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蓝牙技术

NFC蓝牙快速连接


利用NFC技术实现蓝牙快速连接的研究

近年来,随着人们对汽车智能化体验提出更高的要求,汽车电子领域发展加快,进一步促进电子、通信等技术在汽车领域的应用。蓝牙通信技术一直以来都是车载通信的主要无线技术。传统的车载蓝牙依靠手机与车载蓝牙进行人工的对码连接,步骤繁琐,且经常出现卡死或者连接不上等状况,这些都极大地降低了交互体验。而最近几年,近场通信(NFC)技术得到了长足的发展,趋于成熟。NFC技术是由飞利浦公司和索尼公司共同研究开发出的一种互联技术,用于非接触式的识别。作为一种标准化的短距离高频无线通信技术,NFC技术的工作频率为l3.56MHz,通信距离为5~10cm。

相比较其他的射频识别(radio frequency identification,RFID)技术,NFC具有读写距离极短的特点,然而这种看似的劣势本身就限制了潜在黑客的监听与攻击,安全性更高。如果能巧妙利用这两种通信技术的特点,将带来更好的用户体验以及通信安全性,并提高汽车电子在市场中的竞争力。因此,将NFC技术应用于移动支付领域成为了研究热点。

一、NFC技术方案

1.1 NFC工作模式

NFC在卡模拟模式、读写器模式、点对点通信模式这3种模式下工作。

(1)卡模拟模式。NFC在卡模拟工作模式下相当于非接触式IC卡,将某些信息写入带有NFC设备的移动设备,信息被外部设备读取之后再返回指导下一步操作的指令。因此,不需要改变现有设备就能够使用NFC移动设备进行移动支付等活动。

(2)读写器模式。NFC在读写器模式下相当于可以读写的标签,比如电子海报、景点地图等,将广告数据、地图数据写入NFC标签中,手持NFC移动设备可以对其进行读取,以此获得需要的信息。

(3)点对点模式。NFC在点对点模式下,能够实现两台带有NFC移动设备之间数据的传输与通信。比如两台设备交换名片或者帮助两台蓝牙设备之问的连接,通过交换蓝牙连接必须的数据,以避免蓝牙连接时繁冗的操作过程。

1.2 NFC通信模式

(1)主动通信模式。NFC在主动通信模式下,发起方和接收方交替产生射频场,发起方按照预先设置的传输速度进行通信,接收方也需要按照相同的传输速度用负载调制数据进行应答。

(2)被动通信模式。NFC在被动通信模式下,发送方产生射频场。该射频场激励接收方设备。此时,发送方再按照约定的速度开始通信,而接收方按照相同速度用负载调制数据进行应答。

1.3 NFC架构

NFC技术基于非接触式技术,并可以兼容非接触式Ic卡标准(ISO 14443协定)无线通信技术。该技术已成为正式的国际标准,即ISO 18092标准(NFC IP一1)。NFC技术的架构,自下而上包括物理层、数据交换层、应用层。最底层物理层的标准包括ISO 14443、ISO18092、ISO 15693,如图1所示。数据交换层主要包括让NFC设备在3种模式下进行数据交换的协议标准。NFC架构图如图1所示。

图1 NFC架构示意图

二、基于Android的NFC终端

由于NFC在电子消费领域需求的膨胀,将NFC技术与手机结合的呼声也渐渐变高。这种结合不仅使得智能手机在电子消费领域得以应用,也将在无形之中提高这种智能设备在生活中的重要性。具有NFC的智能移动设备应用于非接触式支付时,能够代替信用卡以及电子智能卡。除此之外,该智能移动设备还能在身份识别、社交、公交卡等实际生活中有所应用。NFC终端和普通的Android设备终端基本相似,只是增加了NFC模块,以实现其功能。系统硬件框图如图2所示。NFC模块具有通信接口和控制接口,通过UART实现其与基带芯片的通信,通过基带芯片GPIO实现对NFC模块的启动控制。NFC芯片通过SWP接口和手机SIM卡相连接,而手机SIM卡则是作为NFC模块的安全保证,将用户的信息存储在SIM卡中,NFC模块能够通过SWP接口读取其中的信息。

图2 NFC系统硬件框图

基带芯片是标准手机的基础模块,能收发和处理数据通信,并提供了与存储器模块、电源模块、SD卡、WiFi模块、蓝牙模块、NFC模块、SIM卡等的接口。NFC模块主要包括电源模块、射频模块、基带处理器模块。电源模块为NFC模块供电并控制电源;射频模块将基带信息调制后发射,并接收解调返回的射频信息;基带处理器模块负责将信息进行编码,并对接收的数据信息解码。

