运行在个人 电脑、消费类个人电子产品和通讯终端其中的一种或多种之上的应用软件。

4.  根据权利要求1所述的锁系统，其特征是临时密码生成器为互联网应用程序服 务器、电话声讯服务、自动短信息网关服务器、人工话务代理服务其中的一种或多 种形式的远程服务。

5.  根据权利要求1所述的锁系统，其特征是临时使用者输入临时密码的方式可以 是通过数字键盘直接输入，也可以是通过一维条码、二维码、彩色识别码、打孔卡、 磁卡、IC卡、RFID、蓝牙(Bluetooth)、NFC、USB存储器、信息纽扣、闪存数据存 储装置、通过触点连接的通信装置、通过有线连接的通信装置、无线通信装置、通 过电磁感应耦合方式进行通信的通信装置、无线射频通信装置、通过音频进行通信 的通信装置、红外线通信装置、不可见光通信装置、可见光通信装置、电子钥匙、 利用量子效应的通信装置、模式识别装置、生物识别装置、语音识别装置、文字识 别装置、OCR其中的一种或多种组合的方式输入。

6.  根据权利要求1所述的锁系统，其特征是计算算法为对随机码R和固定密码F 的组合采用单向散列算法或加上辅助算法计算得到临时密码P。

7.  根据权利要求1所述的锁系统，其特征是计算算法为对随机码R和固定密码F 的组合采用单向散列算法或加上辅助算法计算得到中间密码M，当指定附加数据H时， 把固定密码F作为密钥对M和H的组合采用对称加密算法或加上辅助算法得到临时密 码P。

8.  根据权利要求1所述的锁系统，其特征是可选的附加数据为有效时间H，当选择 该项时，该数据H可以使用临时密码P通过特定算法和特定密钥计算得到。

密码根据随机码进行变化的动态密码电子锁系统
技术领域
本发明涉及一种密码根据随机码进行变化的动态密码电子锁系统，特别涉及到 该类电子锁的控制器。
背景技术
目前，现有的电子密码锁其密码的产生有两大类：第一大类为可以进行设置的 固定密码，密码存储在非易失性存储器中，每次开锁时输入密码，输入的密码和 存储在非易失性存储器中密码进行核对一致时开锁，还可以通过密码设置修改非 易失性存储器中密码的值，更新密码以增强安全性。第二大类为使用电子钥匙的 情况，电子钥匙可以是各种接触或非接触的磁卡，IC卡等电子标签，电子标签中 记录了密码锁的密码，解决了用户需要记住密码的苦恼。电子钥匙还可以使用动 态密码，随着电子钥匙的每次使用，在电子钥匙和密码锁进行数据交换的过程中， 通过算法或随机码动态更新非易失性存储器和电子钥匙中的密码，使之不易别他 人仿制或破解。通过加密技术的不断革新，以上两种类型的密码锁的安全性越来 越强，已经在宾馆，写字楼和家庭中广泛使用。但是以上两大类密码锁在针对密 码锁的临时使用者的使用上稍显不便，固定密码锁在临时使用者使用后需要密码 锁管理者到密码锁所在地进行密码的修改；电子钥匙需要把电子钥匙实物交给临 时使用者并在使用后收回。
因此，在需要经常服务于临时使用者的场合，一种密码可以动态变化而且又方 便管理的电子锁变的很重要。
发明内容
本发明的目的在于克服以上现有技术的局限而提供的一种密码根据随机码进 行变化的动态密码电子锁，电子锁的临时使用者在开锁时先让电子锁生成一个随 机码R，然后临时使用者把该随机码R发送给该电子锁的管理者，电子锁管理者使 用一个临时密码生成器使用上述随机码R和固定密码F通过特定算法(例如单向散 列函数等)动态地生成临时密码P，当临时使用者把P输入到电子锁后，电子锁先 取得之前生成的随机码R和该电子锁中存储的固定密码F，然后通过与上述同样的 特定算法生成对照码X，对比X和P，若一致则开锁。
