基于手勢信息的便攜式無線加密傳輸系統(tǒng)

一　選題背景

　　和平和發(fā)展是當(dāng)今世界的主旋律，但是局部戰(zhàn)爭、恐怖主義、暴力犯罪等不和諧的音符依然存在，而在實(shí)際作戰(zhàn)、反恐行動、秘密偵查等這些場合中，信息交互的安全性要求較一般場合要高得多。不僅要求產(chǎn)生信息的方式具有隱蔽性，不易被他人發(fā)現(xiàn);而且要求傳遞信息的方式具有保密性，不易被他人破解。

　　因此，本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一個基于手勢信息的便攜式無線加密傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)以Spartan-3E開發(fā)板為平臺，本系統(tǒng)充分利用了FPGA的計算速度和硬件資源，可以在作戰(zhàn)、反恐、偵察等涉及信息安全的多個領(lǐng)域得到應(yīng)用。

　　二　系統(tǒng)方案

　　本系統(tǒng)由兩平臺組成，實(shí)現(xiàn)了手勢信息的無線加密半雙工傳輸。

　　使用時，A使用平臺1，B使用平臺2，按照如下步驟執(zhí)行：

　　A首先通過鍵盤來設(shè)定密碼，并設(shè)置平臺1為加密狀態(tài)。然后通過手勢輸入設(shè)備將手勢信息輸入平臺1，按動發(fā)送開關(guān)，平臺1便會自動采集A的手勢信息，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號作為明文，經(jīng)Twofish算法對其進(jìn)行加密，之后將密文無線傳給B。

　　B在接收之前，先設(shè)置平臺1為加密狀態(tài)，再通過鍵盤核定密鑰。如果密鑰與A一致，平臺2便可以接受到A系統(tǒng)傳出的密文，并自動對其解密，得到明文，即可以得到A所傳遞的手勢信息，不同的手勢信息可以代表A、B之前約定的不同實(shí)際含義。如果密鑰與A不一致，平臺2解密后得到的明文便是錯誤的，不能得到A所傳遞的手勢信息。

　　反之，B可以通過相同的方法將自己的手勢信息傳遞給A。在使用中，A只需要修改平臺1的密鑰即可使平臺2的密鑰核對失敗。

　　系統(tǒng)工作時，還可以使用PC機(jī)，作為總監(jiān)聽站，來獲取傳輸信息，監(jiān)控系統(tǒng)兩平臺運(yùn)行情況。

　　這樣，利用該系統(tǒng)便可以實(shí)現(xiàn)A、B間手勢信息的無線加密傳輸，完成信息交互，使用示意圖見圖2.1。

　圖2.1　系統(tǒng)功能示意圖

　　三　軟件系統(tǒng)設(shè)計

　　3.1 　軟件系統(tǒng)流程

　　系統(tǒng)軟件流程圖見圖3.1。

圖3.1　軟件子模塊實(shí)現(xiàn)流程圖[!--empirenews.page--]

　　圖3.1說明了各個子模塊的邏輯關(guān)系和使用時的數(shù)據(jù)流，其中Twofish加解密算法是系統(tǒng)核心，占用FPGA內(nèi)部接近40%的邏輯資源，其它部分占30%左右。

　　3.2 　Twofish算法

　　Twofish算法是由美國的Bruce Schneier等創(chuàng)建的優(yōu)秀算法，是AES的候選算法之一。Twofish算法是典型的分組加密算法，加密時它將明文按一定的位長分組，明文和密鑰的全部經(jīng)過加密運(yùn)算得到密文。解密時密文和密鑰經(jīng)過解密運(yùn)算，還原成明文。Twofish的算法采用的明密文分組長度為128bit， 支持128bit、192bit、256bit的密鑰長度。

四　硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　硬件系統(tǒng)主要包括Spartan-3E嵌入式平臺，自制電源模塊和手勢信息采集模塊，輔以無線傳輸，液晶顯示，鍵盤等子模塊，硬件系統(tǒng)框圖如圖4.1所示。

4.1　核心FPGA

　　硬件系統(tǒng)核心為Spartan-3E系列的50萬門FPGA，型號為XC3S500E-4FG320C，有1萬多個邏輯單元和232個用戶I/O，對其進(jìn)行編程，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

　4.2　功能模塊

　　功能模塊主要包括電源模塊、手勢信息采集模塊和其它輔助模塊。

　　4.2.1　電源模塊

　　電源模塊的主要作用是使系統(tǒng)具有便攜性。

　　系統(tǒng)選用+8V鋰電池供電，經(jīng)各電平轉(zhuǎn)換芯片為各模塊供電。系統(tǒng)選取LM2596T-5.0開關(guān)電源調(diào)節(jié)芯片，將+8V電源輸入轉(zhuǎn)換為+5V電源輸出，為Spartan-3E開發(fā)板、數(shù)據(jù)輸入模塊、液晶顯示模塊供電。而無線模塊工作時對電源穩(wěn)定性要求較高，故選取7805穩(wěn)壓芯片將+8V電源輸入轉(zhuǎn)換為+5V電源輸出，為其供電。

