基于BLE與手機(jī)HID連接實(shí)現(xiàn)電動車無感靠近解鎖系統(tǒng)

近年來新能源電動車越來越流行，它的特點(diǎn)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(diǎn)之一^[1]。兩輪電動車和新能源車一樣，傳統(tǒng)報(bào)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(fēng)口之中^[2-3]。

1 整體設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)概述

該系統(tǒng)方案應(yīng)用于電動車藍(lán)牙報(bào)警器和手機(jī)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(jī)。車主只要帶著手機(jī)靠近，手機(jī)就會自動連接上藍(lán)牙報(bào)警器，藍(lán)牙報(bào)警器通過rssi 強(qiáng)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(shí)現(xiàn)智能化靠近無感解鎖方案。

藍(lán)牙技術(shù)是一種短距離無線通信技術(shù)，在兩輪電動車領(lǐng)域由于傳統(tǒng)報(bào)警器智能化提升需求結(jié)合藍(lán)牙技術(shù)成熟穩(wěn)定成本低特點(diǎn)，在近幾年內(nèi)迅速發(fā)展，應(yīng)用前景廣闊^[4]。本文方案以Telink Ble 藍(lán)牙8258芯片作為主控支持open 開發(fā)。TLSR8258X 系列藍(lán)牙內(nèi)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。靠近解鎖方案Ble 主控芯片設(shè)置成HID( 人機(jī)接口) 從機(jī)模式，手機(jī)作為ble 主機(jī)可自動連接HID 從機(jī)設(shè)備。Ble 藍(lán)牙報(bào)警器與手機(jī)自動連接后通過RSSI 判斷距離，用戶配合app/ 小程序可以設(shè)置合適的靠近解鎖距離。系統(tǒng)整體框圖如圖1 所示。

圖1 藍(lán)牙報(bào)警器系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體框圖

1.2 功能介紹

本文無感靠近解鎖系統(tǒng)具有以下功能：① Ble 藍(lán)牙報(bào)警器枚舉成HID 設(shè)備，首次配對后手機(jī)會自動連接Ble 報(bào)警器。②實(shí)現(xiàn)手機(jī)通過SMP 和Ble 配對連接，并通過小程序或者APP 數(shù)據(jù)鑒權(quán)安全認(rèn)證客戶合法性。③實(shí)現(xiàn)連接Ble 時可以對手機(jī)用戶身份識別( 同個藍(lán)牙報(bào)警器可以注冊多個用戶)。④實(shí)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)RSSI 設(shè)置靠近解鎖遠(yuǎn)離上鎖距離，各用戶可自主設(shè)置靠近解鎖距離(RSSI 強(qiáng)度) 適配不同手機(jī)和Ble 兼容性。⑤實(shí)現(xiàn)上鎖功能閉環(huán)邏輯設(shè)計(jì)。

2 Ble報(bào)警器枚舉成HID設(shè)備

藍(lán)牙設(shè)備中通常把主動連接的設(shè)備叫主機(jī)，被動連接的設(shè)備叫從機(jī)。主機(jī)和從機(jī)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(jī)廣播發(fā)送ADV_IND PDU（包含從機(jī)藍(lán)牙地址）主機(jī)發(fā)送掃描請求 SCAN_REQ PDU（包含從機(jī)和主機(jī)藍(lán)牙地址）從機(jī)收到掃描請求后同一個信道上回復(fù) SCAN_RSP PDU 主機(jī)接收到掃描回復(fù)信息后發(fā)送CONNECT_REQ PDU 信息廣播者接收到CONNECT_REQ PDU 后確認(rèn)建立連接指示圖如圖2 所示。廣播數(shù)據(jù)包按照ble 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議設(shè)置Appearance Values 可將ble 報(bào)警器枚舉成HID 設(shè)備，例如設(shè)置成0×0180 通用遙控器(Generic Remote Control)。

圖2 連接手機(jī)IRK識別碼打印log圖

3 SMP密鑰配對設(shè)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(jìn)行驗(yàn)證。每臺藍(lán)牙報(bào)警器會匹配一個配對pin，手機(jī)打開APP 第1 次連接藍(lán)牙報(bào)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(shè)計(jì)藍(lán)牙報(bào)警器首次連接對手機(jī)合法身份認(rèn)證不僅要輸入正確的配對pin，同時也要在30 s 內(nèi)連接上APP 進(jìn)行數(shù)據(jù)鑒權(quán)。如果沒有在規(guī)定的時間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)鑒權(quán)，藍(lán)牙報(bào)警器也會認(rèn)為時非法設(shè)備連接，自動刪除存儲在Ble 芯片flash 中的手機(jī)的配對信息，手機(jī)無法使用HID 自動連接功能。

