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 朱正偉  錢(qián)  露  張  南  郭  楓  周謝益

（常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇常州213164）

摘要：針對(duì)汽車(chē)電子應(yīng)用中藍(lán)牙設(shè)備連接速度慢、操作冗余等問(wèn)題，提出了一種利用近場(chǎng)通信( NFC)技術(shù)加速藍(lán)牙連接的方法。該方法采用基于Android系統(tǒng)的NFC通信技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)藍(lán)牙，完成數(shù)據(jù)傳輸前的設(shè)備搜索、選擇、配對(duì)、安全檢測(cè)等一系列繁瑣工作；利用NFC點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和高速傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，大幅縮減藍(lán)牙的搜索時(shí)間并完成PIN碼的交換；利用NFC超短通信距離的特點(diǎn)、橢圓曲線加密( ECC)算法以及Android系統(tǒng)讀取SIM安全碼技術(shù)，加強(qiáng)連接的安全性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法應(yīng)用于車(chē)載藍(lán)牙連接的可行性及安全性，表明該方法可以大幅縮減藍(lán)牙連接的時(shí)間，并在一定程度上提高了連接的安全性。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)電子通信藍(lán)牙無(wú)線射頻識(shí)別移動(dòng)通信終端橢圓曲線加密算法

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391；TH86DOI:10. 16086/j．cnki．issnl000 - 0380. 201604016

0引言

 近年來(lái)，隨著人們對(duì)汽車(chē)智能化體驗(yàn)提出更高的要求，汽車(chē)電子領(lǐng)域發(fā)展加快，進(jìn)一步促進(jìn)電子、通信等技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用。藍(lán)牙通信技術(shù)一直以來(lái)都是車(chē)載通信的主要無(wú)線技術(shù)。傳統(tǒng)的車(chē)載藍(lán)牙依靠手機(jī)與車(chē)載藍(lán)牙進(jìn)行人工的對(duì)碼連接，步驟繁瑣，且經(jīng)常出現(xiàn)卡死或者連接不上等狀況，這些都極大地降低了交互體驗(yàn)。而最近幾年，近場(chǎng)通信( near field

communication，NFC)技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，趨于成熟。NFC技術(shù)是由飛利浦公司和索尼公司共同研究開(kāi)發(fā)出的一種互聯(lián)技術(shù)，用于非接觸式的識(shí)別。作為一種標(biāo)準(zhǔn)化的短距離高頻無(wú)線通信技術(shù)，NFC技術(shù)的工作頻率為13. 56 MHz，通信距離為5~10 cm。相比較其他的射頻識(shí)別( radio frequency identification，RFID)技術(shù)，NFC具有讀寫(xiě)距離極短的特點(diǎn)，然而這種

看似的劣勢(shì)本身就限制了潛在黑客的監(jiān)聽(tīng)與攻擊，安全性更高。如果能巧妙利用這兩種通信技術(shù)的特點(diǎn)，將帶來(lái)更好的用戶體驗(yàn)以及通信安全性，并提高汽車(chē)電子在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。因此，將NFC技術(shù)應(yīng)用于移動(dòng)支付領(lǐng)域成為了研究熱點(diǎn)。

1 NFC技術(shù)方案

1.1 NFC工作模式

 NFC在卡模擬模式、讀寫(xiě)器模式、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模式這3種模式下工作。

 (1)卡模擬模式。NFC在卡模擬工作模式下相當(dāng)于非接觸式IC卡，將某些信息寫(xiě)入帶有NFC設(shè)備的移動(dòng)設(shè)備，信息被外部設(shè)備讀取之后再返回指導(dǎo)下一步操作的指令。因此，不需要改變現(xiàn)有設(shè)備就能夠使用NFC移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行移動(dòng)支付等活動(dòng)。 (2)讀寫(xiě)器模式。NFC在讀寫(xiě)器模式下相當(dāng)于可以讀寫(xiě)的標(biāo)簽，比如電子海報(bào)、景點(diǎn)地圖等，將廣告數(shù)據(jù)、地圖數(shù)據(jù)寫(xiě)入NFC標(biāo)簽中，手持NFC移動(dòng)設(shè)備可以對(duì)其進(jìn)行讀取，以此獲得需要的信息。

