一種利用NFC技術實現藍牙快速連接的研究
朱正偉 錢 露 張 南 郭 楓 周謝益
（常州大學信息科學與工程學院，江蘇常州213164）
摘要：針對汽車電子應用中藍牙設備連接速度慢、操作冗余等問題，提出了一種利用近場通信( NFC)技術加速藍牙連接的方法。該方法采用基于Android系統的NFC通信技術代替?zhèn)鹘y藍牙，完成數據傳輸前的設備搜索、選擇、配對、安全檢測等一系列繁瑣工作；利用NFC點對點通信和高速傳輸的特點，大幅縮減藍牙的搜索時間并完成PIN碼的交換；利用NFC超短通信距離的特點、橢圓曲線加密( ECC)算法以及Android系統讀取SIM安全碼技術，加強連接的安全性。實驗結果驗證了該方法應用于車載藍牙連接的可行性及安全性，表明該方法可以大幅縮減藍牙連接的時間，并在一定程度上提高了連接的安全性。
關鍵詞：汽車電子通信藍牙無線射頻識別移動通信終端橢圓曲線加密算法
中圖分類號：TP391；TH86DOI:10. 16086/j．cnki．issnl000 - 0380. 201604016
0引言
近年來，隨著人們對汽車智能化體驗提出更高的要求，汽車電子領域發(fā)展加快，進一步促進電子、通信等技術在汽車領域的應用。藍牙通信技術一直以來都是車載通信的主要無線技術。傳統的車載藍牙依靠手機與車載藍牙進行人工的對碼連接，步驟繁瑣，且經常出現卡死或者連接不上等狀況，這些都極大地降低了交互體驗。而最近幾年，近場通信( near field
communication，NFC)技術得到了長足的發(fā)展，趨于成熟。NFC技術是由飛利浦公司和索尼公司共同研究開發(fā)出的一種互聯技術，用于非接觸式的識別。作為一種標準化的短距離高頻無線通信技術，NFC技術的工作頻率為13. 56 MHz，通信距離為5~10 cm。相比較其他的射頻識別( radio frequency identification，RFID)技術，NFC具有讀寫距離極短的特點，然而這種
看似的劣勢本身就限制了潛在黑客的監(jiān)聽與攻擊，安全性更高。如果能巧妙利用這兩種通信技術的特點，將帶來更好的用戶體驗以及通信安全性，并提高汽車電子在市場中的競爭力。因此，將NFC技術應用于移動支付領域成為了研究熱點。
1 NFC技術方案
1.1 NFC工作模式
NFC在卡模擬模式、讀寫器模式、點對點通信模式這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于非接觸式IC卡，將某些信息寫入帶有NFC設備的移動設備，信息被外部設備讀取之后再返回指導下一步操作的指令。因此，不需要改變現有設備就能夠使用NFC移動設備進行移動支付等活動。 (2)讀寫器模式。NFC在讀寫器模式下相當于可以讀寫的標簽，比如電子海報、景點地圖等，將廣告數據、地圖數據寫入NFC標簽中，手持NFC移動設備可以對其進行讀取，以此獲得需要的信息。
(3)點對點模式。NFC在點對點模式下，能夠實現兩臺帶有NFC移動設備之間數據的傳輸與通信。比如兩臺設備交換名片或者幫助兩臺藍牙設備之間的連接，通過交換藍牙連接必須的數據，以避免藍牙連接時繁冗的操作過程。
1.2 NFC通信模式
(1)主動通信模式。NFC在主動通信模式下，發(fā)起方和接收方交替產生射頻場，發(fā)起方按照預先設置的傳輸速度進行通信，接收方也需要按照相同的傳輸速度用負載調制數據進行應答。
(2)被動通信模式。NFC在被動通信模式下，發(fā)送方產生射頻場。該射頻場激勵接收方設備。此時，發(fā)送方再按照約定的速度開始通信，而接收方按照相同速度用負載調制數據進行應答。
1.3 NFC架構
NFC技術基于非接觸式技術，并可以兼容非接觸式IC卡標準（IS0 14443協定）無線通信技術。該技術已成為正式的國際標準，即IS0 18092標準（NFCIP -1）。NFC技術的架構，自下而上包括物理層、數據交換層、應用層。最底層物理層的標準包括IS0 14443、ISO18092、IS0 15693，如圖1所示。數據交換層主要包括讓NFC設備在3種模式下進行數據交換的協議標準。NFC架構圖如圖1所示。
2 基于Android的NFC終端
