安全消息服务硬件实现与混合清洁能源收集

# 安全消息服务硬件实现与混合清洁能源收集 ## 1. 安全消息服务硬件实现 ### 1.1 硬件实现背景 在当今信息时代，计算机系统时常面临诽谤或恶意攻击的威胁，尤其是处理金融交易、机密信息的系统，其信息的保密性和完整性至关重要。因此，将预防措施融入计算机系统变得刻不容缓。而密码学作为 IT 安全行业的热门技术，能帮助 IT 组织高效处理黑客数据。我们这里探讨的是利用蓝牙进行短距离通信的硬件实现，并且该技术可借助 GSM 扩展到长距离通信。 ### 1.2 硬件组成与工作原理 #### 1.2.1 显示与输入设备 - **LCD 显示屏**：采用基于 HD44780 控制器的 20×4 字母数字 LCD，它每行可显示 20 个字符，共 4 行。与 AVR ATmega328 微控制器接口时，有 8 位和 4 位两种接口方法。8 位接口方法使用全部 8 个数据引脚；4 位接口方法仅使用字母数字 LCD 的上 4 个数据引脚来发送微控制器的 8 位命令。 - **键盘**：作为人机界面（HMI）的一部分，在嵌入式系统中起着关键作用。微控制器程序会持续扫描 4×4 键盘的每一行或每一列。当按下键盘上的某个键时，`read_keypad` 函数返回该键的值，微控制器将其显示在 16×2 字母数字 LCD 上；若未按键，`read_keypad` 函数返回 0XFF，LCD 显示最后按下键的值。 #### 1.2.2 数据传输与加密 - **数据输入与传输**：Arduino 连接到笔记本电脑，HC - 05 连接到 Arduino 并将输入数据传入应用程序。消息或信息发送到 HC - 05 再到 Arduino，Arduino 为每个字符分配一个数值，接收到字符后执行相应函数并将“输出”打印到串行监视器。 - **加密过程**：另一个 Arduino 作为加密密钥提供者，一次输入一个字符的密码到另一个 Arduino 的串行监视器。若密码被接受，该 Arduino 向加密 Arduino 发送编码密钥（高信号），只有接收到高信号，加密 Arduino 才会对数据进行加密。 ### 1.3 加密与解密步骤 - **密钥分割**：为确保信息的保密性、完整性和隐私性，私钥被分割成 2n + 1 个部分（奇数部分）。即使入侵者检测到部分私钥，也难以计算出全部 2n + 1 个部分，从而保证只有掌握全部私钥部分才能解密编码消息。 - **改进的 Elgamal 加密算法**：通过将个人密钥分割并分配给 ROT47 授权接收者，只有接收者共同协作才能解密数据。发送者从 {0, …, p – 1} 中选择一个随机元素 k 计算字符值，然后发送加密消息，加密消息大小是原始消息的两倍，因为每个字符被两个值替换。 - **解密计算**：接收者 receiver1, receiver2, …, receiver2n + 1 使用 q 和各自的私钥 {x1}, {x2}, …, {x2n + 1} 共同计算 c2. c1 x2. c1 x4. c1 x6…/c1 x1. c1 x3. c1 x5. c1 x7… 来解密数据。 - **数据传输**：使用数据传输模块将加密文件从一个位置传输到另一个位置。接收方需正确指定目标地址，否则会出现连接失败。 ### 1.4 硬件实现总结 这种结合了软件和硬件的实现方式，为入侵者破解算法带来了巨大挑战，能确保秘密数据在不安全的媒体中安全传输。 ## 2. 混合清洁能源收集 ### 2.1 能源收集背景 随着全球变暖等环境问题的加剧，能源问题日益突出。传统能源的燃烧不仅导致全球变暖，还造成自然资源枯竭。因此，能源收集成为解决能源问题的有效途径。太阳能和风能虽然是免费的环境能源，但安装成本高、占地面积大，在低功率应用中不具成本效益。而射频（RF）能量和人体热能则能满足低成本、可持续的需求。 ### 2.2 混合能源收集模型设计 - **整体思路**：设计一个混合模型，从 RF 信号和人体热能中收集能量。该模型分为两部分，第一部分利用微带贴片天线收集 GSM 4G 频段（1800 - 2100 MHz）的 RF 信号，经过整流和电压倍增升压；第二部分使用热电发电机（TEG）模块将人体热能转化为电能，再通过 DC - DC 升压提高输出电压。 ### 2.3 RF 能量收集系统 #### 2.3.1 天线设计 - **参数计算**：使用 HFSS 软件工具设计微带天线，其贴片尺寸为 55×37.8 mm，馈线尺寸为 3×41.67 mm，基板尺寸为 90×100 mm，厚度为 1.6 mm，材料为相对介电常数 4.4 的 FR4 环氧树脂。贴片宽度 W 和长度 L 的计算公式如下： - 宽度计算公式：$W = \frac{1}{2f_r}\sqrt{\frac{\pi}{\epsilon_0\mu_0}}\times\frac{\pi}{2}\frac{1}{\epsilon_r + 1}$ - 长度计算公式：$L = \frac{1}{2f_r}\sqrt{\epsilon_{eff}\epsilon_0\mu_0}-2\Delta L$ - 其中，$\epsilon_{eff}=\frac{\epsilon_r + 1}{2}+\frac{\epsilon_r - 1}{2\sqrt{1 + 12\frac{h}{w}}}$，$\Delta L=\frac{(\epsilon_{eff}+0.3)(\frac{w}{h}+0.264)}{(\epsilon_{eff}-0.258)(\frac{w}{h}+0.8)}\times0.412h$ #### 2.3.2 电压倍增电路 电压倍增电路由电容器和二极管组成，输入低电压交流电，输出倍增的直流电。电路中使用肖特基二极管，通过试错法选择电容器，最终选用 100 μF 电容器。随着电压倍增级数增加，输出电压也相应增加。 ### 2.4 热能收集系统 #### 2.4.1 TEG 模块 - **工作原理**：TEG 模块利用塞贝克效应，将人体热能转化为电能。模块主要由氧化铝片、热扩散器和 n 型和 p 型碲化铋合金的 TE 元素组成。热扩散器连接在模块底部，周围使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）进行绝缘，降低热损失。 - **热扩散器选择**：基于热导率特性选择铜作为热扩散器，