2.1NFC模块与基带芯片连接

基带芯片实现了对NFC模块的完全控制,UART通信只需要通过两根传输线,就可以完成数据的收发。由于UART接口设计方式较为灵活便捷,传输速率也可以通过软件来进行定义。因此,使用UART接口将NFC模块与基带芯片连接,既便于基带芯片对NFC模块的控制,也不妨碍手机的其他功能。

2.2NFC模块与SIM卡连接

SIM卡作为重要安全模块,通过SWP接口与NFC模块连接,由NFC通过SWP接口读取SIM卡中在预先存储的安全信息。通过SIM卡上的C引脚(即swp)与NFC控制器连接,实现全双工通信。SIM卡的RST,CLK、I/O直接与基带芯片连接,SWP与NFC模块连接。

三、NFC与蓝牙技术结合方案

基于NFC与蓝牙技术解决车载应用的主要功能,是利用NFC短距离通信安全、便捷、迅速的特点,代替蓝牙传输连接过程中搜索设备、配对等复杂的操作。在NFC基础上,不使用蓝牙规范自带的加密机制,发送方设备在传输数据前,先通过NFC触碰方式向接收方设备发送蓝牙MAC地址,以避免PIN码的产生;在短时间的连接配对后,将数据使用蓝牙非安全模式发送给对方。

3.1NFC与蓝牙硬件连接

蓝牙终端能够通过NFC进行快速配对连接,主要是依据了NFC联盟提出的简单安全配对协议(bluetoothsecuresimplepairing,SSP)。由于SSP协议是启用频外配对,NFC链路可以完成信息交换并参与频外配对的过程。因此,蓝牙终端的配对不再需要繁琐的搜索连接以及PIN码认证。

由于目前Android4.0版本内部建立蓝牙进阶音效广播协议(A2DP),更是方便了利用NFC加速蓝牙配对的过程。配对过程包括以下两个步骤:首先从外部存储器中读取NFC数据交换格式(NFCdataexchangeformat,NDEF)记录,然后在两个蓝牙终端间进行连接配对。

3.2基于NFC车载蓝牙快速连接

NFC技术与蓝牙技术的优劣互补,能够加速车载蓝牙的连接速度。连接终端所使用的蓝牙技术中的简单安全配对(securesimpleprotocol,ssP)协议,是2011年SIG及NFC论坛推荐的基于NFC的蓝牙连接协议。SSP协议使用频外配对时,NFC链路就可参与到频外配对,并且完成信息交换。因此,蓝牙终端的配对无需再搜索连接及PIN码认证,可大大缩短连接的时间。主要包括以下几个步骤。

(1)由处理芯片生成SSP协议中规定的蓝牙OOB数据包。该数据包包含2字节的OOB数据长度、6字节的蓝牙器件地址和OOB操作数据。其中,OOB操作数据包含蓝牙模块名称、HASHC码、R码、UUID(蓝牙中每个服务及其属性的全球唯一身份编码,此处使用蓝牙连接过程服务的UUID)以及设备等级码。

(2)数据生成完毕后,处理器再将OOB数据包根据NFC数据交换格式(NDEF)打包成一条完整的NDEF记录,由手持终端A的NFC模块发送。

(3)发送完成后手持终端A控制蓝牙Socket的listen函数进入监听等待状态。

(4)手持终端的蓝牙模块则通过accept函数接收车载终端的连接请求,向系统注册程序UUID,并开启发送数据线程。为了加强系统安全性,将椭圆曲线加密算法加入连接配对过程。使用这种加密算法,手持终端在传输OOB数据前,先通过NFC触碰方式向接收方设备传递ECC密钥。车载终端根据接收到的ECC密钥正确解密后,解析手持终端的记录中包含的OOB信息,根据OOB信息中的蓝牙名称、地址以及唯一的UUID数据,通过蓝牙Socket中的connect函数,向手持终端申请连接请求。对所传输数据可采用密钥进行加密,再将加密后的信息使用蓝牙非安全模式发送给对方,接收方接到后进行解密,还原数据,由此完成两设备问的数据发送。这将在提高蓝牙连接速度的同时极大地提高数据传输的安全性。

总结

本文实现了基于Android的NFC功能,并提出了将其应用于汽车电子的方案,通过测试比较其与传统蓝牙配对的连接耗时分析结果。在Android系统中加入NFC功能模块,是现代智能化设备日益强烈的需求。而再将其应用于汽车电子中,无论是车载电话、蓝牙音频还是电子钥匙,都简化了人们的生活,提高行驶过程中的安全性,为用户提供了良好的体验。

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