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一種利用NFC技術(shù)實現(xiàn)藍(lán)牙快速連接的研究

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(lǐng)域發(fā)展加快，進(jìn)一步促進(jìn)電子、通信等技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。藍(lán)牙通信技術(shù)一直以來都是車載通信的主要無線技術(shù)。傳統(tǒng)的車載藍(lán)牙依靠手機與車載藍(lán)牙進(jìn)行人工的對碼連接，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。而最近幾年，近場通信(near field communication，NFC)技術(shù)得到了長足的發(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發(fā)出的一種互聯(lián)技術(shù)，用于非接觸式的識別[1]。作為一種標(biāo)準(zhǔn)化的短距離高頻無線通信技術(shù)，NFC技術(shù)的工作頻率為13.56 MHz，通信距離為5～10 cm[2]。相比較其他的射頻識別(radio frequency identification,RFID)技術(shù)，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(shù)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(shù)應(yīng)用于移動支付領(lǐng)域成為了研究熱點。

1 NFC技術(shù)方案

1.1NFC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(dāng)于非接觸式IC卡，將某些信息寫入帶有NFC設(shè)備的移動設(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移動設(shè)備進(jìn)行移動支付等活動。

(2) 讀寫器模式。NFC在讀寫器模式下相當(dāng)于可以讀寫的標(biāo)簽，比如電子海報、景點地圖等，將廣告數(shù)據(jù)、地圖數(shù)據(jù)寫入NFC標(biāo)簽中，手持NFC移動設(shè)備可以對其進(jìn)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?qū)崿F(xiàn)兩臺帶有NFC移動設(shè)備之間數(shù)據(jù)的傳輸與通信。比如兩臺設(shè)備交換名片或者幫助兩臺藍(lán)牙設(shè)備之間的連接，通過交換藍(lán)牙連接必須的數(shù)據(jù)，以避免藍(lán)牙連接時繁冗的操作過程[3]。

1.2NFC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(chǎn)生射頻場，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) 被動通信模式。NFC在被動通信模式下，發(fā)送方產(chǎn)生射頻場。該射頻場激勵接收方設(shè)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(fù)載調(diào)制數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)答。

1.3NFC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)(ISO 14443協(xié)定)無線通信技術(shù)。該技術(shù)已成為正式的國際標(biāo)準(zhǔn)，即ISO 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ISO 14443、ISO 18092、ISO 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。

圖1　NFC架構(gòu)示意圖

2基于Android的NFC終端

由于NFC在電子消費領(lǐng)域需求的膨脹，將NFC技術(shù)與手機結(jié)合的呼聲也漸漸變高。這種結(jié)合不僅使得智能手機在電子消費領(lǐng)域得以應(yīng)用，也將在無形之中提高這種智能設(shè)備在生活中的重要性。具有NFC的智能移動設(shè)備應(yīng)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(shè)備還能在身份識別、社交、公交卡等實際生活中有所應(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UART實現(xiàn)其與基帶芯片的通信，通過基帶芯片GPIO實現(xiàn)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。

圖2　系統(tǒng)硬件框圖

基帶芯片是標(biāo)準(zhǔn)手機的基礎(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[4]。

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，并對接收的數(shù)據(jù)信息解碼。

2.1NFC模塊與基帶芯片連接

基帶芯片實現(xiàn)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(shù)據(jù)的收發(fā)。由于UART接口設(shè)計方式較為靈活便捷，傳輸速率也可以通過軟件來進(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NFC模塊的控制，也不妨礙手機的其他功能。

2.2NFC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(yù)先存儲的安全信息[6]。通過SIM卡上的C6引腳(即SWP)與NFC控制器連接，實現(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[7]。

圖3　NFC與SIM模塊連接圖

3NFC與藍(lán)牙技術(shù)結(jié)合方案

本課題設(shè)計的基于NFC與藍(lán)牙技術(shù)解決車載應(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，代替藍(lán)牙傳輸連接過程中搜索設(shè)備、配對等復(fù)雜的操作。在NFC基礎(chǔ)上，不使用藍(lán)牙規(guī)范自帶的加密機制，發(fā)送方設(shè)備在傳輸數(shù)據(jù)前，先通過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；在短時間的連接配對后，將數(shù)據(jù)使用藍(lán)牙非安全模式發(fā)送給對方[8]。

3.1NFC與藍(lán)牙硬件連接

藍(lán)牙終端能夠通過NFC進(jìn)行快速配對連接，主要是依據(jù)了NFC聯(lián)盟提出的簡單安全配對協(xié)議(bluetooth secure simple pairing，SSP)。由于SSP協(xié)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(lán)牙終端的配對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(shù)據(jù)交換格式(NFC data exchange format,NDEF)記錄，然后在兩個藍(lán)牙終端間進(jìn)行連接配對。硬件連接圖如圖4所示。

圖4　NFC與藍(lán)牙硬件連接圖

3.2基于NFC車載藍(lán)牙快速連接

NFC技術(shù)與藍(lán)牙技術(shù)的優(yōu)劣互補，能夠加速車載藍(lán)牙的連接速度。連接終端所使用的藍(lán)牙技術(shù)中的簡單安全配對(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)議使用頻外配對時，NFC鏈路就可參與到頻外配對，并且完成信息交換。因此，藍(lán)牙終端的配對無需再搜索連接及PIN碼認(rèn)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。

圖5　軟件流程圖

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)牙連接過程服務(wù)的UUID)以及設(shè)備等級碼。

