基于BLE與手機HID連接實現電動車無感靠近解鎖系統(tǒng)

祝必梁

摘要：藍牙報警器為兩輪電動車控制器。基本功能包含電動車的設防、撤防、開電門、關電門、輪動信號檢測、鎖電機信號輸出。Ble是作為藍牙報警器的主控單元。無感解鎖功能實現是通過Ble作為HID設備和手機系統(tǒng)層自動連接，通過RSSI信號強度作為手機靠近解鎖距離設置依據。當多個用戶手機無感靠近解鎖，Ble可以通過IRK對各手機進行身份識別。手機第1次連接BLE時需要通過SMP輸入配對密鑰，并且需要配合APP或者小程序進行數據鑒權，整個流程閉環(huán)操作。讓用戶把手機作為靠近解鎖的鑰匙安全有效，體驗方便快捷。

關鍵詞：藍牙報警器；無感解鎖；HID設備

近年來新能源電動車越來越流行，它的特點首先動力是電能，其次相對與傳統(tǒng)車它的智能化程度也是它的最大亮點之一[1]。兩輪電動車和新能源車一樣，傳統(tǒng)報警器智能化升級需求越來越大，智能化改造目前依然處于風口之中[2-3]。

1整體設計

1.1整體設計概述

該系統(tǒng)方案應用于電動車藍牙報警器和手機配合使用。解鎖時無需打開小程序或者 APP ，也無需刻意拿出手機。車主只要帶著手機靠近，手機就會自動連接上藍牙報警器，藍牙報警器通過rssi強度判斷自動撤防，車主坐車上按下一鍵啟動按鍵就可以把電動車開走，真正實現智能化靠近無感解鎖方案。

藍牙技術是一種短距離無線通信技術，在兩輪電動車領域由于傳統(tǒng)報警器智能化提升需求結合藍牙技術成熟穩(wěn)定成本低特點，在近幾年內迅速發(fā)展，應用前景廣闊[4]。本文方案以TelinkBle藍牙8258芯片作為主控支持 open 開發(fā)。TLSR8258X 系列藍牙內嵌LDO和DCDC供電1.8-3.6 V，支持低功耗 ：5.3 mA@Rxfullchip，4.8 mA@Tx 0 dBm fullchip，<1 μA@Sleep+SRAM，0.4 μA@Sleep?？拷怄i方案Ble主控芯片設置成 HID（ 人機接口 ） 從機模式，手機作為ble主機可自動連接 HID 從機設備。Ble藍牙報警器與手機自動連接后通過 RSSI 判斷距離，用戶配合 app/ 小程序可以設置合適的靠近解鎖距離。系統(tǒng)整體框圖如圖 1 所示。

1.2 功能介紹

本文無感靠近解鎖系統(tǒng)具有以下功能：①Ble藍牙報警器枚舉成 HID 設備，首次配對后手機會自動連接Ble報警器。②實現手機通過 SMP 和Ble配對連接，并通過小程序或者 APP 數據鑒權安全認證客戶合法性。③實現連接Ble時可以對手機用戶身份識別（同個藍牙報警器可以注冊多個用戶）。④實現通過調節(jié) RSSI 設置靠近解鎖遠離上鎖距離，各用戶可自主設置靠近解鎖距離（RSSI 強度）適配不同手機和Ble兼容性。⑤實現上鎖功能閉環(huán)邏輯設計。

2 Ble報警器枚舉成HID設備

藍牙設備中通常把主動連接的設備叫主機，被動連接的設備叫從機。主機和從機建立連接的過程通過特定的握手協(xié)議[5]來完成。連接過程：從機廣播發(fā)送 ADV_IND PDU （包含從機藍牙地址）主機發(fā)送掃描請求 SCAN_REQ PDU （包含從機和主機藍牙地址）從機收到掃描請求后同一個信道上回復 SCAN_RSP PDU 主機接收到掃描回復信息后發(fā)送 CONNECT_REQ PDU 信息廣播者接收到 CONNECT_REQ PDU 后確認建立連接指示圖如圖2所示。廣播數據包按照ble標準協(xié)議設置 Appearance Values 可將ble報警器枚舉成 HID 設備，例如設置成0×0180通用遙控器（Generic Remote Control）。

3 SMP密鑰配對設置

SMP 配對方式有4個級別的安全等級。

A：no authenticated and no encryption（model level1）。

B ： unauthenticated paring with encryption（model level2）。

C ： authenticated paring with Encryption（model level3）。

D ： authenticated le secure connections（model level4）。

該系統(tǒng)采用 model level3 Authenticated Paring with Encryption 。Level3通過加密方式建立連接，可對身份進行驗證。每臺藍牙報警器會匹配一個配對 pin ，手機打開 APP 第1次連接藍牙報警器時，會提示需要輸入配對 pin，輸入正確 pin 后可配對成功。為了安全設計藍牙報警器首次連接對手機合法身份認證不僅要輸入正確的配對 pin，同時也要在30 s 內連接上 APP 進行數據鑒權。如果沒有在規(guī)定的時間內進行數據鑒權，藍牙報警器也會認為時非法設備連接，自動刪除存儲在Ble芯片 flash 中的手機的配對信息，手機無法使用 HID 自動連接功能。