由于NFC在電子消費領域需求的膨脹，將NFC技術與手機結合的呼聲也漸漸變高。這種結合不僅使得智能手機在電子消費領域得以應用，也將在無形之中提高這種智能設備在生活中的重要性。具有NFC的智能移動設備應用于非接觸式支付時，能夠代替信用卡以及電子智能卡。除此之外，該智能移動設備還能在身份識別、社交、公交卡等實際生活中有所應用。
NFC終端和普通的Android設備終端基本相似，只是增加了NFC模塊，以實現其功能。系統硬件框圖如圖2所示。NFC模塊具有通信接口和控制接口，通過UART實現其與基帶芯片的通信，通過基帶芯片GPIO實現對NFC模塊的啟動控制。NFC芯片通過SWP接口和手機SIM卡相連接，而手機SIM卡則是作為NFC模塊的安全保證，將用戶的信息存儲在SIM卡
中，NFC模塊能夠通過SWP接口讀取其中的信息。
基帶芯片是標準手機的基礎模塊，能收發(fā)和處理數據通信，并提供了與存儲器模塊、電源模塊、SD卡、WiFi模塊、藍牙模塊、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制后發(fā)射，并接收解調返回的射頻信息；基帶處理器模塊負責將信息進行編碼，并對接收的數據信息解碼。
2.1 NFC模塊與基帶芯片連接
基帶芯片實現了對NFC模塊的完全控制，UART通信只需要通過兩根傳輸線，就可以完成數據的收發(fā)。由于UART接口設計方式較為靈活便捷，傳輸速率也可以通過軟件來進行定義。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NFC模塊的控制，也不妨礙手機的其他功能。
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SWP接口與NFC模塊連接，由NFC通過SWP[5]接口讀取SIM卡中在預先存儲的安全信息。通過SIM卡上的C6引腳（即SWP）與NFC控制器連接，實現全雙工通信。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與藍牙技術結合方案
本課題設計的基于NFC與藍牙技術解決車載應用的主要功能，是利用NFC短距離通信安全、便捷、迅速的特點，代替藍牙傳輸連接過程中搜索設備、配對等復雜的操作。在NFC基礎上，不使用藍牙規(guī)范自帶的加密機制，發(fā)送方設備在傳輸數據前，先通過NFC觸碰方式向接收方設備發(fā)送藍牙MAC地址，以避免PIN碼的產生；在短時間的連接配對后，將數據使用藍牙非安全模式發(fā)送給對方。
3.1 NFC與藍牙硬件連接
藍牙終端能夠通過NFC進行快速配對連接，主要是依據了NFC聯盟提出的簡單安全配對協議( bluetooth secure simple pairing，SSP)。由于SSP協議是啟用頻外配對，NFC鏈路可以完成信息交換并參與頻外配對的過程。因此，藍牙終端的配對不再需要繁瑣的搜索連接以及PIN碼認證。
由于目前Android 4.0版本內部建立藍牙進階音效廣播協議(advanced audio distribution profile，A2DP)，更是方便了利用NFC加速藍牙配對的過程。配對過程包括以下兩個步驟：首先從外部存儲器中讀取NFC數據交換格式(NFC data exchange format，NDEF)記錄，然后在兩個藍牙終端間進行連接配對。硬件連接圖如圖4所示。
3.2基于NFC車載藍牙快速連接
NFC技術與藍牙技術的優(yōu)劣互補，能夠加速車載藍牙的連接速度。連接終端所使用的藍牙技術中的簡單安全配對( secure simple protocol，SSP)協議，是2011年SIG及NFC論壇推薦的基于NFC的藍牙連接協議。SSP協議使用頻外配對時，NFC鏈路就可參與到頻外配對，并且完成信息交換。因此，藍牙終端的配對無需再搜索連接及PIN碼認證，可大大縮短連接的時間。
軟件流程圖如圖5所示，主要包括以下幾個步驟。
①由處理芯片生成SSP協議中規(guī)定的藍牙OOB數據包。該數據包包含2字節(jié)的OOB數據長度、6字節(jié)的藍牙器件地址和OOB操作數據。其中，OOB操作數據包含藍牙模塊名稱、HASH C碼、R碼、UUID（藍牙中每個服務及其屬性的全球唯一身份編碼，此處使用藍牙連接過程服務的UUID）以及設備等級碼。