本发明所提供的技术可适用于直接密码按键开锁和通过有线、无线链路连接的 数据通信开锁以及使用电子钥匙(接触式或非接触式)开锁等各类电子锁。使用临 时密码时，可以直接通过数字键盘输入临时密码P，也可以使用一维条码、二维码、 彩色识别码、打孔卡、磁卡、IC卡、RFID、蓝牙(Bluetooth)、NFC、USB存储器、 信息纽扣、闪存数据存储装置、通过触点连接的通信装置、通过有线连接的通信 装置、无线通信装置、通过电磁感应耦合方式进行通信的通信装置、无线射频通 信装置、通过音频进行通信的通信装置、红外线通信装置、不可见光通信装置、 可见光通信装置、电子钥匙、利用量子效应的通信装置、模式识别装置、生物识 别装置、语音识别装置、文字识别装置、OCR等作为介质存储临时密码P，并在锁 体上采用对应方式的装置对存储有临时密码P的介质进行读取。
本发明的密码根据随机码进行变化的动态密码电子锁系统由锁体和临时密码 生成器两部分组成，这两部分之间可以不需要任何形式的连接。临时密码生成器 可以是类似计算器的电子装置、运行在个人计算机或手机上的软件，也可以是以 互联网应用程序等远程服务方式提供的一种服务形式。锁体中有锁机构部分和控 制部分，其中控制部分由微处理器IC1，非易失性存储器IC2，输入单元例如数字 键盘和一个用于输出的LED显示器IC4(适用时)等组成，通过一个输出驱动器IC5， 所述控制器可控制锁体机构以及报警器IC6。电子装置形式的临时密码生成器中包 括微处理器IC7和用于显示的液晶显示器IC8等。
采用本发明的电子锁是这样工作的：开始时，在锁体内的非易失性存储器IC2 中存入一组固定密码F(管理权限密码或一般密码)，当临时使用者希望打开该电子 锁时，临时使用者先让电子锁生成一个随机码R，然后临时使用者把随机码R发送 给该电子锁的管理者，该电子锁的管理者使用临时密码生成器输入固定密码F(管 理权限密码或一般密码)和随机码R后，临时密码生成器通过特定算法(例如单向 散列函数等)计算得出固定字长的临时密码P(例如6位)，发回给临时使用者，临 时使用者在电子锁上输入临时密码P，电子锁通过提取非易失性存储器IC2中的固 定密码F(管理权限密码或一般密码)和之前生成的随机码R，进行上述临时密码生 成器中同样的特定算法的计算，得出固定字长字符串X(例如6位)，把该字符串X 和输入的临时密码P进行比对，如果一致则控制驱动机构开锁，若不一致再次比 对固定密码F(管理权限密码或一般密码)和输入的临时密码P，如果一致则控制驱 动机构开锁，若不一致则控制报警器报警。
因此，本发明的密码根据随机码进行变化的动态密码电子锁系统的特征在于： 开锁用的临时密码是通过固定密码和一个随机码通过特定算法(例如单向散列函 数等)计算出来的，随着固定密码的变更或者是每次随机码的更替，临时密码随之 自动进行可预测的变更。
本发明的有益效果是：电子锁管理者在对电子锁临时使用者进行使用授权时， 只需通过临时密码生成器输入固定密码(管理权限密码或一般密码)和指定的电子 锁临时使用者在电子锁上读取到的随机码，就可方便地取得在该对应该随机码使 用的临时密码。电子锁临时使用者在有效时间段内输入临时密码打开电子锁，而 不需要知道该电子锁的固定密码(管理权限密码或一般密码)，临时密码在使用后 或过期后失效，电子锁临时使用者就无法打开电子锁。由此一来，相对于使用固 定密码的电子锁，在确保安全性的前提下，该动态密码电子锁系统省略了电子锁 管理者在每个电子锁临时使用者使用后都需要重新设定密码的工作，方便了电子 锁的管理。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1示意性说明本发明电子锁系统的锁体和电子装置型临时密码生成器的功能 原理。
