eng
Выпуск #6/2020
А. Ухов, В. Герасимов, Л. Селиванов, В. Симон
Повышение безопасности и надежности умных замков
Повышение безопасности и надежности умных замков
Просмотры: 2265
DOI: 10.22184/1992-4178.2020.197.6.60.63
Рассмотрены общие принципы функционирования умных замков с беспроводной связью. Предложена новая конструкция умного замка с двумя каналами связи и рассчитано его энергопотребление. Обосновано преимущество использования дополнительного канала связи для повышения безопасности и надежности умного замка.
Рассмотрены общие принципы функционирования умных замков с беспроводной связью. Предложена новая конструкция умного замка с двумя каналами связи и рассчитано его энергопотребление. Обосновано преимущество использования дополнительного канала связи для повышения безопасности и надежности умного замка.
Теги: bluetooth low energy (ble) security smart lock wireless communication безопасность беспроводная связь умный замок
Повышение безопасности и надежности умных замков
А. Ухов, д. т. н., В. Герасимов , Л. Селиванов , В. Симон
«Умными» принято называть технологии повышения жизненного комфорта. Такие технологии входят практически во все сферы жизни, и умный замок (также известен как смарт-замок или smart lock) является хорошим примером подобных устройств. Рынок умных замков сегодня быстро растет. В статье рассмотрена новая конструкция умного замка с двумя каналами связи, рассчитано его энергопотребление и обосновано преимущество использования дополнительного канала связи для повышения безопасности и надежности замка.
Разрабатывая любое сложное потребительское устройство, в первую очередь необходимо понимать, что требуется конечному потребителю. Масштабные исследования показали, что большинство потребителей считают самым главным для умных замков безопасность, а уже затем простоту использования. Сохранность имущества, а, возможно, и личная безопасность зависят от качества и надежности замка. Периодически появляющиеся сообщения о «взломе» смарт-устройств приводят к тому, что потенциальные потребители отказываются приобретать такие устройства из-за их недостаточной безопасности. Поэтому для расширения рынка необходимо повысить надежность и безопасность умных замков, поскольку потребители будут доверять только таким устройствам.
На отечественном рынке в настоящее время представлены умные замки исключительно иностранного производства, что приводит к увеличению их стоимости и ограничивает возможности по их обслуживанию. Кроме того, подобные изделия не могут быть интегрированы в отечественные охранные системы, либо такая интеграция будет иметь существенные ограничения. Для решения данных проблем научно-техническая и коммерческая фирма «Си-Норд» совместно с Санкт-Петербургским государственным электротехническим университетом «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) в рамках проекта «Автоматизированная система интеллектуальной защиты жилой, коммерческой и общественной недвижимости с использованием облачных вычислений» разработала умный замок (рис. 1), имеющий ряд преимуществ по сравнению с зарубежными аналогами:
Конструкция умного замка
Практически все умные замки – это беспроводные устройства с батарейным питанием. Базовая структура умного замка показана на рис. 2.
Беспроводная связь позволяет пользователю не только дистанционно открывать и закрывать замок, но и получать информацию о его текущем состоянии и истории работы. С другой стороны, умные замки расположены внутри квартиры, и беспроводная связь – это единственный способ для их «взлома».
Большинство популярных умных замков имеют интерфейс связи Bluetooth для прямого управления с помощью смартфона [1]. Для каналов беспроводной связи Bluetooth и Bluetooth Low Energy (BLE) характерно одно важное ограничение – они не допускают прямого подключения устройств к Интернету. Подключение к Интернету необходимо для дистанционного контроля и проверки истории операций, проводимых устройством [2].
В результате, некоторые из моделей умных замков оснащены внешними шлюзами для создания моста между замком с каналом Bluetooth и домашней сетью с каналом Wi-Fi. Некоторые из этих замков имеют другой тип беспроводной связи (например, Z-Wave) и соответствующий шлюз между умным замком и домашней сетью Wi-Fi. Вот примеры нескольких популярных смарт-замков и используемых в них типов беспроводной связи:
Умный замок всегда расположен внутри квартиры, и все коммуникации идут непосредственно между смартфоном и замком по Bluetooth или через Интернет (через шлюз и домашнюю сеть Wi-Fi), как показано на рис. 3. Большинство умных замков оснащено одним беспроводным каналом связи. Два или три канала могут быть только в системах с внешними шлюзами, как например в случае с August Smart Lock – базовая модель имеет только Bluetooth, а Wi-Fi и Z-Wave появляются в комплектах с внешними шлюзами.