 (3)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式。NFC在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式下，能夠?qū)崿F(xiàn)兩臺(tái)帶有NFC移動(dòng)設(shè)備之間數(shù)據(jù)的傳輸與通信。比如兩臺(tái)設(shè)備交換名片或者幫助兩臺(tái)藍(lán)牙設(shè)備之間的連接，通過(guò)交換藍(lán)牙連接必須的數(shù)據(jù)，以避免藍(lán)牙連接時(shí)繁冗的操作過(guò)程。

1.2 NFC通信模式

 (1)主動(dòng)通信模式。NFC在主動(dòng)通信模式下，發(fā)起方和接收方交替產(chǎn)生射頻場(chǎng)，發(fā)起方按照預(yù)先設(shè)置的傳輸速度進(jìn)行通信，接收方也需要按照相同的傳輸速度用負(fù)載調(diào)制數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)答。

 (2)被動(dòng)通信模式。NFC在被動(dòng)通信模式下，發(fā)送方產(chǎn)生射頻場(chǎng)。該射頻場(chǎng)激勵(lì)接收方設(shè)備。此時(shí)，發(fā)送方再按照約定的速度開(kāi)始通信，而接收方按照相同速度用負(fù)載調(diào)制數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)答。

1.3 NFC架構(gòu)

 NFC技術(shù)基于非接觸式技術(shù)，并可以兼容非接觸式IC卡標(biāo)準(zhǔn)（IS0 14443協(xié)定）無(wú)線通信技術(shù)。該技術(shù)已成為正式的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，即IS0 18092標(biāo)準(zhǔn)（NFCIP -1）。NFC技術(shù)的架構(gòu)，自下而上包括物理層、數(shù)據(jù)交換層、應(yīng)用層。最底層物理層的標(biāo)準(zhǔn)包括IS0 14443、ISO18092、IS0 15693，如圖1所示。數(shù)據(jù)交換層主要包括讓NFC設(shè)備在3種模式下進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。NFC架構(gòu)圖如圖1所示。

2  基于Android的NFC終端

 由于NFC在電子消費(fèi)領(lǐng)域需求的膨脹，將NFC技術(shù)與手機(jī)結(jié)合的呼聲也漸漸變高。這種結(jié)合不僅使得智能手機(jī)在電子消費(fèi)領(lǐng)域得以應(yīng)用，也將在無(wú)形之中提高這種智能設(shè)備在生活中的重要性。具有NFC的智能移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用于非接觸式支付時(shí)，能夠代替信用卡以及電子智能卡。除此之外，該智能移動(dòng)設(shè)備還能在身份識(shí)別、社交、公交卡等實(shí)際生活中有所應(yīng)用。

 NFC終端和普通的Android設(shè)備終端基本相似，只是增加了NFC模塊，以實(shí)現(xiàn)其功能。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。NFC模塊具有通信接口和控制接口，通過(guò)UART實(shí)現(xiàn)其與基帶芯片的通信，通過(guò)基帶芯片GPIO實(shí)現(xiàn)對(duì)NFC模塊的啟動(dòng)控制。NFC芯片通過(guò)SWP接口和手機(jī)SIM卡相連接，而手機(jī)SIM卡則是作為NFC模塊的安全保證，將用戶的信息存儲(chǔ)在SIM卡

中，NFC模塊能夠通過(guò)SWP接口讀取其中的信息。

 基帶芯片是標(biāo)準(zhǔn)手機(jī)的基礎(chǔ)模塊，能收發(fā)和處理數(shù)據(jù)通信，并提供了與存儲(chǔ)器模塊、電源模塊、SD卡、WiFi模塊、藍(lán)牙模塊、NFC模塊、SIM卡等的接口。

