Khóa điện tử thông minh với công nghệ RFID trong hệ thống giám sát container

Nội dung text: Khóa điện tử thông minh với công nghệ RFID trong hệ thống giám sát container

1. KHÓA ĐIỆN TỬ THÔNG MINH VỚI CÔNG NGHỆ RFID TRONG HỆ THỐNG GIÁM SÁT CONTAINER SMART ELECTRONIC LOCK WITH RFID TECHNOLOGY IN THE CONTAINER TRACKING SYSTEM. Trần Thu Hà1 Phạm Công2 1 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM 2 Trung tâm Nghiên cứu và Đào tạo Thiết kế Vi mạch (ICDREC) TÓM TẮT Bài báo này trình bày sự thiết kế và thi công thiết bị khóa điện tử thông minh dùng cho Container với hai chức năng chính là giám sát hành trình và mở khóa bằng công nghệ RFID. Dữ liệu được gửi từ thiết bị về server trung tâm thông qua dịch vụ GPRS và dữ liệu này được bảo mật bằng thuật toán mã hóa AES. Người dùng có thể theo dõi, giám sát hành trình của Container, những thông tin về người mở khóa trên bản đồ online bằng smartphone hoặc máy tính. Kết quả đã thi công được thiết bị với khả năng hoạt động chính xác, ổn định, bảo mật tốt. Từ khóa: khóa điện tử thông minh, giám sát hành trình, công nghệ RFID, thuật toán mã hóa AES. ABSTRACT This paper presents the design and fabrication smart electronic lock for the container with two main functions is journey tracking and unlocking by RFID technology. The data is send from the device to the server through GPRS and is protected by AES encryption algorithm. The user can track the journey of the Container, information about unlocking human on the online map using smartphone, laptop or desktop. The device operates precise, stability, good security. Keywords: smart electronic lock, journey tracking, RFID technology, AES encryption algorithm. 1. GIỚI THIỆU Nước ta có rất nhiều cảng, kho bãi lớn Bài báo này trình bày sự nghiên cứu, nên tiềm năng phát triển ngành vận tải hàng thiết kế và thi công thiết bị khóa điện tử sử hóa là rất cao. Vấn đề đặt ra đối với ngành dụng công nghệ GSM, GPS [1, 9] và RFID hải quan và các doanh nghiệp xuất nhập khẩu để quản lý container. Dữ liệu truyền từ thiết là việc đảm bảo an toàn, kiểm soát hàng hóa bị về server được bảo mật bằng mã hóa AES thậm chí giám sát quá trình vận chuyển, cài [2, 3]. Thiết bị sẽ thực hiện việc đóng/mở đặt khai báo thông tin nguồn hàng nhanh bằng công nghệ RFID [5, 6, 7] và giám sát chóng sẽ góp phần phát triển lĩnh vực này. hành trình di chuyển [4] cũng như việc Theo chỉ thị số 23/CT-TTg của Thủ tướng đóng/mở khóa, góp phần hỗ trợ công tác chính phủ thì các mặt hàng kinh doanh tạm quản lý và tránh các thất thoát hàng hóa nhập tái xuất sẽ được quản lý bằng Seal điện không mong muốn. tử. Vì vậy việc nghiên cứu, ứng dụng ổ khóa 2. MÔ TẢ THIẾT BỊ có tích hợp các chức năng Seal điện tử, lưu trữ nhận dạng thông tin qua RFID, giám sát Hình 1 mô tả toàn bộ sơ đồ khối của hành trình hàng hóa qua GPS là rất cần thiết bị khóa điện tử thông minh với công thiết trong giai đoạn hiện nay. nghệ RFID trong hệ thống giám sát Container (gọi tắt là khóa Container).