图2示意性说明本发明电子锁系统的锁体和电子装置型临时密码生成器的功能 框图。
图3说明本发明锁系统控制器部分的工作流程。
图4说明本发明锁系统电子装置型临时密码生成器的工作流程。
图5举例说明本发明锁系统的结构。
图6举例说明本发明锁体控制部分的电路原理。
图7举例说明本发明临时密码生成器的电路原理。
图8举例说明本发明锁体的非易失性存储器中数据的安排。
图9举例说明本发明临时密码的计算流程。
图10举例说明本发明带有指定有效时间的临时密码计算流程。
具体实施方式
本发明的密码根据随机码进行变化的动态密码电子锁系统由锁体和临时密码 生成器两部分组成，参见图1和图2，这两部分之间不需要任何形式的连接。临时 密码生成器可以是类似计算器的电子装置、运行在个人计算机或手机上的软件， 也可以是以互联网应用程序等远程服务方式提供的一种服务形式。锁体中有锁机 构部分和控制部分，其中控制部分由微处理器IC1，非易失性存储器IC2，输入单 元例如数字键盘和一个用于输出的LED显示器IC4(适用时)等组成，通过一个输出 驱动器IC5，所述控制器可控制锁体机构以及报警器IC6。电子装置形式的临时密 码生成器中包括微处理器IC7和用于输出的液晶显示器IC8等。
开锁用的临时密码是通过固定密码和每次获取的随机码通过特定算法(例如单 向散列函数等)计算出来的，随着固定密码的变更或者是随机码的更替，临时密码 随之自动进行对电子锁管理者来说可预测的变更。临时密码只在获取了对应的随 机码之后的特定时间段内有效，在该特定时间段以外的任何时间，该临时密码无 效。临时密码可以使用如图2右侧所示的临时密码生成器生成，其处理过程如图4 所示，IC7首先接收电子锁管理者从键盘输入的固定密码字符串F和从临时使用者 发送来的随机码R，并对这两项进行特定算法的运算(例如单向散列函数等)得到固 定长度的临时密码P，回传给临时使用者，临时使用者在一定时间内在电子锁上输 入临时密码，电子锁通过提取非易失性存储器IC2中的固定密码F(管理权限密码 或一般密码)和之前生成的随机码R，进行和临时密码生成器中同样的特定算法， 得出固定字长字符串X(例如6位)，把该字符串X和输入的临时密码P进行比对， 如果一致则控制驱动机构开锁，若不一致则再次比较固定密码F(管理权限密码或 一般密码)和输入的临时密码，如果一致则控制驱动机构开锁，若不一致控制报警 器报警，参见图3。
临时密码P的生成需要固定密码F和临时使用者在电子锁上获得的随机码R两 个变量，根据需要采用特定的算法，可采用适度复杂的单向散列函数来进行计算 而得出，这样，即使知道该算法的详细步骤，并掌握临时密码和随机码R的情况 下，也很难甚至无法推算出该电子锁的固定密码，确保了电子锁的安全性。
电子锁在生成某一随机码R后，可以设定一个固定的有效期来验证对应该随机 码的临时密码P，当该有效期过去后，该随机码失效，需要重新生成新的随机码， 之后输入的临时密码也需要基于新的随机码来生成；随机码R和临时密码P的有 效期也可以动态指定，如图10所示，在上述临时密码的生成过程中，电子锁使用 者在临时密码生成器上输入固定密码F和随机码R之外，还可以输入一个有效时 间段H，例如以小时为单位的一个整数，F和R在经过特定算法后先生成一个中间 密码M，然后再以特定方式组合M和H，组合之后的数据串使用F作为密钥再经过 一个可逆的算法(例如对称加密算法AES等)生成临时密码P，当临时使用者输入临 时密码P后，可以使用F作为密钥反向计算出M和H，M使用前述验证方法进行验 证，H可以检查该随机码和临时密码的使用是否超出了有效时间。