В некоторых случаях дополнительные каналы связи, такие как Z-Wave, позволяют интегрировать умные замки в систему домашней автоматизации [3]. В этом случае умный замок является частью умного дома, но безопасность (взломостойкость) самого замка не будет превышать безопасность всей системы «Умный дом».
Подключение к Интернету повышает безопасность смарт-замков из-за наличия дополнительного канала контроля состояния. Умные замки с единственным каналом связи Bluetooth и без подключения к Интернету могут быть дистанционно «взломаны», при этом владелец квартиры узнает об этом только когда сам попадет в нее. Дополнительный канал связи позволяет непрерывно отслеживать состояние умного замка, а в случае его «взлома» и неожиданного открывания двери пользователь узнает об этом сразу же, как только это произойдет.
Существующие системы связи смарт-замков имеют один существенный недостаток – дополнительный канал связи расположен в одной квартире с умным замком, и злоумышленники могут просто отключить подачу электроэнергии в квартиру (отключить домашний Wi-Fi) или внешние кабели связи. После этого информация о неожиданном срабатывании умного замка пользователю не поступит.
Такого рода проблемы могут быть решены только путем изменения системы связи. Новая система должна иметь дополнительный канал связи между умным замком и шлюзом, при этом шлюз должен находиться вне квартиры.
Конструкция умного замка с двумя беспроводными каналами
Умный замок с двумя беспроводными каналами связи был разработан, собран и успешно протестирован. Его механическая конструкция представлена на рис. 4, а электронная структура – на рис. 5. Замок имеет два беспроводных канала связи: 2,4 ГГц BLE; проприетарный протокол связи на частоте 433 МГц. Разработанный умный замок аналогичен другим существующим устройствам, за исключением второго канала связи в полосе частот 433 МГц.
Смартфон напрямую связывается с умным замком по BLE 2,4 ГГц. Этот канал поддерживается основным микроконтроллером CC2541. Микроконтроллер оптимизирован для работы с низким энергопотреблением и идеально соответствует требованиям к конструкции умных замков. Для полосы частот 433 МГц применяется малопотребляющий субгигагерцовый радиочастотный приемопередатчик AX5243.
Канал связи 433 МГц используется для связи умного замка с пультом охраны, расположенным в выделенном помещении организации, которая охраняет квартиру пользователя (рис. 6). Пульт охраны подключен к серверу, который, в свою очередь, подключен к Интернету. Вся информация о состоянии умного замка и история операций доступны через Интернет с сервера.
Пользователь может напрямую управлять умным замком со смартфона по каналу BLE (находясь в нескольких метрах от двери) или через Интернет (из любой точки мира).
Расчет времени автономной работы умного замка
Второй канал связи повышает безопасность умного замка, но при этом увеличивает энергопотребление и уменьшает время автономной работы. Ожидаемое время работы умного замка от одного комплекта батарей должно быть более одного года. Меньшее время эксплуатации может снизить интерес к продукту со стороны потенциальных пользователей после сравнения с конкурирующими устройствами.
Расчет потребления радиоканала 433 МГц основан на том, что передача сообщений производится каждые 15 с, при этом передается 9 байт данных. При скорости 100 кБит / с время работы трансивера для передачи (9 байт × 8 бит × 100 000 бит / с) равно примерно 720 мкс, что составляет примерно 1 / 20 800 от общего времени работы устройства (0,00072 с / 15 с).
Максимальный ток потребления трансивера AX5243 в активном режиме передачи составляет 16 мА. Средний ток потребления трансивера составляет: (16 мА / 20 800) ≈ 0,8 мкА.
Расчет потребления по каналу BLE основан на том, что максимальный ток потребления микроконтроллера СС2541 в режиме передачи составляет 18 мА. В этом случае модуль BLE каждые 2 с для поддержания канала связи отправляет запросы. Для 3,1-мс сеанса связи средний ток потребления будет равен: (18 мА × 3,1 мс / 2 с) ≈ 28 мкА.
Расчет среднего тока потребления электродвигателя основан на том, что он включается на 1 с в среднем 10 раз в сутки и потребляет во включенном состоянии около 50 мА: 50 мА × 10 с / (24 × 60 × 60) с = 6 мкА.
