基于藍(lán)牙低功耗技術(shù)的維修鑰匙設(shè)計(jì)*

沈　熠，陳章進(jìn),2，章鴻斌，吳志國(guó)

(1.上海大學(xué) 計(jì)算中心，上海 200444；2.上海大學(xué) 科技發(fā)展研究院，上海 200444)

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基于藍(lán)牙低功耗技術(shù)的維修鑰匙設(shè)計(jì)*

沈熠1，陳章進(jìn)1,2，章鴻斌1，吳志國(guó)1

(1.上海大學(xué) 計(jì)算中心，上海 200444；2.上海大學(xué) 科技發(fā)展研究院，上海 200444)

針對(duì)企業(yè)目前使用傳統(tǒng)鑰匙維護(hù)管理鑰匙柜存在的集中保管、安全性差等諸多問題，提出了一種基于藍(lán)牙低功耗技術(shù)的維修鑰匙的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)以移動(dòng)終端為中介，企業(yè)可以通過云平臺(tái)差異化管理遍布在各停車場(chǎng)鑰匙柜的維修鑰匙。當(dāng)鑰匙柜發(fā)生故障時(shí)，停車人員能夠通過平臺(tái)申請(qǐng)一次緊急開啟鑰匙柜的權(quán)限，使用特質(zhì)感應(yīng)片啟動(dòng)系統(tǒng)后，通過專用APP開啟鑰匙柜。該系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性、安全性，可以有效提升服務(wù)響應(yīng)度，從而提高用戶滿意度。

藍(lán)牙低功耗；智慧停車；移動(dòng)互聯(lián)

引用格式：沈熠，陳章進(jìn)，章鴻斌，等. 基于藍(lán)牙低功耗技術(shù)的維修鑰匙設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(18)：29-31，34.

0　引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，上海等大城市已經(jīng)進(jìn)入城市機(jī)動(dòng)化出行的快速發(fā)展階段，機(jī)動(dòng)車保有量和使用量的增長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了停車設(shè)施的增長(zhǎng)[1]。市中心、商業(yè)圈等人口密集區(qū)域停車難的問題嚴(yán)重影響了市民出行。在此環(huán)境下出現(xiàn)了提供代客停車服務(wù)的互聯(lián)網(wǎng)公司，建立線上停車平臺(tái)，用戶在服務(wù)區(qū)內(nèi)將機(jī)動(dòng)車和鑰匙交由專職停車員，在用車時(shí)聯(lián)系停車員取車。

停車場(chǎng)內(nèi)建有專用鑰匙柜，以對(duì)應(yīng)寄放用戶的車鑰匙，隨著用戶量的大幅增長(zhǎng)，采用人工存取方式帶來的高成本、高風(fēng)險(xiǎn)、高復(fù)雜度制約了市場(chǎng)發(fā)展。基于低功耗藍(lán)牙(Bluetooth Low Energy, BLE)的智能云鑰匙柜應(yīng)運(yùn)而生，停車員使用專用APP完成接單、存放鑰匙柜、現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)等業(yè)務(wù)流程。鑰匙柜配有一把維修鑰匙以應(yīng)對(duì)故障，同樣為了克服人工方式管理維修鑰匙的諸多問題，本文提出了一種安全性高、可靠性強(qiáng)的維修鑰匙解決方案。

1　系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)主要由云平臺(tái)、移動(dòng)端APP和中控裝置組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)

本文將重點(diǎn)對(duì)中控裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，其工作模式分為維護(hù)模式和普通模式。

(1)維護(hù)模式：該模式下APP可設(shè)置中控裝置的加密模組的私鑰，并將其加密后存儲(chǔ)至云平臺(tái)；可接受APP修改BLE模塊參數(shù)。維護(hù)模式包含普通模式的所有功能。

(2)普通模式：接收、識(shí)別、認(rèn)證、響應(yīng)和執(zhí)行APP的打開維修鑰匙柜指令。普通模式下不接受APP的重置加密密鑰的請(qǐng)求以提升系統(tǒng)安全性。

BLE協(xié)議[2]的通用訪問規(guī)范(Generic Access Profile, GAP)中定義了設(shè)備角色。中控裝置為外圍設(shè)備(Peripheral Device)，APP則為中心設(shè)備(Central Device)。中控裝置在上電后，發(fā)送廣播信號(hào)等待APP的搜索、連接和數(shù)據(jù)傳輸。通過中控裝置上的開關(guān)能夠切換其工作模式。