 NFC模塊主要包括電源模塊、射頻模塊、基帶處理器模塊。電源模塊為NFC模塊供電并控制電源；射頻模塊將基帶信息調(diào)制后發(fā)射，并接收解調(diào)返回的射頻信息；基帶處理器模塊負(fù)責(zé)將信息進(jìn)行編碼，并對(duì)接收的數(shù)據(jù)信息解碼。

2.1 NFC模塊與基帶芯片連接

 基帶芯片實(shí)現(xiàn)了對(duì)NFC模塊的完全控制，UART通信只需要通過(guò)兩根傳輸線，就可以完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。由于UART接口設(shè)計(jì)方式較為靈活便捷，傳輸速率也可以通過(guò)軟件來(lái)進(jìn)行定義。因此，使用UART接口將NFC模塊與基帶芯片連接，既便于基帶芯片對(duì)NFC模塊的控制，也不妨礙手機(jī)的其他功能。

2.2 NFC模塊與SIM卡連接

 模塊連接圖如圖3所示。SIM卡作為重要安全模塊，通過(guò)SWP接口與NFC模塊連接，由NFC通過(guò)SWP[5]接口讀取SIM卡中在預(yù)先存儲(chǔ)的安全信息。通過(guò)SIM卡上的C6引腳（即SWP）與NFC控制器連接，實(shí)現(xiàn)全雙工通信。SIM卡的RST、CLK、I/O直接與基帶芯片連接，SWP與NFC模塊連接。

3 NFC與藍(lán)牙技術(shù)結(jié)合方案

 本課題設(shè)計(jì)的基于NFC與藍(lán)牙技術(shù)解決車(chē)載應(yīng)用的主要功能，是利用NFC短距離通信安全、便捷、迅速的特點(diǎn)，代替藍(lán)牙傳輸連接過(guò)程中搜索設(shè)備、配對(duì)等復(fù)雜的操作。在NFC基礎(chǔ)上，不使用藍(lán)牙規(guī)范自帶的加密機(jī)制，發(fā)送方設(shè)備在傳輸數(shù)據(jù)前，先通過(guò)NFC觸碰方式向接收方設(shè)備發(fā)送藍(lán)牙MAC地址，以避免PIN碼的產(chǎn)生；在短時(shí)間的連接配對(duì)后，將數(shù)據(jù)使用藍(lán)牙非安全模式發(fā)送給對(duì)方。

3.1 NFC與藍(lán)牙硬件連接

 藍(lán)牙終端能夠通過(guò)NFC進(jìn)行快速配對(duì)連接，主要是依據(jù)了NFC聯(lián)盟提出的簡(jiǎn)單安全配對(duì)協(xié)議( bluetooth secure simple pairing，SSP)。由于SSP協(xié)議是啟用頻外配對(duì)，NFC鏈路可以完成信息交換并參與頻外配對(duì)的過(guò)程。因此，藍(lán)牙終端的配對(duì)不再需要繁瑣的搜索連接以及PIN碼認(rèn)證。

 由于目前Android 4.0版本內(nèi)部建立藍(lán)牙進(jìn)階音效廣播協(xié)議(advanced audio distribution profile，A2DP)，更是方便了利用NFC加速藍(lán)牙配對(duì)的過(guò)程。配對(duì)過(guò)程包括以下兩個(gè)步驟：首先從外部存儲(chǔ)器中讀取NFC數(shù)據(jù)交換格式(NFC data exchange format，NDEF)記錄，然后在兩個(gè)藍(lán)牙終端間進(jìn)行連接配對(duì)。硬件連接圖如圖4所示。