Общий средний ток потребления двух радиоканалов и электродвигателя: 0,8 мкА + 28 мкА + 6 мкА ≈ 35 мкА.
Сравнение тока потребления канала 433 МГц (0,8 мкА) с общим током потребления всего устройства (35 мкА) показывает, что этот дополнительный канал влияет на время автономной работы умного замка незначительно.
Электронные компоненты питаются от 3,3 В. Учитывая КПД преобразователя напряжения 95%, средний ток потребления от батареи 6 В (две батареи по 3 В, соединенные последовательно) будет равен: (35 мкА × 3,3 В) / (6 В × 0,95) ≈ 20 мкА.
Батареи имеют емкость не менее 1 000 мА · ч. Теоретическое время работы на одном комплекте батарей составляет: 1 000 мА · ч / 0,02 мА / 24 ч / 31 день ≈ 67 месяцев (больше 5,5 лет).
* * *
Таким образом, дополнительный канал связи в полосе частот 433 МГц практически не влияет на время автономной работы умного замка, но добавляет системе несколько важных преимуществ. Данный канал:
Все вышеперечисленные факторы значительно повышают безопасность помещений с установленным умным замком предложенной конструкции, и пользователи будут доверять таким устройствам значительно больше, чем обычным умным замкам.
Работа выполнена в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, в соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 года № 218, договор № 03.G25.31.0256.
Литература
Hadis M. S., Palantei E., Ilham A. A., and Hendra A. Design of smart lock system for doors with special features using bluetooth technology. In: 2018 International Conference on Information and Communications Technology (ICOIACT) (March 2018). PP. 396–400.
Pavelić M., Lončarić Z., Vuković M., and Kušek M. Internet of things cyber security: Smart door lock system. In: 2018 International Conference on Smart Systems and Technologies (SST) (Oct. 2018), PP. 227–232.
Wei C-C., Chen Y-M., Chang C-C., Yu C-H. The Implementation of smart electronic locking system based on Z-Wave and Internet. – IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics (Oct. 2015). 2015. PP. 2015–2017.
А. Ухов, д. т. н., В. Герасимов , Л. Селиванов , В. Симон
«Умными» принято называть технологии повышения жизненного комфорта. Такие технологии входят практически во все сферы жизни, и умный замок (также известен как смарт-замок или smart lock) является хорошим примером подобных устройств. Рынок умных замков сегодня быстро растет. В статье рассмотрена новая конструкция умного замка с двумя каналами связи, рассчитано его энергопотребление и обосновано преимущество использования дополнительного канала связи для повышения безопасности и надежности замка.
Разрабатывая любое сложное потребительское устройство, в первую очередь необходимо понимать, что требуется конечному потребителю. Масштабные исследования показали, что большинство потребителей считают самым главным для умных замков безопасность, а уже затем простоту использования. Сохранность имущества, а, возможно, и личная безопасность зависят от качества и надежности замка. Периодически появляющиеся сообщения о «взломе» смарт-устройств приводят к тому, что потенциальные потребители отказываются приобретать такие устройства из-за их недостаточной безопасности. Поэтому для расширения рынка необходимо повысить надежность и безопасность умных замков, поскольку потребители будут доверять только таким устройствам.
На отечественном рынке в настоящее время представлены умные замки исключительно иностранного производства, что приводит к увеличению их стоимости и ограничивает возможности по их обслуживанию. Кроме того, подобные изделия не могут быть интегрированы в отечественные охранные системы, либо такая интеграция будет иметь существенные ограничения. Для решения данных проблем научно-техническая и коммерческая фирма «Си-Норд» совместно с Санкт-Петербургским государственным электротехническим университетом «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) в рамках проекта «Автоматизированная система интеллектуальной защиты жилой, коммерческой и общественной недвижимости с использованием облачных вычислений» разработала умный замок (рис. 1), имеющий ряд преимуществ по сравнению с зарубежными аналогами:
- существенно более простая кинематика управления основным дверным замком, что позволяет снизить стоимость изделия;
- наличие дополнительного канала связи между умным замком и пультом охраны.
Конструкция умного замка
Практически все умные замки – это беспроводные устройства с батарейным питанием. Базовая структура умного замка показана на рис. 2.