1.2工作流程

在安裝及維護(hù)階段，APP通過蜂窩移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，向云平臺(tái)請(qǐng)求對(duì)應(yīng)目標(biāo)停車場(chǎng)及鑰匙柜的32位索引編號(hào)和BLE模塊相關(guān)參數(shù)；待中控裝置上電后，搜索并連接，使用特定的通信協(xié)議將上述內(nèi)容發(fā)送給中控裝置；中控裝置在接收到數(shù)據(jù)通信時(shí)，識(shí)別指令類型后，執(zhí)行并響應(yīng)。設(shè)置加密模塊后，會(huì)反饋128位當(dāng)前密鑰。APP在接收到密鑰后，經(jīng)過鏈路加密及特定的數(shù)據(jù)加密處理后，發(fā)送回云平臺(tái)，云平臺(tái)負(fù)責(zé)解密及持久化。

在正常工作運(yùn)行階段，為了減緩中控裝置的老化速度以及提升安全性，中控裝置處于休眠狀態(tài)。當(dāng)霍爾開關(guān)響應(yīng)磁場(chǎng)變化后，將中控裝置上電，若在隨后的一定時(shí)間內(nèi)未收到APP合法指令，則重新進(jìn)入休眠狀態(tài)。在普通模式下，修改密鑰及BLE參數(shù)等指令仍然視為非法指令。當(dāng)接收到開鎖指令后，通過加解密模塊解密數(shù)據(jù)報(bào)文，以判斷是否符合特定規(guī)則，根據(jù)判斷結(jié)果執(zhí)行開鎖或忽略。

2　硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

中控裝置以8051架構(gòu)STC15W404S系列微控制器(MCU)為核心，其內(nèi)置了高精準(zhǔn)時(shí)鐘、一組UART、3個(gè)16位通用定時(shí)器等。其低功耗、高性能、高抗干擾性能等優(yōu)點(diǎn)符合本設(shè)計(jì)要求。

圖2　中控裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

中控裝置電路包括BLE通信電路、霍爾效應(yīng)開關(guān)電路、電源分壓電路、加解密芯片電路和開鎖驅(qū)動(dòng)電路，其硬件電路總體框圖如圖2所示。

2.1BLE通信電路

BLE通信電路主要由CC2541及外圍電路組成。它可根據(jù)要求對(duì)設(shè)備參數(shù)包括發(fā)射功率、廣播間隔、連接間隔、模塊名稱等進(jìn)行靈活配置，以建立一個(gè)鑰匙柜維護(hù)網(wǎng)絡(luò)。TI提供的低能耗協(xié)議棧(BLE-STACK)支持BLE完整的協(xié)議內(nèi)容，其中邏輯電路控制及適配規(guī)范(Logical Link Control and Adaptation Profile, L2CAP)支持的最大傳輸單元(Maximun Transmission Unit，MTU)為23 B。CC2541芯片內(nèi)置的兩組USART，可選擇配置為UART或SPI模式。為了提升中控裝置模塊化程度，降低系統(tǒng)的耦合度，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文的設(shè)計(jì)中使用BLE模塊F-9088。該模塊支持Android和iOS手機(jī)操作系統(tǒng)雙向20 B的數(shù)據(jù)透?jìng)?。使?.3 V 電源供電，通過UART接口連接MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。原理如圖3所示。

圖3　BLE通信電路

2.2霍爾效應(yīng)開關(guān)電路

維修鑰匙作為鑰匙柜最重要的組成部分之一，需要較高的隱蔽性、可靠性、安全性。隱蔽性要求中控裝置對(duì)外的接口不容易被察覺，傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)并不能滿足上述要求，本文提出的霍爾效應(yīng)開關(guān)預(yù)先將強(qiáng)磁放入中控裝置，可使用任意外觀形式的含有鐵鈷鎳材質(zhì)的物品觸發(fā)開關(guān)?？煽啃苑矫嬉笾锌匮b置能夠在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)抗老化，以及根據(jù)實(shí)際需求重啟中控設(shè)備。安全性指中控裝置應(yīng)具備一定的反破解攻擊能力。在正常工作運(yùn)行階段，霍爾效應(yīng)開關(guān)未被觸發(fā)時(shí)，APP無法搜索到鑰匙柜。在一個(gè)連接窗口期內(nèi)，當(dāng)無法發(fā)送一個(gè)合法的請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)將重新進(jìn)入掉電狀態(tài)，此時(shí)需要再次進(jìn)行開關(guān)觸發(fā)，此方式可在一定程度防止暴利攻擊。

