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

祝必梁

摘要：藍(lán)牙報(bào)警器為兩輪電動(dòng)車控制器。基本功能包含電動(dòng)車的設(shè)防、撤防、開電門、關(guān)電門、輪動(dòng)信號(hào)檢測(cè)、鎖電機(jī)信號(hào)輸出。Ble是作為藍(lán)牙報(bào)警器的主控單元。無(wú)感解鎖功能實(shí)現(xiàn)是通過(guò)Ble作為HID設(shè)備和手機(jī)系統(tǒng)層自動(dòng)連接，通過(guò)RSSI信號(hào)強(qiáng)度作為手機(jī)靠近解鎖距離設(shè)置依據(jù)。當(dāng)多個(gè)用戶手機(jī)無(wú)感靠近解鎖，Ble可以通過(guò)IRK對(duì)各手機(jī)進(jìn)行身份識(shí)別。手機(jī)第1次連接BLE時(shí)需要通過(guò)SMP輸入配對(duì)密鑰，并且需要配合APP或者小程序進(jìn)行數(shù)據(jù)鑒權(quán)，整個(gè)流程閉環(huán)操作。讓用戶把手機(jī)作為靠近解鎖的鑰匙安全有效，體驗(yàn)方便快捷。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙報(bào)警器；無(wú)感解鎖；HID設(shè)備

近年來(lái)新能源電動(dòng)車越來(lái)越流行，它的特點(diǎn)首先動(dòng)力是電能，其次相對(duì)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(dòng)車和新能源車一樣，傳統(tǒng)報(bào)警器智能化升級(jí)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(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(dòng)車藍(lán)牙報(bào)警器和手機(jī)配合使用。解鎖時(shí)無(wú)需打開小程序或者 APP ，也無(wú)需刻意拿出手機(jī)。車主只要帶著手機(jī)靠近，手機(jī)就會(huì)自動(dòng)連接上藍(lán)牙報(bào)警器，藍(lán)牙報(bào)警器通過(guò)rssi強(qiáng)度判斷自動(dòng)撤防，車主坐車上按下一鍵啟動(dòng)按鍵就可以把電動(dòng)車開走，真正實(shí)現(xiàn)智能化靠近無(wú)感解鎖方案。

藍(lán)牙技術(shù)是一種短距離無(wú)線通信技術(shù)，在兩輪電動(dòng)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TelinkBle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@Rxfullchip，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(dòng)連接 HID 從機(jī)設(shè)備。Ble藍(lán)牙報(bào)警器與手機(jī)自動(dòng)連接后通過(guò) 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。

1.2 功能介紹

本文無(wú)感靠近解鎖系統(tǒng)具有以下功能：①Ble藍(lán)牙報(bào)警器枚舉成 HID 設(shè)備，首次配對(duì)后手機(jī)會(huì)自動(dòng)連接Ble報(bào)警器。②實(shí)現(xiàn)手機(jī)通過(guò) SMP 和Ble配對(duì)連接，并通過(guò)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(shí)可以對(duì)手機(jī)用戶身份識(shí)別（同個(gè)藍(lán)牙報(bào)警器可以注冊(cè)多個(gè)用戶）。④實(shí)現(xiàn)通過(guò)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(dòng)連接的設(shè)備叫主機(jī)，被動(dòng)連接的設(shè)備叫從機(jī)。主機(jī)和從機(jī)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(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(qǐng)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(qǐng)求后同一個(gè)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）。

3 SMP密鑰配對(duì)設(shè)置

SMP 配對(duì)方式有4個(gè)級(jí)別的安全等級(jí)。

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(guò)加密方式建立連接，可對(duì)身份進(jìn)行驗(yàn)證。每臺(tái)藍(lán)牙報(bào)警器會(huì)匹配一個(gè)配對(duì) pin ，手機(jī)打開 APP 第1次連接藍(lán)牙報(bào)警器時(shí)，會(huì)提示需要輸入配對(duì) pin，輸入正確 pin 后可配對(duì)成功。為了安全設(shè)計(jì)藍(lán)牙報(bào)警器首次連接對(duì)手機(jī)合法身份認(rèn)證不僅要輸入正確的配對(duì) pin，同時(shí)也要在30 s 內(nèi)連接上 APP 進(jìn)行數(shù)據(jù)鑒權(quán)。如果沒(méi)有在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)鑒權(quán)，藍(lán)牙報(bào)警器也會(huì)認(rèn)為時(shí)非法設(shè)備連接，自動(dòng)刪除存儲(chǔ)在Ble芯片 flash 中的手機(jī)的配對(duì)信息，手機(jī)無(wú)法使用 HID 自動(dòng)連接功能。