2. ANTENNA GPS SD CARD: Dùng để lưu dữ liệu khi MATCHING thiết bị mất kết nối với server và lưu dữ ANTENNA GSM MATCHING liệu cập nhật chương trình từ xa. . Khối Nguồn: Khối này lấy điện áp từ PIN ANTENNA RFID MATCHING và tạo ra điện áp phù hợp để cung cấp cho các khối khác. BỘ NHỚ MCU 3. LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT NGUỒN PIN LI-PO Bắt đầu CẢM BIẾN Khởi tạo hệ thống CUỘN DÂY ĐIỆN TỪ NÚT NHẤN & LED Đ Đ Nhấn nút? Quét thẻ UID cho phép? S Hình 1. Sơ đồ khối của khóa Container S Mở khóa Đ Chức năng mỗi khối được mô tả như sau: Có tin nhắn? Xử lý tin nhắn . Khối MCU: Là bộ não của thiết bị, điều S Đọc thông tin khiển toàn bộ hoạt động của thiết bị. Thiết từ GPS bị sử dụng chip PIC24FJ128GB106 làm Đọc điện áp vi xử lý trung tâm. PIN . Khối GSM [12, 13]: Dùng để giao tiếp với Đọc trạng thái khoá server qua GPRS, giao tiếp với người Đ dùng để cấu hình, cài đặt, thay đổi các Cho phép kiểm Kiểm tra tài tra tài khoản khoản thông số hoạt động của thiết bị qua SMS. S . Khối GPS [14, 15]: Dùng để lấy các thông Kiểm tra gửi GPRS số về tọa độ, thời gian, vận tốc . Khối RFID [16]: Thực hiện việc đọc thẻ Cho phép MCU Đ Sleep MCU Sleep? RFID băng tần HF. S 30s . Khối Antenna Matching: Phối hợp trở Wake Up MCU kháng để năng lượng bức xạ ra antenna lớn nhất. Hình 2. Lưu đồ giải thuật chương trình . Cuộn dây điện từ: Điều khiển quá trình 4. THUẬT TOÁN MÃ HÓA AES đóng mở khóa. Mã hóa GPRS Giải mã Data Data . Cảm biến: Giám sát trạng thái khóa đóng AES (TCP) AES hay mở. Hình 3. Giao thức truyền dữ liệu giữa thiết bị . Nút nhấn & LED: Dùng để tắt mở thiết bị và server và dùng để ra lệnh cho thiết bị đọc thẻ AES (Advanced Encryption Standard) là RFID. Ngoài ra LED còn được dùng để một thuật toán mã hóa khối được chính phủ cảnh báo khi PIN yếu. Hoa kỳ áp dụng làm tiêu chuẩn mã hóa. . Khối Bộ nhớ gồm: Sử dụng một khóa 128 bits (16 bytes) EEPROM: Lưu trữ các thông số cấu trong các quá trình xử lý phức tạp của thuật hình hoạt động của thiết bị toán cho mỗi khối 128 bits dữ liệu.