Беспроводная связь позволяет пользователю не только дистанционно открывать и закрывать замок, но и получать информацию о его текущем состоянии и истории работы. С другой стороны, умные замки расположены внутри квартиры, и беспроводная связь – это единственный способ для их «взлома».
Большинство популярных умных замков имеют интерфейс связи Bluetooth для прямого управления с помощью смартфона [1]. Для каналов беспроводной связи Bluetooth и Bluetooth Low Energy (BLE) характерно одно важное ограничение – они не допускают прямого подключения устройств к Интернету. Подключение к Интернету необходимо для дистанционного контроля и проверки истории операций, проводимых устройством [2].
В результате, некоторые из моделей умных замков оснащены внешними шлюзами для создания моста между замком с каналом Bluetooth и домашней сетью с каналом Wi-Fi. Некоторые из этих замков имеют другой тип беспроводной связи (например, Z-Wave) и соответствующий шлюз между умным замком и домашней сетью Wi-Fi. Вот примеры нескольких популярных смарт-замков и используемых в них типов беспроводной связи:
- August Smart Lock – интерфейс Bluetooth;
- August Smart Lock HomeKit Enabled – интерфейсы Bluetooth, Wi-Fi;
- August Smart Lock Pro + Connect – интерфейсы Bluetooth, Wi-Fi, Z-Wave;
- Nest X Yale Lock with Nest Connect – интерфейс Wi-Fi;
- Yale Assure Lock SL – интерфейс Z-Wave;
- Schlage Sense – интерфейс Bluetooth.
Умный замок всегда расположен внутри квартиры, и все коммуникации идут непосредственно между смартфоном и замком по Bluetooth или через Интернет (через шлюз и домашнюю сеть Wi-Fi), как показано на рис. 3. Большинство умных замков оснащено одним беспроводным каналом связи. Два или три канала могут быть только в системах с внешними шлюзами, как например в случае с August Smart Lock – базовая модель имеет только Bluetooth, а Wi-Fi и Z-Wave появляются в комплектах с внешними шлюзами.
В некоторых случаях дополнительные каналы связи, такие как Z-Wave, позволяют интегрировать умные замки в систему домашней автоматизации [3]. В этом случае умный замок является частью умного дома, но безопасность (взломостойкость) самого замка не будет превышать безопасность всей системы «Умный дом».
Подключение к Интернету повышает безопасность смарт-замков из-за наличия дополнительного канала контроля состояния. Умные замки с единственным каналом связи Bluetooth и без подключения к Интернету могут быть дистанционно «взломаны», при этом владелец квартиры узнает об этом только когда сам попадет в нее. Дополнительный канал связи позволяет непрерывно отслеживать состояние умного замка, а в случае его «взлома» и неожиданного открывания двери пользователь узнает об этом сразу же, как только это произойдет.
Существующие системы связи смарт-замков имеют один существенный недостаток – дополнительный канал связи расположен в одной квартире с умным замком, и злоумышленники могут просто отключить подачу электроэнергии в квартиру (отключить домашний Wi-Fi) или внешние кабели связи. После этого информация о неожиданном срабатывании умного замка пользователю не поступит.
Такого рода проблемы могут быть решены только путем изменения системы связи. Новая система должна иметь дополнительный канал связи между умным замком и шлюзом, при этом шлюз должен находиться вне квартиры.
Конструкция умного замка с двумя беспроводными каналами
Умный замок с двумя беспроводными каналами связи был разработан, собран и успешно протестирован. Его механическая конструкция представлена на рис. 4, а электронная структура – на рис. 5. Замок имеет два беспроводных канала связи: 2,4 ГГц BLE; проприетарный протокол связи на частоте 433 МГц. Разработанный умный замок аналогичен другим существующим устройствам, за исключением второго канала связи в полосе частот 433 МГц.
Смартфон напрямую связывается с умным замком по BLE 2,4 ГГц. Этот канал поддерживается основным микроконтроллером CC2541. Микроконтроллер оптимизирован для работы с низким энергопотреблением и идеально соответствует требованиям к конструкции умных замков. Для полосы частот 433 МГц применяется малопотребляющий субгигагерцовый радиочастотный приемопередатчик AX5243.
Канал связи 433 МГц используется для связи умного замка с пультом охраны, расположенным в выделенном помещении организации, которая охраняет квартиру пользователя (рис. 6). Пульт охраны подключен к серверу, который, в свою очередь, подключен к Интернету. Вся информация о состоянии умного замка и история операций доступны через Интернет с сервера.