霍爾感應(yīng)電路[3]選用AKEMD提供的HW-300B線性霍爾IC，通過兩級(jí)LM358運(yùn)放對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。原理如圖4所示。

圖4　霍爾感應(yīng)電路

通過感應(yīng)片觸發(fā)磁場(chǎng)變化后，HALL端產(chǎn)生高電平，使得繼電器吸合，隨后通過分壓電路將12 V分壓后給各模塊使用，系統(tǒng)上電完成。

2.3電源分壓電路

中控裝置的各模塊的工作電壓不一，開鎖驅(qū)動(dòng)電路工作電壓為12 V，MCU的工作電壓為5 V， BLE模塊和加密芯片的工作電壓為3.3 V。同時(shí)MCU需具備控制繼電器關(guān)閉自身電源的功能。輸入電壓為12 V，通過78L05穩(wěn)壓管分壓為5 V電壓，再經(jīng)過PJ6206-332MR穩(wěn)壓管分壓為3.3 V電壓。原理如圖5所示。

圖5　分壓電路

2.4加密芯片電路

采用Neowine公司的ENTANG-A加密芯片，支持aes-128-ecb算法[4]的加解密。芯片提供一組400 kb/s的I2C接口，MCU通過通用I/O口與加密芯片連接，使用模擬I2C方式通信。加密芯片的一個(gè)時(shí)鐘周期為250 ns，進(jìn)行一次加解密操作需要1 113個(gè)時(shí)鐘周期，性能符合設(shè)計(jì)需求。MCU與加密芯片的交互如圖6所示。

圖6　加解密交互

為了防止惡意篡改加密芯片密鑰，本文提出通過撥碼開關(guān)切換工作模式以提示MCU接受或拒絕修改密鑰指令。原理如圖7所示。

圖7　加解密電路

3　軟件設(shè)計(jì)

云平臺(tái)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)密鑰，以及提供按停車場(chǎng)、編號(hào)等方式查詢密鑰的服務(wù)。APP通過蜂窩移動(dòng)數(shù)據(jù)與云平臺(tái)交互。BLE模塊通過UART建立MCU與APP間數(shù)據(jù)透明傳輸。

3.1微控制器軟件設(shè)計(jì)

MCU主要完成指令識(shí)別、設(shè)置密鑰、開鎖等功能。MCU上電后，對(duì)I/O口、定時(shí)器、UART等片內(nèi)組件進(jìn)行初始化。需要即刻將HOLD端(P3.4)置高以保持供電。啟動(dòng)倒計(jì)時(shí)，在該時(shí)間窗口內(nèi)若未收到合法指令，則將HOLD端置低，將電源關(guān)閉，等待下一次上電。開鎖指令驗(yàn)證成功后，在開鎖信號(hào)口上保持0.3 s的高電平將鎖開啟。主程序流程如圖8所示。

圖8　主程序流程圖

3.2BLE通信數(shù)據(jù)透?jìng)?/p>

數(shù)據(jù)透?jìng)鬟^程中，MCU采用中斷方式進(jìn)行UART的收發(fā)。BLE模塊支持的MTU為20 B，將分別開辟20 B的存儲(chǔ)區(qū)域以區(qū)分收發(fā)。一個(gè)MTU的傳輸U(kuò)ART數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)間為：

(1)

式中，rbaud是UART的波特率；w為1 B的位數(shù)；lMTU為一個(gè)MTU的字節(jié)數(shù) 。當(dāng)rbaud設(shè)置為57 600 b/s時(shí)錯(cuò)誤率較低[5]，此時(shí)耗時(shí)約為2.8 ms。

為了兼顧數(shù)據(jù)吞吐量和能耗，BLE通信的連接間隔設(shè)置為100 ms，若UART在該時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)MTU的數(shù)據(jù)傳輸，則不影響B(tài)LE通信。

發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，裝載數(shù)據(jù)至發(fā)送緩沖區(qū)，將BLE模塊的RTS置低，觸發(fā)UART的發(fā)送中斷，在中斷處理函數(shù)中將各字節(jié)放入U(xiǎn)ART發(fā)送寄存器。完成最后一個(gè)字節(jié)的傳輸后將BLE模塊的RTS置高。

