基于KEELOQ技术的遥控门禁系统的实现

2013-12-07薛巨峰

电子技术应用 2013年2期

薛巨峰，乔鹏

（东北林业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150040）

目前，大部分家庭门禁系统都是采用机械式开锁，操作比较麻烦，给家里有老人的家庭带来了诸多不便，且安全性也不能得到很高的保障。近年来RF遥控器件的价格越来越便宜，且电子式遥控开锁更加方便、安全,从而使其市场有了更大的提升空间，利用其特点已开发出了一些重要的应用，遥控门禁就是其中之一。机械式开锁的最大缺点就是不安全，采用滚动码技术的遥控门禁系统则大大改变了这一现状，因为其每次发出的编码信息不同、不规则，而且重复出现同一编码信息被视为无效，传输代码采用了非线性位加密技术,使其产生了具有很高保密性的滚动码，使得一些非法的装置不能在一定的时间内破解其密码。本文主要介绍KEELOQ技术在遥控门禁系统中的应用，并且利用PIC16F630进行控锁和软件解码。

1 编码器的工作原理

本设计的遥控门禁系统[1]通过按键遥控器就能开关家门，其工作流程如图1所示。当系统按钮被按下时，HCS301将开始准备工作，为使按钮抖动平息，大约要延迟10 ms。信息将以跳码的形式进行传输，跳码包括识别码、按钮信息和徒步计数值。跳码就是跳动的代码，在每次发送时都将产生变化，即便同一个按钮被按下多次，它也会发生变化。因此，发送的编码字在超过64 000次的传输中都不会重复。以每天执行10次操作为例，跳码可以保证在18年之内编码字不会重复。溢出信息可用来将唯一发送的次数提高超过192 000次。在发送代码过程中，如果有按钮被按下，则会产生复位的效果，并且当前编码字的传输将不会被完成。只要有按钮处于按下状态，松开按钮就不会对编码字产生任何影响。在这样正常的情况下，编码字将完成并在随后断电[2]。

图1 流程图

2 KEELOQ技术介绍

KEELOQ技术[3]实际上是一个关于“ASIC”的特别设计，它包括解码技术和加密技术，并提出了一种实用可靠的KEELOQ算法，适用于遥控或命令辨别的场合。它的加密、解密技术安全，具有变化多、不容易被截获的特点，KEELOQ技术可应用在车库门遥控、秘密通信、被动式感应控制、停车场管制、安全锁等场合，用途广泛。KEELOQ的传送可经由公共频道，内含一组64 bit的编码密码，编码器将把该编码密码传输到解码器，其中有32 bit的编码密码是不知道的，从而可保证该技术的保密性，并且传送资料不唯一和不重复。KEELOQ技术的重点在于它独特的演算法(即数学推算公式)，当资料进入这演算法并进行运算时，其输入与输出是一一对应的，不存在重复。

2.1 KEELOQ技术的密码编码和存储[4]

密钥的产生是由64 bit厂家代码和28 bit发送序列号在密钥生成算法中实现，并把其生成的密钥存储在HCS301中的EEPROM中，如图2所示。

图2 密钥生成和存储

2.2 滚动码的产生

当远程控制按键被按下时，就会读取输入，并且同步计数值等于原来的计数值加1，编码密码和16 bit同步技术值、10 bit识别码、4 bit功能键、2 bit溢出指示在KEELOQ演算法下产生32 bit的滚动码，这种代码具有很高的安全性，由于其每次在传输时都发生变化，故称之为跳码。滚动码的生成如图3所示。

图3 滚动码生成

2.3 PWM的接收

发送的信息包括32 bit跳码和34 bit固定码，由图3可知，该固定码包括识别码、功能键和溢出指示位。首先进入前导资料并进行准备；然后开始接收所传输的资料，利用Sync.Header 10 TE来改变接收的速率，会得到TE的时间。当检测到有上升沿上升时，过一半TE时间后，开始进行取样并检测其结果。如果为1，则接收成功；如果为 0，则接收失败，需要等待 1 TE时间，然后立即取样，并把采样结果作为资料位元再重复以上动作，重新采样并进行测试；如果重测结果为1则失败。当下一个上升沿出现时，如果等待时间大于1 TE，则可以断定其结果为失败。重复以上步骤，直到把这66 bit编码密码接收完成[5]，如图4所示。