Пользователь может напрямую управлять умным замком со смартфона по каналу BLE (находясь в нескольких метрах от двери) или через Интернет (из любой точки мира).
Расчет времени автономной работы умного замка
Второй канал связи повышает безопасность умного замка, но при этом увеличивает энергопотребление и уменьшает время автономной работы. Ожидаемое время работы умного замка от одного комплекта батарей должно быть более одного года. Меньшее время эксплуатации может снизить интерес к продукту со стороны потенциальных пользователей после сравнения с конкурирующими устройствами.
Расчет потребления радиоканала 433 МГц основан на том, что передача сообщений производится каждые 15 с, при этом передается 9 байт данных. При скорости 100 кБит / с время работы трансивера для передачи (9 байт × 8 бит × 100 000 бит / с) равно примерно 720 мкс, что составляет примерно 1 / 20 800 от общего времени работы устройства (0,00072 с / 15 с).
Максимальный ток потребления трансивера AX5243 в активном режиме передачи составляет 16 мА. Средний ток потребления трансивера составляет: (16 мА / 20 800) ≈ 0,8 мкА.
Расчет потребления по каналу BLE основан на том, что максимальный ток потребления микроконтроллера СС2541 в режиме передачи составляет 18 мА. В этом случае модуль BLE каждые 2 с для поддержания канала связи отправляет запросы. Для 3,1-мс сеанса связи средний ток потребления будет равен: (18 мА × 3,1 мс / 2 с) ≈ 28 мкА.
Расчет среднего тока потребления электродвигателя основан на том, что он включается на 1 с в среднем 10 раз в сутки и потребляет во включенном состоянии около 50 мА: 50 мА × 10 с / (24 × 60 × 60) с = 6 мкА.
Общий средний ток потребления двух радиоканалов и электродвигателя: 0,8 мкА + 28 мкА + 6 мкА ≈ 35 мкА.
Сравнение тока потребления канала 433 МГц (0,8 мкА) с общим током потребления всего устройства (35 мкА) показывает, что этот дополнительный канал влияет на время автономной работы умного замка незначительно.
Электронные компоненты питаются от 3,3 В. Учитывая КПД преобразователя напряжения 95%, средний ток потребления от батареи 6 В (две батареи по 3 В, соединенные последовательно) будет равен: (35 мкА × 3,3 В) / (6 В × 0,95) ≈ 20 мкА.
Батареи имеют емкость не менее 1 000 мА · ч. Теоретическое время работы на одном комплекте батарей составляет: 1 000 мА · ч / 0,02 мА / 24 ч / 31 день ≈ 67 месяцев (больше 5,5 лет).
* * *
Таким образом, дополнительный канал связи в полосе частот 433 МГц практически не влияет на время автономной работы умного замка, но добавляет системе несколько важных преимуществ. Данный канал:
- использует нестандартный протокол связи, что значительно увеличивает сложность «взлома», поскольку в открытом доступе информация о протоколе отсутствует;
- соединяет умный замок с защищенным сервером, к которому со стороны потенциальных злоумышленников нет доступа;
- контролируется не только пользователем, но и охранной организацией, что практически исключает человеческий фактор при принятии решения в случае проникновения злоумышленника в охраняемое помещение.
Все вышеперечисленные факторы значительно повышают безопасность помещений с установленным умным замком предложенной конструкции, и пользователи будут доверять таким устройствам значительно больше, чем обычным умным замкам.
Работа выполнена в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, в соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 года № 218, договор № 03.G25.31.0256.
Литература
Hadis M. S., Palantei E., Ilham A. A., and Hendra A. Design of smart lock system for doors with special features using bluetooth technology. In: 2018 International Conference on Information and Communications Technology (ICOIACT) (March 2018). PP. 396–400.
Pavelić M., Lončarić Z., Vuković M., and Kušek M. Internet of things cyber security: Smart door lock system. In: 2018 International Conference on Smart Systems and Technologies (SST) (Oct. 2018), PP. 227–232.
Wei C-C., Chen Y-M., Chang C-C., Yu C-H. The Implementation of smart electronic locking system based on Z-Wave and Internet. – IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics (Oct. 2015). 2015. PP. 2015–2017.
Отзывы читателей
