基于BLE與手機HID連接實(shí)現電動(dòng)車(chē)無(wú)感靠近解鎖系統

近年來(lái)新能源電動(dòng)車(chē)越來(lái)越流行，它的特點(diǎn)首先動(dòng)力是電能，其次相對與傳統車(chē)它的智能化程度也是它的最大亮點(diǎn)之一^[1]。兩輪電動(dòng)車(chē)和新能源車(chē)一樣，傳統報警器智能化升級需求越來(lái)越大，智能化改造目前依然處于風(fēng)口之中^[2-3]。

1 整體設計

1.1 整體設計概述

該系統方案應用于電動(dòng)車(chē)藍牙報警器和手機配合使用。解鎖時(shí)無(wú)需打開(kāi)小程序或者APP，也無(wú)需刻意拿出手機。車(chē)主只要帶著(zhù)手機靠近，手機就會(huì )自動(dòng)連接上藍牙報警器，藍牙報警器通過(guò)rssi 強度判斷自動(dòng)撤防，車(chē)主坐車(chē)上按下一鍵啟動(dòng)按鍵就可以把電動(dòng)車(chē)開(kāi)走，真正實(shí)現智能化靠近無(wú)感解鎖方案。

藍牙技術(shù)是一種短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，在兩輪電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域由于傳統報警器智能化提升需求結合藍牙技術(shù)成熟穩定成本低特點(diǎn)，在近幾年內迅速發(fā)展，應用前景廣闊^[4]。本文方案以Telink Ble 藍牙8258芯片作為主控支持open 開(kāi)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@Rx fullchip，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(dòng)連接HID 從機設備。Ble 藍牙報警器與手機自動(dòng)連接后通過(guò)RSSI 判斷距離，用戶(hù)配合app/ 小程序可以設置合適的靠近解鎖距離。系統整體框圖如圖1 所示。

圖1 藍牙報警器系統設計整體框圖

1.2 功能介紹

本文無(wú)感靠近解鎖系統具有以下功能：① Ble 藍牙報警器枚舉成HID 設備，首次配對后手機會(huì )自動(dòng)連接Ble 報警器。②實(shí)現手機通過(guò)SMP 和Ble 配對連接，并通過(guò)小程序或者APP 數據鑒權安全認證客戶(hù)合法性。③實(shí)現連接Ble 時(shí)可以對手機用戶(hù)身份識別( 同個(gè)藍牙報警器可以注冊多個(gè)用戶(hù))。④實(shí)現通過(guò)調節RSSI 設置靠近解鎖遠離上鎖距離，各用戶(hù)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(shí)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(dòng)連接的設備叫主機，被動(dòng)連接的設備叫從機。主機和從機建立連接的過(guò)程通過(guò)特定的握手協(xié)議[5] 來(lái)完成。連接過(guò)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(gè)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)。

圖2 連接手機IRK識別碼打印log圖

3 SMP密鑰配對設置

SMP 配對方式有4 個(gè)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)。

該系統采用model level3 Authenticated Paring with Encryption。Level3 通過(guò)加密方式建立連接，可對身份進(jìn)行驗證。每臺藍牙報警器會(huì )匹配一個(gè)配對pin，手機打開(kāi)APP 第1 次連接藍牙報警器時(shí)，會(huì )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(shí)也要在30 s 內連接上APP 進(jìn)行數據鑒權。如果沒(méi)有在規定的時(shí)間內進(jìn)行數據鑒權，藍牙報警器也會(huì )認為時(shí)非法設備連接，自動(dòng)刪除存儲在Ble 芯片flash 中的手機的配對信息，手機無(wú)法使用HID 自動(dòng)連接功能。

4 手機身份識別

藍牙報警器設置可以同時(shí)有4 個(gè)車(chē)主用戶(hù)，1 個(gè)主車(chē)主、3 個(gè)分享車(chē)主。為了主用戶(hù)對分享用戶(hù)管理，同時(shí)各車(chē)主之間靠近解鎖參數設置互不影響，Ble 需要連接手機時(shí)對手機身份進(jìn)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(kāi)關(guān)標志位，auro_on=1 該手機打開(kāi)靠近解鎖，auto_on=0 沒(méi)有打開(kāi)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(guò)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) / ( 10 ? n ))。其中A 為距離設備1 m 時(shí)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) / (10?3.325))；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(xiàn)性，-22～-23db對應的距離差是1cm；-57 db ～ -58db對應的距離差是9 cm。

圖3 距離換算函數圖

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。

表1 設置距離和rssi信號強度對應

6 兼容性問(wèn)題

BLE 和手機建立連接時(shí)RSSI 的信號強度會(huì )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(huì )影響RSSI 信號強度。為了解決兼容性問(wèn)題，APP 可以在感應解鎖頁(yè)面通過(guò)進(jìn)度條設置，不同手機可以通過(guò)進(jìn)度條設置各自合適的感應解鎖距離。APP通過(guò)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(guò)判斷連接的手機IRK 選出該手機的信號強度執行靠近解鎖操作。不同手機不同RSSI 靈敏度，這就可以有效解決各種因素帶來(lái)的兼容性誤差影響。感應解鎖界面設計如圖4 所示。

圖4 感應解鎖界面

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(dòng)車(chē)電門(mén)關(guān)閉的前提下實(shí)施，為了閉環(huán)設計當用戶(hù)電動(dòng)車(chē)電門(mén)真的忘記關(guān)閉那么引入自動(dòng)落鎖邏輯來(lái)實(shí)現自動(dòng)關(guān)閉電門(mén)。電門(mén)ACC 打開(kāi)超過(guò)5 min 靜止狀態(tài)（輪動(dòng)和震動(dòng)傳感器信號判斷靜止狀態(tài)），關(guān)閉ACC 電門(mén)之后進(jìn)入hid 靠近解鎖遠離上鎖邏輯判斷，如果車(chē)主不在附近會(huì )自動(dòng)設防。這樣的設計是讓客戶(hù)無(wú)論是在什么情況下，電動(dòng)車(chē)在用戶(hù)遠離后都會(huì )關(guān)閉電門(mén)上鎖，防止被盜風(fēng)險^[6]。閉環(huán)設計流程如圖5 所示。

圖5 閉環(huán)設計流程圖

8 結束語(yǔ)

基于BLE 與手機通信實(shí)現電動(dòng)車(chē)無(wú)感靠近解鎖，通過(guò)HID 手機自動(dòng)連接藍牙技術(shù)實(shí)現，配對密鑰加數據鑒權讓系統有安全保證，進(jìn)度條調整感應解鎖距離可以有效解決兼容性誤差問(wèn)題，解鎖上鎖系統閉環(huán)設計流程讓用戶(hù)不用有忘記關(guān)鎖的煩惱。整套系統實(shí)際測試安全有效，有效提高用戶(hù)體驗。

參考文獻：

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[4] 錢(qián)志鴻,楊帆,周求湛.藍牙技術(shù)原理開(kāi)發(fā)與應用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

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

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年12月期）