②OOB數據生成完畢后，處理器再將OOB數據包根據NFC數據交換格式(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控制藍牙Socket的listen函數進入監(jiān)聽等待狀態(tài)。
4手持終端的藍牙模塊則通過accept函數接收車載終端的連接請求，向系統注冊程序UUID，并開啟發(fā)送數據線程。
為了加強系統安全性，將橢圓曲線( elliptic curvecryptography，ECC)加密算法加入連接配對過程。使用這種加密算法，手持終端在傳輸OOB數據前，先通過NFC觸碰方式向接收方設備傳遞ECC密鑰。車載終端根據接收到的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OOB信息中的藍牙名稱、地址以及唯一的UUID數據，通過藍牙Socket中的connect函數，向手持終端申請連接請求。對所傳輸數據可采用密鑰進行加密，再將加密后的信息使用藍牙非安全模式發(fā)送給對方，接收方接到后進行解密，還原數據，由此完成兩設備間的數據發(fā)送。這將在提高藍牙連接速度的同時極大地提高數據傳輸的安全性。
3.3測試及結果分析
本系統實現了通過NFC來加速藍牙配對連接過程。下面對傳統藍牙配對傳輸、NFC加藍牙傳輸兩種方案進行對比測試。兩種方案耗時測試圖如圖6所示。
測試所使用的平臺是帶有NFC模塊及藍牙模塊的OK6410開發(fā)板（模擬車載系統）和自帶NFC以及藍牙模塊的中興NX505J（CPU主頻為2.5 GHz，內存為2 GB）智能手機，分別配置了Android 4.0系統。為了減少測試的誤差，本測試設計使用傳統藍牙方式時以觸碰屏幕開始計時，發(fā)送方接收到回送數據停止計時；使用NFC加藍牙方式時，以NFC觸碰開始計時，發(fā)送方接收到回送數據停止計時。計時停止后，將時間值傳送給上位機（使用VB. NET平臺制作）保存，全部數據接收完畢后，上位機自動調用Matlab 7.0插件，對數據進行分析，得出結果。測試全程采用機器計時，減少人工計時的誤差。
測試1：測試在藍牙未配對的情況下兩種方式的藍牙連接耗時并加以分析。為避免人工操作中設備觸碰、點擊屏幕等動作的延時造成的誤差，對連接計時進行了20次測試，并取平均值。對比結果如表1所示。
測試2：為分析出兩種方案的耗時區(qū)別在哪個階段，測試了在藍牙已配對的情況下，兩種方式的藍牙連接耗時，并加以分析。為避免誤差，對連接計時進行了20次測試，并取平均值，對比結果如表2所示。
根據表2可知，對于兩種連接方法，在已配對的藍牙建立上層Socket連接的耗時就發(fā)送方而言幾乎差不多，而對接收方來說采用NFC加藍牙的稍勝一籌。其中的時間差是由于傳統藍牙方案的接收方需作為服務器等待發(fā)送方發(fā)出請求，故需要先于發(fā)送方開啟并等待；而NFC加藍牙方案則是發(fā)送方將連接所需參數推送給接收方并由接收方建立連接，所以耗時稍短。
從圖6及表1則可以清晰地看出，相比較傳統藍牙的搜索、配對、認證的過程，基于NFC的藍牙連接速度明顯較快。此外，實驗結果是在信道空閑的情況下測得的，如果在公共場所等藍牙設備較多的場合，傳統方式的藍牙連接耗時還將大幅增加；而使用NFC技術的點對點模式來輔助藍牙連接，則可以省去搜索和選擇的過程，大幅提高連接速度。對比表1，使用NFC藍牙的方案省略了配對步驟，且快于傳統藍牙的連接方案。因此，對比結果可以說明使用NFC加速的藍牙連接耗時性能明顯優(yōu)于傳統藍牙。
4結束語
本文實現了基于Android的NFC功能，并提出了將其應用于汽車電子的方案，通過測試比較其與傳統藍牙配對的連接耗時分析結果。在Android系統中加入NFC功能模塊，是現代智能化設備日益強烈的需求。而再將其應用于汽車電子中，無論是車載電話、藍牙音頻還是電子鑰匙，都簡化了人們的生活，提高行駛過程中的安全性，為用戶提供了良好的體驗。
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