4 手機(jī)身份識別

藍(lán)牙報(bào)警器設(shè)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(shù)設(shè)置互不影響，Ble 需要連接手機(jī)時對手機(jī)身份進(jìn)行識別。手機(jī)身份的唯一碼采用了SMP 中的IRK(Identity Resolving Key) 作為唯一標(biāo)識。每臺手機(jī)包含結(jié)構(gòu)體信息，結(jié)構(gòu)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(jī)身份識別的唯一標(biāo)識符。auto_on 靠近解鎖開關(guān)標(biāo)志位，auro_on=1 該手機(jī)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(qiáng)度，大于該信號強(qiáng)度可以作為解鎖條件、遠(yuǎn)離上鎖rssi 信號強(qiáng)度，小于該信號強(qiáng)度可作為上鎖條件。藍(lán)牙報(bào)警器打印不同連接手機(jī)的IRK 的log 信息如圖2 所示。

5 RSSI距離換算

每臺手機(jī)結(jié)構(gòu)體信息成員Hid_on_rssi和Hid_off _rssi是藍(lán)牙報(bào)警器靠近解鎖，遠(yuǎn)離上鎖的的判斷依據(jù)。它是由手機(jī)通過APP 或者小程序下發(fā)給藍(lán)牙報(bào)警器的。RSSI 換算距離公式: d = 10^((abs(RSSI) - A) / ( 10 ? n ))。其中A 為距離設(shè)備1 m 時的RSSI 絕對值。n 為環(huán)境衰減因子。按照BLE 報(bào)警器和1 臺手機(jī)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(shù)圖如圖3 所示。圖中表明RSSI 信號強(qiáng)度和距離非線性，-22～-23db對應(yīng)的距離差是1cm；-57 db ～ -58db對應(yīng)的距離差是9 cm。

圖3 距離換算函數(shù)圖

報(bào)警器靠近解鎖距離d1設(shè)置范圍1～3 m，遠(yuǎn)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(yīng)表格如表1所示。

表1 設(shè)置距離和rssi信號強(qiáng)度對應(yīng)

6 兼容性問題

BLE 和手機(jī)建立連接時RSSI 的信號強(qiáng)度會因手機(jī)兼容性和BLE 安裝環(huán)境不同而不同。不同手機(jī)和不同安裝環(huán)境都會影響RSSI 信號強(qiáng)度。為了解決兼容性問題，APP 可以在感應(yīng)解鎖頁面通過進(jìn)度條設(shè)置，不同手機(jī)可以通過進(jìn)度條設(shè)置各自合適的感應(yīng)解鎖距離。APP通過距離換算出對應(yīng)的RSSI 信號強(qiáng)度下發(fā)給藍(lán)牙報(bào)警器，藍(lán)牙報(bào)警器則通過判斷連接的手機(jī)IRK 選出該手機(jī)的信號強(qiáng)度執(zhí)行靠近解鎖操作。不同手機(jī)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(yīng)解鎖界面設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 感應(yīng)解鎖界面

7 靠近解鎖閉環(huán)設(shè)計(jì)流程

根據(jù)HID 的RSSI 靠近解鎖和遠(yuǎn)離上鎖需要在電動車電門關(guān)閉的前提下實(shí)施，為了閉環(huán)設(shè)計(jì)當(dāng)用戶電動車電門真的忘記關(guān)閉那么引入自動落鎖邏輯來實(shí)現(xiàn)自動關(guān)閉電門。電門ACC 打開超過5 min 靜止?fàn)顟B(tài)（輪動和震動傳感器信號判斷靜止?fàn)顟B(tài)），關(guān)閉ACC 電門之后進(jìn)入hid 靠近解鎖遠(yuǎn)離上鎖邏輯判斷，如果車主不在附近會自動設(shè)防。這樣的設(shè)計(jì)是讓客戶無論是在什么情況下，電動車在用戶遠(yuǎn)離后都會關(guān)閉電門上鎖，防止被盜風(fēng)險^[6]。閉環(huán)設(shè)計(jì)流程如圖5 所示。

圖5 閉環(huán)設(shè)計(jì)流程圖

8 結(jié)束語

基于BLE 與手機(jī)通信實(shí)現(xiàn)電動車無感靠近解鎖，通過HID 手機(jī)自動連接藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)，配對密鑰加數(shù)據(jù)鑒權(quán)讓系統(tǒng)有安全保證，進(jìn)度條調(diào)整感應(yīng)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(shè)計(jì)流程讓用戶不用有忘記關(guān)鎖的煩惱。整套系統(tǒng)實(shí)際測試安全有效，有效提高用戶體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年12月期）