临时密码的输入方式可以多种多样，对于位数比较少的临时密码来说，最简单 的是使用数字键盘直接输入。但是加上有效时间段等信息再加密后，或者为了更 安全，我们常常使用位数更多、位数可变的临时密码，这时再使用数字键盘输入 就会比较困难，现在新的流行技术包括蓝牙、NFC等都可以很方便的在电子锁上输 入复杂的多位密码，但我们可以用更简单的方法解决多位密码的输入问题：我们 可以在电子锁上配置有一个光敏二极管用于接收外部的光信号，智能手机中运行 的软件控制屏幕或闪光灯的亮灭，数据可以使用一维条码中Code39、Code128等 类似的编码方式来控制屏幕或闪光灯亮灭，并可以循环进行，当临时使用者把手 机屏幕或闪光灯覆盖住电子锁上的光敏二极管时，电子锁内部通过数字采样获取 亮度变化值，再通过Code39、Code128等编码方式的算法校验并识别出有效数据。 另外还可以类似的采用智能手机的音频输出来达到同样目的。当然，除了这些方 案外，也可以使用一维条码、二维条码、打孔卡、磁卡、IC卡、RFID、蓝牙 (Bluetooth)、NFC、USB存储器、信息纽扣、闪存数据存储装置、通过数据线连接 的数据通信装置、通过电磁感应耦合方式进行通信的数据通信装置、无线射频数 据通信装置、音频数据通信装置、红外线数据通信装置、不可见光数据通信装置、 可见光数据通信装置、电子钥匙、文字识别装置、OCR等作为介质存储或输入临时 密码P。
前面所述的临时密码生成器可以有多种形式提供给电子锁管理者，第一种是类 似便携计算器的电子装置，其示意性的大致构成参见图2的右侧部分，主要包括 数字键盘，微处理器IC7和用于显示的液晶显示器IC8。其程序处理流程参见图4， 首先微处理器IC7接收电子锁管理者从数字键盘输入的固定密码字符串和特定随 机码字符串，并对这两者的组合进行特定算法的运算(例如单向散列函数等)得到 固定长度的密码，如不需要指定有效时长，则直接通过液晶显示器IC8把该密码 作为临时密码显示给电子锁管理者；若需要指定有效时长，则输入的有效时长和 上述密码组合后再使用固定密码作为密钥进行特定可逆算法(例如对称加密算法 AES等)，生成带有指定有效时长的临时密码并通过液晶显示器IC8显示给电子锁 管理者。第二种是以软件的方式提供给电子锁管理者，该软件可以安装运行在个 人电脑，手机等个人消费类电子产品上，该软件对临时密码的计算方式和上述类 似便携计算器的电子装置一样，最后通过个人消费类电子产品的显示屏显示给电 子锁管理者。第三种是以远程服务的方式为电子锁管理者进行临时密码计算的服 务。方式可以采用互联网网页或应用程序服务器，电话自动声讯台，自动短信息 网关服务器等远程服务，甚至可以有人工代理的方式为电子锁管理者计算密码。 电子锁管理者可以通过网页输入，声讯服务的键盘输入，短信等方式提交固定密 码字符串和特定随机码字符串(以及可选的有效时长数字)，远程服务平台中的程 序采用和和上述类似便携计算器的电子装置一样的计算方式生成临时密码，再通 过网页显示、自动声讯服务、短信等方式或人工服务等形式提供给电子锁管理者， 一种实现是电子锁管理者直接把锁的信息和固定密码交给互联网上的计算机服务 器进行统一管理，当临时使用者使用智能终端在该服务器上提交随机码R后，服 务器自动根据该电子锁的固定密码和收到的R进行计算得到临时密码P，直接回传 到临时使用者的智能终端上用于开锁。可以选择以上一种方式提供给电子锁管理 者，也可以同时采用多种方式提供给电子锁管理者。需要注意的是无论采用哪种 方式，其前提是该临时密码的计算的算法必须和电子锁管理者手中使用的电子锁 的内部算法相对应。
