Bluetooth Smart实现物联网的一个方法

在过去的二十多年间,从内部来看,汽车已经从一只机械猛兽变为一台电子超级计算机。大约十多年前,当汽车抛锚时,稍微具有一些技术经验的司机可以很轻松地猜测出问题所在,甚至有可能解决这个问题。现如今,情况就有点儿不同了。在我们现代的社会中,技术日臻成熟,大多数车辆具有非常先进的电子系统,这些系统通常由隐藏在车辆多个位置上的电子控制单元 (ECU) 内的多核应用处理器进行控制。由于智能系统已经诊断了问题所在,建议下一步采取的操作,甚至可能已经把问题解决了,用户也就没有必要再去猜测到底哪里出了问题。这绝对是一流的用户体验。

 
用户体验与内部装置中隐藏的技术密切相关。在保持设计美观的同时,借助主动安全特性,ECU全速运行。 ECU(Electronic Control Unit)是电子控制单元,又称“行车电脑”、“车载电脑”等。从用途上讲则是汽车专用微机控制器。它和普通的电脑一样,由微处理器(CPU)、存储器(ROM、、RAM)、输入/输出接口(I/O)、模数转换器(A/D)以及整形、驱动等大规模集成电路组成。用一句简单的话来形容就是“ECU就是汽车的大脑”。ECU运行高级传感器融合,这样的话,在驱动时间内,为控制系统提供实时反馈,这些信息包括周围事物、速度、计算得出的驱动路径等。目前已经有了能够自动泊车的车辆,而自主驾驶车辆推广的唯一障碍是道德方面的考虑,人们相信控制系统必须由驾驶员来操控。在技术层面上,已经实现了上述功能。
Bluetooth Smart实现物联网的一个方法
目前有数种类型的ECU,每一种类型的ECU分别负责不同的子系统,例如车门、速度、车载信息通讯系统、和传输等。ECU从车辆内的多种传感器集合中采集数据,这些传感器的数量有100多个。在数据采集后,ECU将这些数据聚合在一起,然后根据组合在一起的数据做出决定。传统上,这些数据采集有车辆内的线缆完成。这些线缆需要手工安装在狭窄且有限空间内,而这也是汽车生产线中比较耗时的任务之一,并且会增加重量和成本。这些线缆可被无线通信所取代,这篇博文中介绍了使用Bluetooth® Smart所具有的优势。
 
Bluetooth Smart
 
Bluetooth Smart是使用Bluetooth低功耗技术的器件的品牌,它在2010年成为Bluetooth 4.0技术规格的一部分。由于那时已采用Bluetooth 4.1和Bluetooth 4.2,通过添加全新特性来提高这款协议的功能,以便进一步增加数据吞吐量和安全性。这项技术被设计成低功耗、安全和易于部署。最常用的情况涉及在由单节钮扣电池供电运行的数年时间内分享少量数据。通过使器件在大多数运行时间内保持在睡眠状态、短时唤醒来发送几个字节的数据来实现低功耗。在大多数情况下,此项技术可由单芯片解决方案实现,这也使得这项技术在成本和电路板空间方面具有一定优势。此外,与传统Bluetooth技术不同的是,Bluetooth Smart不一定非要使用特定的系统配置文件。Bluetooth Smart可以使用定制的系统配置文件,前提是这些系统配置文件符合通用属性配置文件 (GATT) 架构。
 
对于汽车应用,经简化的设计过程和轻松部署将带来最主要的优势。由添加无线协议所引入的挑战与安全性相关。Bluetooth Smart中的安全性通过使用128位高级加密标准 (AES) 来加密无线 (OTA) 数据包,来保护这一通信的安全性,并确保私密性。当一个连接被创建时,为了防止MITM攻击,通过使用密码或OBB配对(通过其它介质实现,例如NFC),执行认证和授权过程。当连接已经被建立时,为了保持私密性,在超过37个跳频通道上进行通信。为了确保无损和可靠数据传输,对每个数据包进行完整性检查。因此,在内核中有很多内置机制,它们随着时间的推进在不断的得到改进。为了进一步提高安全性,Bluetooth 4.2引入了具有迪非-赫尔曼密钥交换的椭圆曲线加密法 (ECC)。
 
应用
 
想一想你家里装满电缆的盒子(每个人的家里都有这样的盒子)。盒子很重,是不是?线缆很重,而这也是汽车应用中线缆替换成为一个有意思话题的原因所在。通过引入无线连通性解决方案,成本可被大大降低。这里的成本不仅仅是材料成本,而且还包括部署成本,以及对于消费者来说的油耗成本。传感器在汽车中随处可见,而它们的安装电缆并不总是那么符合实际。想一想胎压传感器不切实际的放置位置,而这一点用传统接线是无法解决的。汽车中还有其它的移动部件,这些部件得益于无线通信,比如说方向盘中的信息娱乐控制。车内照明控制也可以通过无线的方式实现,以提供氛围、集群和可编程LED照明。
 
智能手机是Bluetooth Smart生态系统的重要组件,这是因为目前绝大多数智能手机支持Bluetooth Smart。这意味着,车内的ECU能够与传感器和驾驶员的智能手机通信,以提供诊断数据或接收个性化配置设置。这一兼容性还扩展至平板电脑,这使得维修技工能够与中央单元进行数据交互,或者,如果允许的话,还可以与单个传感器通信。智能手机还可以作为一把钥匙,成为额外的安全性检查点。其中的一个示例就是指纹读取器 (iPhone 5S/6) 或者密码/图形码存取。
Bluetooth Smart实现物联网的一个方法
在智能手机上还可以提供交互式的车辆用户手册。这使得车辆能够将警报发送给手机,比如说胎压过低,这些警报将与智能手机上的与下一步操作相关的信息封装在一起,例如,提供与最近加油站相关的信息。维修提醒也可被推送至智能手机,这使用户能够安排到预先选择的或最近自动修理车间的时间。这也是云端服务可以大展拳脚的地方,云端服务使得汽车可以通过智能手机与互联网对接,这是Bluetooth Smart实现物联网 (IoT) 的一个方法。
 
结论
 
随着车辆(并不仅限于小汽车)变得越来越先进和非常智能,为了能够做出合理和安全的决定,需要更多的信息。因此,正如需要Bluetooth Smart等无线连通性,通过车内控制或智能手机与车辆的核心功能进行无缝对接一样,传感器融合变得更加重要。
 
针对本文中所讨论话题的主要单芯片解决方案是TI的Bluetooth Smart CC2541-Q1无线MCU。它是一款针对汽车应用的完整硬件和软件解决方案,其中包括一个经Q100认证,用简单、高效和安全方法实现的从设计理念到第一个原型机的示例应用和评估工具。有很多定制GATT系统配置文件示例,并且所有安全特性即时可用。