基于手势信息的便携式无线加密传输系统

一　选题背景

　　和平和发展是当今世界的主旋律，但是局部战争、恐怖主义、暴力犯罪等不和谐的音符依然存在，而在实际作战、反恐行动、秘密侦查等这些场合中，信息交互的安全性要求较一般场合要高得多。不仅要求产生信息的方式具有隐蔽性，不易被他人发现;而且要求传递信息的方式具有保密性，不易被他人破解。

　　因此，本文设计并实现了一个基于手势信息的便携式无线加密传输系统。系统以Spartan-3E开发板为平台，本系统充分利用了FPGA的计算速度和硬件资源，可以在作战、反恐、侦察等涉及信息安全的多个领域得到应用。

　　二　系统方案

　　本系统由两平台组成，实现了手势信息的无线加密半双工传输。

　　使用时，A使用平台1，B使用平台2，按照如下步骤执行：

　　A首先通过键盘来设定密码，并设置平台1为加密状态。然后通过手势输入设备将手势信息输入平台1，按动发送开关，平台1便会自动采集A的手势信息，将其转换为数字信号作为明文，经Twofish算法对其进行加密，之后将密文无线传给B。

　　B在接收之前，先设置平台1为加密状态，再通过键盘核定密钥。如果密钥与A一致，平台2便可以接受到A系统传出的密文，并自动对其解密，得到明文，即可以得到A所传递的手势信息，不同的手势信息可以代表A、B之前约定的不同实际含义。如果密钥与A不一致，平台2解密后得到的明文便是错误的，不能得到A所传递的手势信息。

　　反之，B可以通过相同的方法将自己的手势信息传递给A。在使用中，A只需要修改平台1的密钥即可使平台2的密钥核对失败。

　　系统工作时，还可以使用PC机，作为总监听站，来获取传输信息，监控系统两平台运行情况。

　　这样，利用该系统便可以实现A、B间手势信息的无线加密传输，完成信息交互，使用示意图见图2.1。

　图2.1　系统功能示意图

　　三　软件系统设计

　　3.1 　软件系统流程

　　系统软件流程图见图3.1。

图3.1　软件子模块实现流程图

　　图3.1说明了各个子模块的逻辑关系和使用时的数据流，其中Twofish加解密算法是系统核心，占用FPGA内部接近40%的逻辑资源，其它部分占30%左右。

　　3.2 　Twofish算法

　　Twofish算法是由美国的Bruce Schneier等创建的优秀算法，是AES的候选算法之一。Twofish算法是典型的分组加密算法，加密时它将明文按一定的位长分组，明文和密钥的全部经过加密运算得到密文。解密时密文和密钥经过解密运算，还原成明文。Twofish的算法采用的明密文分组长度为128bit， 支持128bit、192bit、256bit的密钥长度。

四　硬件系统实现

　　硬件系统主要包括Spartan-3E嵌入式平台，自制电源模块和手势信息采集模块，辅以无线传输，液晶显示，键盘等子模块，硬件系统框图如图4.1所示。

4.1　核心FPGA

　　硬件系统核心为Spartan-3E系列的50万门FPGA，型号为XC3S500E-4FG320C，有1万多个逻辑单元和232个用户I/O，对其进行编程，可实现系统功能。

　4.2　功能模块

　　功能模块主要包括电源模块、手势信息采集模块和其它辅助模块。

　　4.2.1　电源模块

　　电源模块的主要作用是使系统具有便携性。

　　系统选用+8V锂电池供电，经各电平转换芯片为各模块供电。系统选取LM2596T-5.0开关电源调节芯片，将+8V电源输入转换为+5V电源输出，为Spartan-3E开发板、数据输入模块、液晶显示模块供电。而无线模块工作时对电源稳定性要求较高，故选取7805稳压芯片将+8V电源输入转换为+5V电源输出，为其供电。

　　4.2.2　手势信息采集模块

　　手势信息采集系统的功能是将手势信息转换为FPGA可处理的数字信息，包括数据输入、模数转换和电平转换三部分。

　　数据输入部分采用弯曲传感器(Flex Sensor)来“感知”手势信息。弯曲传感器是利用其阻值变化来反映自身弯曲程度的传感器件。

　　弯曲传感器固定在一副手套的8个手指上，分别为左右手的食指、中指、无名指和小拇指。根据实验测得的数据，手指平直时传感器阻值约为10K，弯曲时传感器阻值大于15K，故选取10K的电阻，与其串联，构成分压电路，分压电路端电压为5V。将传感器的阻值变化转换为电压变化，供A/D转换。此外，外设一开关，用来作为FPGA控制采样信号的产生。

　　模数转换电路选用ADC0809，供电为+5V，选取基准电压Vref+为+5V，Vref-为0V。

　　ADC0809的高电平为+5V，而FPGA的I/O接口的高电平为+3.3V，故ADC0809与FPGA之间需要电平转化电路。选取74LV4245作为电平变换器件，可以完成5V至3V的电平双向转换，通过DIR引脚控制传输方向，引脚控制输出使能。

　　控制信号和数据信号通过Spartan-3E开发板的扩展接口与外部电路相接，这样，当手势信息变化时，FPGA就可以控制模数部分工作，读入手势信息。

　　4.2.3　其它功能模块

　　其他功能模块包括模液晶显示、无线传输、键盘输入、开关控制等。

　　五　系统测试

　　系统平台实物如图5.1所示

　图5.1　系统平台实物图
在系统功能测试，发送端使用者A先设定密钥为字符串OneWorldOneDream，之后发送手势信息。当接受端使用者B的密钥与A一致时，可以接收到正确的A的手势信息18，而当B的密钥为OneDreamOneWorld时，接收不到正确的A的手势信息为66。同样，B可以向A发送手势信息，实现A和B之间的半双工通信。

　　A(左)、B(右)两平台液晶显示密钥一致时，结果如图5.2。

图5.2　系统功能测试

　　密钥不一致时，显示结果如图5.3。

图5.3　系统功能测试

　　六　创新与特色

　　本系统的具体特色和创新体现在如下几个方面：

　　6.1 选题实用性

　　本文研究的课题是从信息的安全性出发，来考虑信息的产生方式的隐蔽性、传输方法的安全性，构建的系统具有较强的应用性和实用性。

　　6.2 加密算法优越性

　　本系统采用128bit的密钥长度的Twofish算法，它具有以下优点：

　　6.2.1 Twofish算法安全系数大，具有很高的安全余量。

　　6.2.2 Twofish 算法硬件实现灵活，占用资源少，具有很强的适应性和可塑性，适合在FPGA上实现。

　　6.2.3 Twofish算法设计时考虑多层性能的平衡，加解密快速，与其他加密算法相比，具有速度方面的优越性。

　　6.3 实现手段创新性

　　采用新颖的弯曲传感器来“感知”手势，是本系统实现手段的特色之一。该传感器的使用原理并不复杂，而且能够很好地实现系统所需的功能，达到“隐性”产生信息的目的。

　　此外，为实现系统的便携性和实用性，本文独立设计了电源模块和手势采集模块，以及良好的人机交互界面，系统功能进一步完备。本系统还具有良好的可扩展性，例如，采用转换精度更高的A/D芯片，得到更多可以利用的手势信息;进一步优化改进加密算法，更加便于在便携式设备上使用;设计完善系统设备，实现多点自由通信等等，以及探索新的通信方法的思想，都值得我们今后深入研究。