下面用一个例子来说明本发明，但本发明并不局限于此。这是一个用类似便携 计算器的电子装置型临时密码生成器来生成临时密码，可以使用数字键盘来输入 密码的电子锁，与传统的密码锁的开锁方式类似，也可以使用附带的光敏感应器 通过智能手机的屏幕或闪光灯输入临时密码。
它的外形示意图如图5所示，电子锁带有数字键盘的面板、显示屏、把手等部 件，临时密码生成器为类似便携计算器的电子装置。在使用前对电子锁进行固定 密码等的设定。使用临时密码生成器输入固定密码和特定随机码等信息后，显示 临时密码。在有效密码有效期内，在电子锁上输入临时密码进行开锁。
电子锁的电路原理框图如图6所示。在这个设计实例中，锁体微处理器选用 STC12C5A60S2，非易失性存储器使用STC12C5A60S2内置的Flash存储器。锁体微 处理器的P0.0到P0.6共7个管脚与数字键盘阵列相连，用于扫描数字键盘的字 符输入。微处理器的P1.0到P1.5、P2.0到P2.7与一个6位7段LED数码管连接。 微处理器的P3.2和P3.3与两个LED灯相连，用于操作指示显示。微处理器的P3.4 连接一个三极管控制光控电路的开启和关闭，P1.6用于在光控电路开启时实时采 样电压，获取光信号的输入数据。微处理器的P3.5用以在密码核对正确时给出驱 动信号使机构开锁动作，然后定时关上。微处理器的P3.6用以在密码核对不正确 时给出报警声控信号使发声元件发声。微处理器的RXD接收外部报警信号，它的 TXD给出报警信息(例如锁号，时间等)。
临时密码生成器的电路原理框图如图7所示。在这个设计实例中，临时密码生 成器微处理器选用AT89C51。临时密码生成器微处理器的P0.0到P0.6共7个管脚 与数字键盘阵列相连，用于临时密码生成器的数字键盘的字符输入。微处理器的 P1.0到P1.7共8个管脚和P2.0到P2.5共6个管脚与上面六个7段式数码显示器 连接，用于显示输出数字键盘输入的数字字符和计算得出的临时密码数字字符。
上述这些连接只是一个例子，众所周知微处理器的I/O分配是非常灵活的，可 以根据需要和设计者的习惯任意调整。各集成电路的类型也不拘于此，可以选用 类似功能的组件。另外，需要指出，图6和图7中属于常规连接及使用的元件均 已略去，请参阅有关的器件手册。
在本实施例中设计管理权限的固定密码为6字节，一般权限的开锁用固定密码 为4字节，因以上设定只是示例说明，实际情况下各项密码的长度可以根据应用 情况进行任意调整。图8给出了锁体控制器中非易失性存储器中数据存储的一个 例子，为了便于实际使用，其固定密码分为了一组管理权限的固定密码和三组一 般开锁权限的固定密码，并存储了锁号和软件版本以利于更为清晰地管理电子锁。 该例不是唯一的一种方案。
在本实施例中临时密码计算流程如图9所示。在这个设计实例中，为得到临时 密码，对电子锁管理者的6位固定密码和特定随机码进行计算的算法选用SHA-1 安全散列算法，并使用一些辅助算法使最终得到的临时密码为6个数字。众所周 知现今加密技术算法也是多种多样，对固定密码和日期字符串进行计算时选用的 算法也同样不拘于此，同样可以选用类似功能的其它算法。