[发明专利]一种安全可移动数字微流控生物芯片网络系统及控制方法

说明书

本发明涉及一种安全可移动数字微流控生物芯片网络系统，包括依次连接的云服务器、微控制器和数字型微流控生物芯片；所述微控制器设置有无线模块；所述云服务器通过加密后的生化协议与设置有无线模块的微控制器数据连接。本发明将无线模块添加到数字微流控生物芯片物理网络系统模型中的微控制器中，通过加密和认证算法保护传输中的生化协议，既可以保证数据的安全，又可以避免未授权用户去获取生化协议，并可为用户提供实时的反应结果。

技术领域

本发明涉及涉及数字微流控生物芯片领域，具体涉及一种安全可移动数字微流控生物芯片网络系统及控制方法。

背景技术

如今，数字微流控生物芯片凭借低成本、可移植性和高通量等优点应用在微型化分析系统中。它具备了分离、混合和反应等基本操作并在微小的芯片上可通过这些基本操作自动完成生化分析。如今，数字微流控生物芯片已应用在临床诊断、DNA测序、环境检测等场景。使用数字微流控生物芯片的好处是可以减少试剂消耗和样品需求，并增加了反应速度来减少分析时间和通过自动化对液滴进行操作从而降低污染风险。

自动化的数字微流控生物芯片通常由计算机控制，生物或者化学专家将分析转换成序列图，计算机将序列图转换成生化协议发送给与数字微流控生物芯片连接的微流控器，微控制器再将生化协议转换成可控制电极的驱动序列，并通过电极变化对液滴进行移动从而进行分离、混合和反应等基本操作。

在之前的数字微流控生物芯片网络系统模型中，计算机与微控制器传输生化协议是通过有线传输的，这会降低该模型的效率(如图2)。之前的模型存在以下两个缺点：(1)生化协议中的液滴执行和分析结果都嵌入到用户的微控制器里，这种方式容易被非法用户通过边信道等方法攻击从而得到数据；(2)连接方式让芯片无法离开实验室，导致该芯片的应用场景会受到约束。由于数字微流控生物芯片是可编程的，可以通过生化协议算法自动控制液滴从而完成各种分析。在单个通用型数字微流控生物芯片中，是可以执行多个生化分析的。生化协议是整个数字微流控生物芯片物理网络系统模型中特别重要的知识产权，由于微流体平台快速发展，生化协议的盗窃是有利图的。所以在考虑模型便携性的同时，也需要对生化协议进行保护。

然而生化协议在微控制器与云服务器传输上是十分不安全的，需要相应的安全措施来保证数据通信的可靠性。如果不对数据进行加密，让其在不可信的平台上进行传输，将可能导致生化协议的泄露。而对于云服务器，也可能导致生化协议被非授权用户使用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种安全可移动数字微流控生物芯片网络系统及控制方法，基于SM4对称加密算法、SM2构造的数字签名算法和基于角色的访问控制，采用云平台与数字微流控生物芯片进行数据交互，实现用户获取最新生化协议以及实时的反应结果。本方法在保证生化协议安全性前提下，通过该物理网络模型实现脱离实验室的情况下进行生物或化学反应。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种安全可移动数字微流控生物芯片网络系统，包括依次连接的云服务器、微控制器和数字型微流控生物芯片；所述微控制器设置有无线模块；所述云服务器通过加密后的生化协议与设置有无线模块的微控制器数据连接。

进一步的，所述数字型微流控生物芯片包括从上之下依次设置的接地电极、疏水层、液滴、隔离层和控制电极。

进一步的，所述加密后的生化协议包括SM4对称加密算法和基于SM2的数字签名算法；所述SM4对称加密算法，用于在云服务器和微控制器中交互前进行数据加密；所述基于SM2的数字签名算法，用于系统中的身份认证。

进一步的，所述SM4对称加密算法具体为:

设所需要加密的生化协议AS＝(A_S1,A_S2,...,A_Si,...,A_Sn)，其中任意As_i为32bit，则SM4对称加密算法分成以下三个公式：