3. Khóa này giống nhau ở bên nhận và bên Hình 5 chỉ ra những bước khác nhau thu và là mật mã của người dùng. Mật mã này được tiến hành trong mỗi vòng ngoại trừ bước người dùng có thể thay đổi bằng SMS. cuối. Cấu trúc tổng quát của mã hóa/giải mã AES được chỉ trong hình 4. Thay thế byte Đảo trộn cột 128 bit plaintext 128 bit plaintext Khóa vòng Dịch hàng Thêm khóa vòng Thêm khóa vòng Vòng 10 w0-w3 w0-w3 B ả Vòng 1 n Vòng 9 Trộn cột Đảo thay thế byte w4-w7 l w4-w7 i ệ t k Vòng 2 ê Vòng 8 w8-w11 k w8-w11 Khóa vòng h Thêm khóa vòng Đảo dịch hàng ó . . . . a . . . . . . . . Vòng 10 Thêm khóa vòng w40-w43 w40-w43 VÒNG MÃ HÓA 128 bit ciphertext 128 bit ciphertext VÒNG GIẢI MÃ MÃ HÓA GIẢI MÃ Hình 5. Một vòng mã hóa (bên trái) và giải Hình 4. Cấu trúc cơ bản của AES cho mã (bên phải) trường hợp khóa mã hóa 128 bit. Bước 1: (gọi là SubBytes - sự thay thế Trước mỗi vòng xử lý cơ bản cho mã từng byte trong suốt quá trình xử lý trước) hóa, mãng trạng thái ngõ vào được XOR với 4 (Bước thay thế tương ứng sử dụng trong giải word đầu tiên của bảng liệt kê khóa. Điều mã gọi là InvSubBytes) tương tự xảy ra trong suốt quá trình giải mã – Bước này bao gồm sử dụng một bảng tra ngoại trừ lúc bấy giờ chúng ta XOR mãng 16 x 16 để tìm byte thay thế cho byte đã cho trạng thái ciphertext (thông tin đã được mã trong mãng trạng thái ngõ vào. hóa dạng mờ) với 4 word cuối của bảng liệt kê Những mục trong bảng tra được tạo bởi khóa. việc sử dụng khái niệm nghịch đảo trong Đối với mã hóa, mỗi vòng bao gồm 4 GF(28) và sự xáo trộn bit để phá vỡ sự tương bước sau: 1) Thay thế byte (Substitute bytes), quan cấp độ bit bên trong mỗi byte. 2) Dịch hàng (shift row), 3) Trộn cột (mix Bước 2: (gọi là ShiftRows – dịch hàng columns) và 4) Thêm khóa vòng (Add round của mãng trạng thái trong suốt tiến trình xử lý key). Bước cuối cùng bao gồm XOR ngõ ra trước đó) (Sự chuyển đổi tương ứng trong giải của 3 bước trước đó với 4 word từ bảng liệt kê mã được ký hiệu là InvShiftRows – đảo sự khóa. chuyển đổi Shift-Row) Để giải mã, mỗi vòng bao gồm 4 bước Mục tiêu của sự chuyển đổi này là để xáo sau: 1) Đảo dịch hàng (Inverse shift rows), 2) trộn sự sắp xếp byte bên trong mỗi khối 128 Đảo thay thế byte (Inverse substitute bytes), bit. 3) Thêm khóa vòng (Add round key) và 4) Bước 3: (gọi là MixColumns – trộn Đảo trộn cột (Inverse mix columns). Bước thứ những byte trong mỗi cột không cùng nhau 3 bao gồm XOR ngõ ra của 2 bước trước đó trong suốt tiến trình xử lý trước đó) (Sự với 4 word từ bảng liệt kê khóa. chuyển đổi tương ứng trong sự giải mã được Vòng cuối của mã hóa không bao gồm ký hiệu InvMixColumns - đảo sự chuyển đổi bước “Trộn cột”. Vòng cuối của giải mã MixColumns). Mục tiêu ở đây là xáo trộn hơn không bao gồm bước “đảo trộn cột”. khối ngõ vào 128 bit.