3.2基于NFC車(chē)載藍(lán)牙快速連接

 NFC技術(shù)與藍(lán)牙技術(shù)的優(yōu)劣互補(bǔ)，能夠加速車(chē)載藍(lán)牙的連接速度。連接終端所使用的藍(lán)牙技術(shù)中的簡(jiǎn)單安全配對(duì)( secure simple protocol，SSP)協(xié)議，是2011年SIG及NFC論壇推薦的基于NFC的藍(lán)牙連接協(xié)議。SSP協(xié)議使用頻外配對(duì)時(shí)，NFC鏈路就可參與到頻外配對(duì)，并且完成信息交換。因此，藍(lán)牙終端的配對(duì)無(wú)需再搜索連接及PIN碼認(rèn)證，可大大縮短連接的時(shí)間。

軟件流程圖如圖5所示，主要包括以下幾個(gè)步驟。

 ①由處理芯片生成SSP協(xié)議中規(guī)定的藍(lán)牙OOB數(shù)據(jù)包。該數(shù)據(jù)包包含2字節(jié)的OOB數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、6字節(jié)的藍(lán)牙器件地址和OOB操作數(shù)據(jù)。其中，OOB操作數(shù)據(jù)包含藍(lán)牙模塊名稱、HASH C碼、R碼、UUID（藍(lán)牙中每個(gè)服務(wù)及其屬性的全球唯一身份編碼，此處使用藍(lán)牙連接過(guò)程服務(wù)的UUID）以及設(shè)備等級(jí)碼。

 ②OOB數(shù)據(jù)生成完畢后，處理器再將OOB數(shù)據(jù)包根據(jù)NFC數(shù)據(jù)交換格式(NDEF)打包成一條完整的NDEF記錄，由手持終端A的NFC模塊發(fā)送。

 ③發(fā)送完成后手持終端A控制藍(lán)牙Socket的listen函數(shù)進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)等待狀態(tài)。

 4手持終端的藍(lán)牙模塊則通過(guò)accept函數(shù)接收車(chē)載終端的連接請(qǐng)求，向系統(tǒng)注冊(cè)程序UUID，并開(kāi)啟發(fā)送數(shù)據(jù)線程。

 為了加強(qiáng)系統(tǒng)安全性，將橢圓曲線( elliptic curvecryptography，ECC)加密算法加入連接配對(duì)過(guò)程。使用這種加密算法，手持終端在傳輸OOB數(shù)據(jù)前，先通過(guò)NFC觸碰方式向接收方設(shè)備傳遞ECC密鑰。車(chē)載終端根據(jù)接收到的ECC密鑰正確解密后，解析手持終端的記錄中包含的OOB信息，根據(jù)OOB信息中的藍(lán)牙名稱、地址以及唯一的UUID數(shù)據(jù)，通過(guò)藍(lán)牙Socket中的connect函數(shù)，向手持終端申請(qǐng)連接請(qǐng)求。對(duì)所傳輸數(shù)據(jù)可采用密鑰進(jìn)行加密，再將加密后的信息使用藍(lán)牙非安全模式發(fā)送給對(duì)方，接收方接到后進(jìn)行解密，還原數(shù)據(jù)，由此完成兩設(shè)備間的數(shù)據(jù)發(fā)送。這將在提高藍(lán)牙連接速度的同時(shí)極大地提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩�性�?

3.3測(cè)試及結(jié)果分析

 本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通過(guò)NFC來(lái)加速藍(lán)牙配對(duì)連接過(guò)程。下面對(duì)傳統(tǒng)藍(lán)牙配對(duì)傳輸、NFC加藍(lán)牙傳輸兩種方案進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。兩種方案耗時(shí)測(cè)試圖如圖6所示。