　　4.2.2　手勢信息采集模塊

　　手勢信息采集系統(tǒng)的功能是將手勢信息轉(zhuǎn)換為FPGA可處理的數(shù)字信息，包括數(shù)據(jù)輸入、模數(shù)轉(zhuǎn)換和電平轉(zhuǎn)換三部分。

　　數(shù)據(jù)輸入部分采用彎曲傳感器(Flex Sensor)來“感知”手勢信息。彎曲傳感器是利用其阻值變化來反映自身彎曲程度的傳感器件。

　　彎曲傳感器固定在一副手套的8個手指上，分別為左右手的食指、中指、無名指和小拇指。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)，手指平直時傳感器阻值約為10K，彎曲時傳感器阻值大于15K，故選取10K的電阻，與其串聯(lián)，構(gòu)成分壓電路，分壓電路端電壓為5V。將傳感器的阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，供A/D轉(zhuǎn)換。此外，外設(shè)一開關(guān)，用來作為FPGA控制采樣信號的產(chǎn)生。

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換電路選用ADC0809，供電為+5V，選取基準(zhǔn)電壓Vref+為+5V，Vref-為0V。

　　ADC0809的高電平為+5V，而FPGA的I/O接口的高電平為+3.3V，故ADC0809與FPGA之間需要電平轉(zhuǎn)化電路。選取74LV4245作為電平變換器件，可以完成5V至3V的電平雙向轉(zhuǎn)換，通過DIR引腳控制傳輸方向，引腳控制輸出使能。

　　控制信號和數(shù)據(jù)信號通過Spartan-3E開發(fā)板的擴(kuò)展接口與外部電路相接，這樣，當(dāng)手勢信息變化時，F(xiàn)PGA就可以控制模數(shù)部分工作，讀入手勢信息。

　　4.2.3　其它功能模塊

　　其他功能模塊包括模液晶顯示、無線傳輸、鍵盤輸入、開關(guān)控制等。[!--empirenews.page--]

　　五　系統(tǒng)測試

　　系統(tǒng)平臺實(shí)物如圖5.1所示

　圖5.1　系統(tǒng)平臺實(shí)物圖
在系統(tǒng)功能測試，發(fā)送端使用者A先設(shè)定密鑰為字符串OneWorldOneDream，之后發(fā)送手勢信息。當(dāng)接受端使用者B的密鑰與A一致時，可以接收到正確的A的手勢信息18，而當(dāng)B的密鑰為OneDreamOneWorld時，接收不到正確的A的手勢信息為66。同樣，B可以向A發(fā)送手勢信息，實(shí)現(xiàn)A和B之間的半雙工通信。

　　A(左)、B(右)兩平臺液晶顯示密鑰一致時，結(jié)果如圖5.2。

圖5.2　系統(tǒng)功能測試

　　密鑰不一致時，顯示結(jié)果如圖5.3。

圖5.3　系統(tǒng)功能測試

　　六　創(chuàng)新與特色

　　本系統(tǒng)的具體特色和創(chuàng)新體現(xiàn)在如下幾個方面：

　　6.1 選題實(shí)用性

　　本文研究的課題是從信息的安全性出發(fā)，來考慮信息的產(chǎn)生方式的隱蔽性、傳輸方法的安全性，構(gòu)建的系統(tǒng)具有較強(qiáng)的應(yīng)用性和實(shí)用性。

　　6.2 加密算法優(yōu)越性

　　本系統(tǒng)采用128bit的密鑰長度的Twofish算法，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　6.2.1 Twofish算法安全系數(shù)大，具有很高的安全余量。

　　6.2.2 Twofish 算法硬件實(shí)現(xiàn)靈活，占用資源少，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和可塑性，適合在FPGA上實(shí)現(xiàn)。

　　6.2.3 Twofish算法設(shè)計時考慮多層性能的平衡，加解密快速，與其他加密算法相比，具有速度方面的優(yōu)越性。

　　6.3 實(shí)現(xiàn)手段創(chuàng)新性

　　采用新穎的彎曲傳感器來“感知”手勢，是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)手段的特色之一。該傳感器的使用原理并不復(fù)雜，而且能夠很好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的功能，達(dá)到“隱性”產(chǎn)生信息的目的。

　　此外，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的便攜性和實(shí)用性，本文獨(dú)立設(shè)計了電源模塊和手勢采集模塊，以及良好的人機(jī)交互界面，系統(tǒng)功能進(jìn)一步完備。本系統(tǒng)還具有良好的可擴(kuò)展性，例如，采用轉(zhuǎn)換精度更高的A/D芯片，得到更多可以利用的手勢信息;進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)加密算法，更加便于在便攜式設(shè)備上使用;設(shè)計完善系統(tǒng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)自由通信等等，以及探索新的通信方法的思想，都值得我們今后深入研究。