4. Bước shift-rows với bước mix-column dữ liệu gửi về server càng liên tục thì hành gây ra mỗi bit của ciphertext phụ thuộc mỗi trình trên bản đồ sẽ càng “mịn” hơn. Hình 8 bit của plaintext (thông tin khi chưa được mã minh họa hành trình với chu kì gửi về server hóa) sau 10 vòng xử lý. là 30s. Bước 4: (gọi là AddRoundKey – thêm khóa vòng tới ngõ ra của bước trước đó) (Bước tương ứng trong quá trình giải mã được ký hiệu là InvAddRoundKey – đảo sự chuyển đổi AddRoundKey). 5. KẾT QUẢ Sau thời gian nghiên cứu, thiết kế và thi Hình 8. Bản đồ server với tính năng xem lại công, thiết bị khóa điện tử thông minh sử hành trình dụng RFID giám sát hành trình Container đã Tính năng cấu hình thông qua tin nhắn được thực hiện thành công, đáp ứng được các SMS hoạt động ổn định, độ chính xác đạt mục tiêu đề ra ban đầu. 100%. Hình 6. Thiết bị khóa Container hoàn chỉnh Thiết bị đã được thiết kế với độ tin cậy cao, thông tin về lộ trình, người mở khóa Hình 9. Giao tiếp với thiết bị thông qua SMS được thể hiện đầy đủ trên bản đồ giám sát. Dung lượng PIN của khóa là 5Ah có thể sử dụng được 8-10 ngày liên tục cho mỗi lần sạc. SD Card có thể lưu được dữ liệu hàng chục năm. Đánh giá sai số GPS Tín hiệu GPS phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết, địa hình. Tiến hành thực nghiệm đánh giá sai số việc thu tín hiệu định vị GPS của thiết bị nhằm kiểm tra độ chính xác của thiết bị. Hình 7. Bản đồ server với tính năng giám sát Người thực hiện xác định vị trí hiện tại của Để tiết kiệm năng lượng nhằm tăng thời thiết bị trên bản đồ google map (một cách gian sử dụng Pin, dữ liệu sẽ được gửi lên tương đối bằng cách xem bản đồ ở chế độ vệ server với chu kì 30s một lần khi xe đang chạy tinh), rồi lấy tọa độ đó làm tọa độ gốc. Tiến (thời gian này có thể thay đổi thông qua SMS) hành tính khoảng cách giữa các tọa độ mà và 5 phút một lần khi xe đứng yên. Tất nhiên thiết bị gửi về so với tọa độ gốc.
5. Bảng 1. Bảng kết quả thống kê tọa độ đo Dựa vào bảng số liệu ở trên, ta thấy sai số được từ thiết bị khi đặt ngoài trời giữa những lần thiết bị thu tín hiệu GPS là không đáng kể. Do vậy độ chính xác của tín Vĩ độ gốc: Kinh độ gốc: hiệu GPS do thiết bị thu được là đáng tin cậy. 10.836283 106.772808 6. KẾT LUẬN Sai số Với đề tài “nghiên cứu, thiết kế, thi công Lần Vĩ Độ Kinh Độ (m) khóa điện tử thông minh sử dụng RFID giám 1 10.836305 106.772838 0.144 sát hành trình Container”, người thực hiện đã 2 10.836852 106.771914 3.74 hoàn thành một thiết bị ứng dụng với độ tin 3 10.836402 106.770356 2.593 cậy, ổn định và bảo mật cao ứng dụng công 4 10.836216 106.773654 0.957 nghệ GPS, công nghệ GSM, công nghệ RFID và thuật toán mã hóa AES. Thiết kế và độ dài 5 10.836256 106.772913 0.202 khóa của thuật toán AES là đủ an toàn để bảo 6 10.836759 106.772996 3.042 vệ các thông tin được xếp vào loại tối mật. 7 10.836135 106.772335 1.058 AES được chính phủ Hoa Kỳ sử dụng cho các 8 10.836345 106.772449 0.537 thông tin mật. 9 10.836001 106.772436 1.838 Quá trình thực nghiệm cho thấy độ chính 10 10.836289 106.772567 0.247 xác GPS, khoảng cách đọc thẻ RFID là ở mức chấp nhận được với ứng dụng này. Độ chính Sai số trung bình: 1.4358 xác của GPS phụ thuộc nhiều vào các điều kiện bên ngoài như thời tiết (trời càng mây mù Bảng 2. Bảng kết quả thống kê tọa độ đo thì càng