 測(cè)試所使用的平臺(tái)是帶有NFC模塊及藍(lán)牙模塊的OK6410開(kāi)發(fā)板（模擬車(chē)載系統(tǒng)）和自帶NFC以及藍(lán)牙模塊的中興NX505J（CPU主頻為2.5 GHz，內(nèi)存為2 GB）智能手機(jī)，分別配置了Android 4.0系統(tǒng)。為了減少測(cè)試的誤差，本測(cè)試設(shè)計(jì)使用傳統(tǒng)藍(lán)牙方式時(shí)以觸碰屏幕開(kāi)始計(jì)時(shí)，發(fā)送方接收到回送數(shù)據(jù)停止計(jì)時(shí)；使用NFC加藍(lán)牙方式時(shí)，以NFC觸碰開(kāi)始計(jì)時(shí)，發(fā)送方接收到回送數(shù)據(jù)停止計(jì)時(shí)。計(jì)時(shí)停止后，將時(shí)間值傳送給上位機(jī)（使用VB. NET平臺(tái)制作）保存，全部數(shù)據(jù)接收完畢后，上位機(jī)自動(dòng)調(diào)用Matlab 7.0插件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出結(jié)果。測(cè)試全程采用機(jī)器計(jì)時(shí)，減少人工計(jì)時(shí)的誤差。

 測(cè)試1：測(cè)試在藍(lán)牙未配對(duì)的情況下兩種方式的藍(lán)牙連接耗時(shí)并加以分析。為避免人工操作中設(shè)備觸碰、點(diǎn)擊屏幕等動(dòng)作的延時(shí)造成的誤差，對(duì)連接計(jì)時(shí)進(jìn)行了20次測(cè)試，并取平均值。對(duì)比結(jié)果如表1所示。

 測(cè)試2：為分析出兩種方案的耗時(shí)區(qū)別在哪個(gè)階段，測(cè)試了在藍(lán)牙已配對(duì)的情況下，兩種方式的藍(lán)牙連接耗時(shí)，并加以分析。為避免誤差，對(duì)連接計(jì)時(shí)進(jìn)行了20次測(cè)試，并取平均值，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

 根據(jù)表2可知，對(duì)于兩種連接方法，在已配對(duì)的藍(lán)牙建立上層Socket連接的耗時(shí)就發(fā)送方而言幾乎差不多，而對(duì)接收方來(lái)說(shuō)采用NFC加藍(lán)牙的稍勝一籌。其中的時(shí)間差是由于傳統(tǒng)藍(lán)牙方案的接收方需作為服務(wù)器等待發(fā)送方發(fā)出請(qǐng)求，故需要先于發(fā)送方開(kāi)啟并等待；而NFC加藍(lán)牙方案則是發(fā)送方將連接所需參數(shù)推送給接收方并由接收方建立連接，所以耗時(shí)稍短。

 從圖6及表1則可以清晰地看出，相比較傳統(tǒng)藍(lán)牙的搜索、配對(duì)、認(rèn)證的過(guò)程，基于NFC的藍(lán)牙連接速度明顯較快。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是在信道空閑的情況下測(cè)得的，如果在公共場(chǎng)所等藍(lán)牙設(shè)備較多的場(chǎng)合，傳統(tǒng)方式的藍(lán)牙連接耗時(shí)還將大幅增加；而使用NFC技術(shù)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式來(lái)輔助藍(lán)牙連接，則可以省去搜索和選擇的過(guò)程，大幅提高連接速度。對(duì)比表1，使用NFC藍(lán)牙的方案省略了配對(duì)步驟，且快于傳統(tǒng)藍(lán)牙的連接方案。因此，對(duì)比結(jié)果可以說(shuō)明使用NFC加速的藍(lán)牙連接耗時(shí)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)藍(lán)牙。

4結(jié)束語(yǔ)

 本文實(shí)現(xiàn)了基于Android的NFC功能，并提出了將其應(yīng)用于汽車(chē)電子的方案，通過(guò)測(cè)試比較其與傳統(tǒng)藍(lán)牙配對(duì)的連接耗時(shí)分析結(jié)果。在Android系統(tǒng)中加入NFC功能模塊，是現(xiàn)代智能化設(shè)備日益強(qiáng)烈的需求。而再將其應(yīng)用于汽車(chē)電子中，無(wú)論是車(chē)載電話、藍(lán)牙音頻還是電子鑰匙，都簡(jiǎn)化了人們的生活，提高行駛過(guò)程中的安全性，為用戶提供了良好的體驗(yàn)。