4手機身份識別

藍牙報警器設置可以同時有4個車主用戶，1個主車主、3個分享車主。為了主用戶對分享用戶管理，同時各車主之間靠近解鎖參數設置互不影響，Ble需要連接手機時對手機身份進行識別。手機身份的唯一碼采用了 SMP 中的 IRK（Identity Resolving Key）作為唯一標識。每臺手機包含結構體信息，結構體定義如下：

struct{

u8 phone_IRK[16];

u8 auto_on;

u8 Hid_on_rssi;

u8 Hid_off_rssi;

}phone_info_t;

IRK 作為手機身份識別的唯一標識符。auto_on靠近解鎖開關標志位，auro_on=1該手機打開靠近解鎖，auto_on=0沒有打開靠近解鎖功能、靠近解鎖rssi信號強度，大于該信號強度可以作為解鎖條件、遠離上鎖rssi信號強度，小于該信號強度可作為上鎖條件。

藍牙報警器打印不同連接手機的 IRK 的 log 信息如圖2所示。

5 RSSI距離換算

每臺手機結構體信息成員Hid_on_rssi和Hid_off_ rssi是藍牙報警器靠近解鎖，遠離上鎖的的判斷依據。它是由手機通過 APP 或者小程序下發(fā)給藍牙報警器的。 RSSI 換算距離公式： d =10^（（abs（RSSI）-A）/（10n ））。其中 A 為距離設備1 m 時的 RSSI 絕對值。n 為環(huán)境衰減因子。按照 BLE 報警器和1臺手機測試換算 A =50，n =3.325. RSSI 和 d 具體換算公式： d =10^（（abs（RSSI）-50）/（ 103.325））； RSSI = log10（d）*（10*3.325）+50。 RSSI 距離換算函數圖如圖3所示。圖中表明 RSSI 信號強度和距離非線性，-22～-23 db對應的距離差是1 cm ；-57 db ～-58 db對應的距離差是9 cm。

報警器靠近解鎖距離 d1設置范圍1～3 m，遠離上鎖的距離 d2=d1+3（ m ）。按照 RSSI 公式理論換算部分距離和 RSSI 對應表格如表1所示。

6兼容性問題

BLE 和手機建立連接時 RSSI 的信號強度會因手機兼容性和 BLE 安裝環(huán)境不同而不同。不同手機和不同安裝環(huán)境都會影響 RSSI 信號強度。為了解決兼容性問題，APP 可以在感應解鎖頁面通過進度條設置，不同手機可以通過進度條設置各自合適的感應解鎖距離。APP 通過距離換算出對應的 RSSI 信號強度下發(fā)給藍牙報警器，藍牙報警器則通過判斷連接的手機 IRK 選出該手機的信號強度執(zhí)行靠近解鎖操作。不同手機不同 RSSI 靈敏度，這就可以有效解決各種因素帶來的兼容性誤差影響。感應解鎖界面設計如圖4所示。

7靠近解鎖閉環(huán)設計流程

根據 HID 的 RSSI 靠近解鎖和遠離上鎖需要在電動車電門關閉的前提下實施，為了閉環(huán)設計當用戶電動車電門真的忘記關閉那么引入自動落鎖邏輯來實現自動關閉電門。電門 ACC 打開超過5 min 靜止狀態(tài)（輪動和震動傳感器信號判斷靜止狀態(tài)），關閉 ACC 電門之后進入 hid 靠近解鎖遠離上鎖邏輯判斷，如果車主不在附近會自動設防。這樣的設計是讓客戶無論是在什么情況下，電動車在用戶遠離后都會關閉電門上鎖，防止被盜風險[6]。閉環(huán)設計流程如圖5所示。

8結束語

基于 BLE 與手機通信實現電動車無感靠近解鎖，通過 HID 手機自動連接藍牙技術實現，配對密鑰加數據鑒權讓系統(tǒng)有安全保證，進度條調整感應解鎖距離可以有效解決兼容性誤差問題，解鎖上鎖系統(tǒng)閉環(huán)設計流程讓用戶不用有忘記關鎖的煩惱。整套系統(tǒng)實際測試安全有效，有效提高用戶體驗。

參考文獻：

[1]劉瑾.新能源車發(fā)展勢頭未減全年有望實現平穩(wěn)發(fā)展[J].新能源科技，2022（5）：7-8.

[2]李建中，高宏.無線傳感器網絡的研究進展[J].計算機研究與發(fā)展， 2008（1）：39-44.

[3]余愿，劉芳.傳感器原理與檢測技術[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2017.

[4]錢志鴻，楊帆，周求湛.藍牙技術原理開發(fā)與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[5]諶雙雙，陳澤茂，王浩.一種高效的無線傳輸層安全握手協(xié)議[J].計算機工程，2011，37（16）：123-125.

[6]徐光洪，譚巧，李佳怡，等.運用NB-IOT技術的電動車智能防盜報警系統(tǒng)設計[J].寧德師范學院學報（自然科學版），2021，33（1）：30-35.