4手機(jī)身份識(shí)別

藍(lán)牙報(bào)警器設(shè)置可以同時(shí)有4個(gè)車主用戶，1個(gè)主車主、3個(gè)分享車主。為了主用戶對(duì)分享用戶管理，同時(shí)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(shí)對(duì)手機(jī)身份進(jìn)行識(shí)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(shí)。每臺(tái)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(shí)別的唯一標(biāo)識(shí)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(méi)有打開靠近解鎖功能、靠近解鎖rssi信號(hào)強(qiáng)度，大于該信號(hào)強(qiáng)度可以作為解鎖條件、遠(yuǎn)離上鎖rssi信號(hào)強(qiáng)度，小于該信號(hào)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(tái)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(guò) 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）/（10n ））。其中 A 為距離設(shè)備1 m 時(shí)的 RSSI 絕對(duì)值。n 為環(huán)境衰減因子。按照 BLE 報(bào)警器和1臺(tái)手機(jī)測(cè)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(shù)圖如圖3所示。圖中表明 RSSI 信號(hào)強(qiáng)度和距離非線性，-22～-23 db對(duì)應(yīng)的距離差是1 cm ；-57 db ～-58 db對(duì)應(yīng)的距離差是9 cm。

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(duì)應(yīng)表格如表1所示。

6兼容性問(wèn)題

BLE 和手機(jī)建立連接時(shí) RSSI 的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)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(huì)影響 RSSI 信號(hào)強(qiáng)度。為了解決兼容性問(wèn)題，APP 可以在感應(yīng)解鎖頁(yè)面通過(guò)進(jìn)度條設(shè)置，不同手機(jī)可以通過(guò)進(jìn)度條設(shè)置各自合適的感應(yīng)解鎖距離。APP 通過(guò)距離換算出對(duì)應(yīng)的 RSSI 信號(hào)強(qiáng)度下發(fā)給藍(lán)牙報(bào)警器，藍(lán)牙報(bào)警器則通過(guò)判斷連接的手機(jī) IRK 選出該手機(jī)的信號(hào)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(lái)的兼容性誤差影響。感應(yīng)解鎖界面設(shè)計(jì)如圖4所示。

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(dòng)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(dòng)車電門真的忘記關(guān)閉那么引入自動(dòng)落鎖邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閉電門。電門 ACC 打開超過(guò)5 min 靜止?fàn)顟B(tài)（輪動(dòng)和震動(dòng)傳感器信號(hào)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(huì)自動(dòng)設(shè)防。這樣的設(shè)計(jì)是讓客戶無(wú)論是在什么情況下，電動(dòng)車在用戶遠(yuǎn)離后都會(huì)關(guān)閉電門上鎖，防止被盜風(fēng)險(xiǎn)[6]。閉環(huán)設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

8結(jié)束語(yǔ)

基于 BLE 與手機(jī)通信實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車無(wú)感靠近解鎖，通過(guò) HID 手機(jī)自動(dòng)連接藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)，配對(duì)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(wèn)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(cè)試安全有效，有效提高用戶體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]李建中，高宏.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展， 2008（1）：39-44.

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

[4]錢志鴻，楊帆，周求湛.藍(lán)牙技術(shù)原理開發(fā)與應(yīng)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)線傳輸層安全握手協(xié)議[J].計(jì)算機(jī)工程，2011，37（16）：123-125.

[6]徐光洪，譚巧，李佳怡，等.運(yùn)用NB-IOT技術(shù)的電動(dòng)車智能防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].寧德師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，33（1）：30-35.