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)聽等待狀態(tài)。

④手持終端的藍(lán)牙模塊則通過accept函數(shù)接收車載終端的連接請求，向系統(tǒng)注冊程序UUID，并開啟發(fā)送數(shù)據(jù)線程。

為了加強系統(tǒng)安全性，將橢圓曲線(elliptic curve cryptography，ECC)加密算法加入連接配對過程[9]。使用這種加密算法，手持終端在傳輸OOB數(shù)據(jù)前，先通過NFC觸碰方式向接收方設(shè)備傳遞ECC密鑰。車載終端根據(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)，通過藍(lán)牙Socket中的connect函數(shù)，向手持終端申請連接請求。對所傳輸數(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)牙連接速度的同時極大地提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

3.3測試及結(jié)果分析

本系統(tǒng)實現(xiàn)了通過NFC來加速藍(lán)牙配對連接過程。下面對傳統(tǒng)藍(lán)牙配對傳輸、NFC加藍(lán)牙傳輸兩種方案進(jìn)行對比測試。兩種方案耗時測試圖如圖6所示。

圖6　兩種方案耗時測試圖

測試所使用的平臺是帶有NFC模塊及藍(lán)牙模塊的OK6410開發(fā)板(模擬車載系統(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，分別配置了Android 4.0 系統(tǒng)。為了減少測試的誤差，本測試設(shè)計使用傳統(tǒng)藍(lán)牙方式時以觸碰屏幕開始計時，發(fā)送方接收到回送數(shù)據(jù)停止計時；使用NFC加藍(lán)牙方式時，以NFC觸碰開始計時，發(fā)送方接收到回送數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)接收完畢后，上位機自動調(diào)用Matlab 7.0插件，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出結(jié)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(lán)牙未配對的情況下兩種方式的藍(lán)牙連接耗時并加以分析。為避免人工操作中設(shè)備觸碰、點擊屏幕等動作的延時造成的誤差，對連接計時進(jìn)行了20次測試，并取平均值。對比結(jié)果如表1 所示。

表1　藍(lán)牙(未配對)連接耗時對比

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(lán)牙已配對的情況下，兩種方式的藍(lán)牙連接耗時，并加以分析。為避免誤差，對連接計時進(jìn)行了20次測試，并取平均值，對比結(jié)果如表2所示。

表2　藍(lán)牙(已配對)連接耗時對比

根據(jù)表2可知，對于兩種連接方法，在已配對的藍(lán)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(lán)牙的稍勝一籌。其中的時間差是由于傳統(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)出請求，故需要先于發(fā)送方開啟并等待；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、認(rèn)證的過程，基于NFC的藍(lán)牙連接速度明顯較快。此外，實驗結(jié)果是在信道空閑的情況下測得的，如果在公共場所等藍(lán)牙設(shè)備較多的場合，傳統(tǒng)方式的藍(lán)牙連接耗時還將大幅增加；而使用NFC技術(shù)的點對點模式來輔助藍(lán)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(lán)牙的方案省略了配對步驟，且快于傳統(tǒng)藍(lán)牙的連接方案。因此,對比結(jié)果可以說明使用NFC加速的藍(lán)牙連接耗時性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)藍(lán)牙。

4結(jié)束語

本文實現(xiàn)了基于Android的NFC功能，并提出了將其應(yīng)用于汽車電子的方案，通過測試比較其與傳統(tǒng)藍(lán)牙配對的連接耗時分析結(jié)果。在Android系統(tǒng)中加入NFC功能模塊，是現(xiàn)代智能化設(shè)備日益強烈的需求。而再將其應(yīng)用于汽車電子中，無論是車載電話、藍(lán)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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Research on Bluetooth Quick Connection Implemented by Using NFC Technology

朱正偉錢露張南郭楓周謝益

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

摘要：針對汽車電子應(yīng)用中藍(lán)牙設(shè)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(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、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?shù)奶攸c，大幅縮減藍(lán)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(tǒng)讀取SIM安全碼技術(shù)，加強連接的安全性。實驗結(jié)果驗證了該方法應(yīng)用于車載藍(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)牙連接的時間，并在一定程度上提高了連接的安全性。

關(guān)鍵詞：汽車電子通信藍(lán)牙無線射頻識別移動通信終端橢圓曲線加密算法

Abstract：To overcome the problems exciting in automotive electronic application,such as slow speed of the Bluetooth device connection and the redundancy of operation,a new method for accelerating the Bluetooth connection with near field communication(NFC) technology is proposed.Instead of the traditional Bluetooth,the NFC technology based on Android system is used to complete a series of tedious works before data transmission,including equipment search,selection,matching,and security detection,etc.By using the features of NFC,i.e.,point to point communication and high speed data transmission,the search time of Bluetooth is substantially reduced,and the exchange of PIN codes is realized.With the advantage of NFC for shortening the communication distance,ECC encryption algorithm and the technology of reading SIM security code via Android system,the security of the connection is strengthened.The experimental results verify the feasibility and safety of applying this method in automotive Bluetooth connection; and indicate that the method greatly reduce the Bluetooth connection time,and enhance the security of connection.

Keywords:Automotive electronicsCommunicationBluetoothWirelessRFIDMobile communication terminalElliptic curve encryption algorithm

中圖分類號：TP391;TH86

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604016

國家中小企業(yè)創(chuàng)新基金資助項目(編號：09C26223203878)。

修改稿收到日期：2015-05-30。

第一作者朱正偉(1963-)，男，2006年畢業(yè)于南京理工大學(xué)測試計量技術(shù)及儀器專業(yè)，獲博士學(xué)位，教授；主要從事嵌入式方向的研究。