接收數(shù)據(jù)開始后，在中斷處理函數(shù)中將各字節(jié)裝載至接收緩沖區(qū)，并檢測(cè)BLE模塊CTS是否被置高以表示一次數(shù)據(jù)接收完成。數(shù)據(jù)接收完成后，向MCU主程序發(fā)送信號(hào)量啟動(dòng)指令識(shí)別任務(wù)。

3.3加解密軟件設(shè)計(jì)

加密模塊通過I2C協(xié)議，提供密鑰設(shè)置、加解密模式選取、加密、解密和測(cè)試功能。

MCU接收到密鑰設(shè)置指令時(shí)，首先判斷KEY_GEN(P3.2)口電平以確定中控裝置當(dāng)前是否處于維護(hù)模式，根據(jù)結(jié)果做出拒絕或執(zhí)行處理。設(shè)置密鑰時(shí)，發(fā)送4 B加密芯片密鑰生成初始化參數(shù)，最后讀取加密芯片寄存器中16 B的當(dāng)前密鑰。

MCU接收到開鎖指令時(shí)，根據(jù)交互協(xié)議提取指令中的16 B報(bào)文，經(jīng)解密后驗(yàn)證是否符合協(xié)議，根據(jù)結(jié)果做出拒絕或執(zhí)行處理。首先設(shè)置加密芯片工作模式為解密模式，發(fā)送16 B密文，在一個(gè)解密周期后讀取寄存器中的16 B明文。

4　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于藍(lán)牙低功耗技術(shù)的維修鑰匙滿足長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)抗老化的要求，具有很強(qiáng)的隱蔽性、可靠性，具有較強(qiáng)的安全性以及反暴力破解的能力，能使企業(yè)在云智能鑰匙柜的應(yīng)用中，降低維修的人員成本，提升服務(wù)響應(yīng)速度。在實(shí)際的使用環(huán)境中，距離鑰匙柜1 m的范圍內(nèi)，信號(hào)穩(wěn)定，系統(tǒng)響應(yīng)速度快。預(yù)留了升級(jí)端口，滿足后期交互協(xié)議的定期升級(jí)，以進(jìn)一步提升系統(tǒng)的安全性。

[1] 關(guān)于推進(jìn)上海市停車行業(yè)信息化工作的實(shí)施意見(滬交貨[2014]72號(hào))[R]. 上海：上海市交通港口局，上海市發(fā)展改革委員會(huì)，上海市經(jīng)濟(jì)信息化委員會(huì)，2014.

[2] Bluetooth SIG. Bluetooth specification V4.0[EB/OL]. (2010-06-30)[2016-04-20] https://www.bluetooth.org/docman/handlers/downloaddoc.ashx?doc_id=229737.

[3] 彭業(yè)輝．CMOS高精度霍爾開關(guān)電路設(shè)計(jì) [D]． 上海：上海交通大學(xué)，2014.

[4] National Institute of Standards and Technology (NIST). Federal information processing standards PUBS 127[EB/OL]. (2001-11-26)[2016-04-20] http://csrc.nist.gov/publications/fips/fips197/fips-197.pdf.

[5] Texas Instruments Inc. CC253x/4x user’s guide (Rev.F) [EB/OL]. (2014-04-09)[2016-04-20] http://www.ti.com/litv/pdf/swru191f.

Smart maintenance key design based on Bluetooth LE technology

Shen Yi1，Chen Zhangjin1,2，Zhang Hongbin1，Wu Zhiguo1

(1.Computer Center, Shanghai University, Shanghai 200444, China; 2.Science and Technology Research Academy of Shanghai University, Shanghai 200444, China)

Aiming at the problems of the traditional approach for keeping maintenance,such as collective management and security vulnerable, in this paper we propose a novel design of maintenance key that allows one-on-one remote management for key lockers all over the cooperative parking lots based on Bluetooth LE technology and Cellular network. In the emergency scenario, each trained spot personnel could reach the car keys just in three steps: requesting one-off code on APP, powering up device by well-disguised tag and calling the process of opening locker on APP. Results show that the proposed design can provide quick service response with stable and secured remote management, which would enhance user satisfaction.

Bluetooth LE; intelligent parking; mobile Internet

國(guó)家自然科學(xué)基金(00000000)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2008AA000000)

TP23

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.18.008

2016-04-22)

沈熠(1989-)，男，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：軟件工程、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

陳章進(jìn)(1968-)，男，博士，教授，主要研究方向：平板顯示與集成電路設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

章鴻斌(1967-)，男，學(xué)士，助理實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：微電子與集成電路設(shè)計(jì)、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。