khó thu được tín hiệu) và địa hình được từ thiết bị khi đặt trong nhà (khó thu được tín hiệu GPS dưới các tòa nhà cao tầng, hầm ). Thêm nữa, antenna GPS và Vĩ độ gốc: Kinh độ gốc: antenna RFID được thiết kế nằm bên trong 10.836273 106.772829 hộp kim loại nên cũng làm hạn chế khả năng Sai số thu tín hiệu GPS và khả năng đọc thẻ RFID. Lần Vĩ Độ Kinh Độ (m) LỜI CẢM ƠN 1 10.835305 106.772568 6.179 2 10.835962 106.773589 2.135 Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Trung tâm Nghiên cứu và Đào tạo 3 10.836062 106.769523 3.588 Thiết kế Vi mạch (ICDREC) đã tận tình 4 10.836938 106.77059 4.796 hướng dẫn và tạo điều kiện cho tôi hoàn 5 10.836468 106.77796 5.356 thành tốt đề tài này. 6 10.836759 106.772996 3.106 Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến toàn 7 10.83589 106.773033 2.453 thể quý thầy cô Trường Đại học Sư Phạm Kỹ 8 10.837029 106.774689 5.182 Thuật TP. Hồ Chí Minh đã giảng dạy, hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm quý 9 10.836001 106.772436 1.775 báu và tạo mọi điều kiện học tập tốt cho tôi. 10 10.835169 106.772956 7.043 Sai số trung bình: 4.1613 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ahmed El-Rabbany, “Introduction to GPS The Global Positioning System”, Artech House, Inc.Publication, 2002. [2] Avi. Kak, “Computer and Network Security, Lecture 8: AES: The Advanced Encryption Standard”, 2014
6. [3] Floissac, N.; L'Hyver, Y., “From AES-128 to AES-192 and AES-256, How to Adapt Differential Fault Analysis Attacks on Key Expansion” [4] Hoang Dat Pham; Drieberg, M.; Chi Cuong Nguyen, “Development of vehicle tracking system using GPS and GSM modem”, 2013. [5] Jeng, A.B.; Li-Chung Chang; Hahn-Ming Lee; Te-En Wei; Szu-Yu Lin, “How to solve collision and authentication issues using RFID protocol technology”, 2011. [6] Jianguo Hu; Ke Lin; Deming Wang; Yanyu Ding; Hongzhou Tan, “A novel anti-collision algorithm for RFID system”. [7] Lijuan Zhang; Jin Zhang; Xiaohu Tang; Yong Wang, “An efficient tag anti-collision protocol for RFID systems”. [8] Mihai (AKA NutDog), “NMEA-0183 Protocol Description, Version 2.20”, January 2004. [9] Mohinder S. Grawer, Lawrence R.Weill, Angus P.Andrews; Wiley, “Global Positioning Systems, Inertial Navigation, and Integration”, 2001. [10] Working Group 8 of Subcommittee 17 in ISO/IEC Joint Technical Committee 1, “ISO/IEC 14443 Identification cards Contactless integrated circuit cards Proximity cards”. [11] Le-Pong Chin, Chia-Lin Wu, "The Role of Electronic Container Seal (E-Seal) with RFID Technology in the Container Security Initiatives", ICMENS, 2004, MEMS, NANO, and Smart Systems, International Conference 2004, pp. 116-120, doi:10.1109/ICMENS.2004.142. [12] Tài liệu kỹ thuật: M95 Hardware Design, Quectel, 2013. [13] Tài liệu kỹ thuật: M95 AT Commands Manual, Quectel, 2014. [14] Tài liệu kỹ thuật: L70 Hardware Design, Quectel, 2013. [15] Tài liệu kỹ thuật: L70 GPS Protocol Specification, Quectel, 2013. [16] Tài liệu kỹ thuật: CLRC632 Standard multi-protocol reader solution, NXP, 2014. Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết): Họ tên: Phạm Công Đơn vị: Trung tâm Nghiên cứu và Đào tạo Thiết kế Vi mạch (ICDREC) Điện thoại: 0128.444.1181 Email: cong.pham@icdrec.edu.vn
7. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.