3 PIC16F630的软解和控锁

跳码编码可用专用芯片进行硬件解码。由于专用芯片的价格很贵，因此本设计采用PIC系列的单片机芯片PIC16F630进行软件解码[6]。当接收器接收到信号时，把信号传输到单片机中，然后PIC16F630进行软件解码，产生控制信号 D0、D1、D2、D3。其原理图如图 5所示。

主机接DC12 V变压器，+12 V为正极输入端，GND为负极输入端，JP1～JP5为短路帽，第一组控制信号由跳线端JP4控制：如果JP4跳到A端，则只有按遥控器A键，L1才有开锁信号；如果JP4跳到 D端，则只有按遥控器D键，L1才有控制信号输出。第二组控制信号由跳线端JP3控制：如果JP3跳到B端，则只有按遥控器B键，L2才有开锁信号；如果JP3跳到 C端，则只有按遥控器C键，L2才有控制信号输出。

4 KEELOQ技术的学习模式

为使生产配对方便、管理简单，KEELOQ系统要进行学习。解码器在没工作时，仅知道其制造商代码，剩下的都不知道；解码资讯存储在EEPROM中，具体包括：序列号(Serial Number)、同步计数值(Current Sync.Counter Value)、识别码(Discrimination Value)、编码密码(Encrypion Key)[7]。

4.1 简易学习模式

如果使用简易学习模式，则编码密码就是制造商代码。此模式的特点是简单和容易明白，不足之处是假如制造商代码被知道，则当有两个使用相同制造商代码的系统时，这个系统的编码密码就很容易被知道，因此安全性被降低。在简易学习模式下，接收到资料，然后进行解码，判断是否与制造商代码一致。如果超过时间，则学习失败；如果解码正确，则判断识别码与所接收的序列号中较低的10位元是否相等以及功能键与所接收资料中的固定码按键值是否相等，如果不相等，则学习失败，如果相等则把学习到的3种资料记录在EEPROM中，作为解码资料库用。

4.2 标准学习模式

标准学习模式与简易学习模式的解码方式其实是一样的，只是使用不同的解码密码(Encrypion Key)。在标准模式中，解码密码是通过序列号、制造商代码经过运算后得到的，前后共经过两次，并得到64 bit的编码密码。第一次运算，先取得32 bit(LSB)，第二次运算，再取得 32 bit(MSB)。进入标准学习模式下，将第一次接收的资料进行解码后，得到序列号、识别码、同步技术值，并判断识别码是否与序列号相等；将第二次接收的资料进行解码后，判断识别码与序列号是否相等，并检查同步技术值是否加1，如果都正确，则存储学习结果到EERPROM中。

4.3 安全学习模式

安全学习模式与标准学习模式的解码方式其实是一样的，只是解码密码产生的方式不同。在安全学习模式中，制造商代码与SEED运算取得解码密码，并得到32 bit(LSB)；然后此密码又与序列号进行运算，运算后所取得的密码为32 bit(MSB)，即形成了64 bit的解码密码。当安全学习模式启动时，将准备接收跳码，并检查新、旧序号是否一样，利用新的解码密码与跳码进行解码后会得到识别码和同步技术值，然后存储解码资源中的4种信息到EEPROM中。

5 KEELOQ 纸上解码

以 HCS301为例，其跳码（Hopping Code）使用 0～F的制造商代码，以简易编码方式来记录HCS301所送出的编码作为解码输入。烧录设定：序列号0001234，同步技术值0000，识别码序号最低10 bit。把烧录的HCS301作为编码器，制造商代码为0123456789ABCDEF，使用简易编码解码方式将所收到的Hopping码填入“KEELOQ Decoding Tool”中的解码资料栏中来解码，所得到的结果如表1所示。