集成蓝牙钥匙的无钥匙进入及启动系统设计

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　　摘  要：随着汽车用户对于手机钥匙需求的不断提高，该文设计了一种集成蓝牙钥匙的无钥匙进入及启动系统，通过手机蓝牙与车载蓝牙模块的加密认证，引入蓝牙钥匙作为无钥匙进入及启动系统的电子钥匙，成为除智能钥匙以外的一种全新钥匙形式，实现对车辆的解闭锁及一键启动控制。在系统高安全性、高防盗性的基础上，提供一种更加舒适便捷的方式。基于标准的CAN通信协议，设计完成了功能逻辑协议及加密信息交互协议，并通过了专用的仿真测试平台验证，证明了该系统的有效性、实用性及安全性。
　　关键词：无钥匙进入及启动系统;智能钥匙;蓝牙钥匙;PEPS控制器;CAN总线
　　中图分类号：TP271           文献标志码：A
　　0 引言
　　无钥匙进入及启动系统（Passive Entry and Passive Start，PEPS）通过用户触发门把手开关及启动按钮，激活车身控制器并与智能钥匙进行高低频的加密通信认证，以完成对智能钥匙的定位，进而实现对车辆的解闭锁控制功能和一键启动控制功能。
　　该文提出了一种方案，将手机上标配的蓝牙技术应用于汽车控制系统中，与无钥匙进入及启动系统相融合，通过手机蓝牙应用即可实现对车辆的解闭锁及一键启动控制，在系统高安全性、高防盗性的基础上，为汽车用户提供了一种更舒适便捷的全新使用方式。
　　1 系统简介
　　集成蓝牙钥匙的无钥匙进入及启动系统，相当于在系统中引入了一种蓝牙钥匙[1]，如果说智能钥匙是一种真实存在的“物理钥匙”，那么蓝牙钥匙就相当于一把“电子钥匙”，智能钥匙通过LF及RF通信与车身的PEPS控制器进行加密认证，而蓝牙钥匙则是通过蓝牙技术与车身的蓝牙模块进行身份识别，两者的实现方式不同，但在系统中的作用却是相同的。通过蓝牙钥匙的引入，用户可以选择不携带智能钥匙，仅通过手机中的蓝牙应用，即可以实现对车辆的解闭锁控制和一键启动控制[2] 。
　　2 系统设计
　　2.1 系统架构设计
　　集成蓝牙钥匙的无钥匙进入及启动系统，主要由PEPS控制器、蓝牙模块、BCM控制器、智能钥匙、手机蓝牙、启动按钮、低频天线、门把手开关模块及后备箱开关组成，系统框图如图1所示。
　　PEPS控制器是系统的核心控制单元，用于检测门把手开关、启动按钮、后备箱开关等开关触发信号，可通过驱动低频天线查找及定位智能钥匙，支持接收智能钥匙的射频信号，支持与智能钥匙、蓝牙模块及EMS进行加密认证通信，可通过CAN总线获取车身信息并发布控制命令。
　　蓝牙模块即车载蓝牙控制模块，与手机蓝牙模块建立连接，完成加密认证及身份识别，接收来自手机蓝牙的控制命令并反馈执行结果，通过CAN总线转发蓝牙钥匙身份信息，并与PEPS控制器进行加密认证[3]。
　　BCM控制器是Body Control Module的缩写，是车身控制单元，支持对车身的灯、门、窗、锁等进行驱动控制及检测，在PEPS系统中接收来自CAN总线的控制命令，完成对门锁电机及灯光的控制，并将相关负载状态发布到CAN总线中。
　　智能钥匙支持与PEPS控制器进行LF及RF双向加密通信认证，支持通过触发钥匙按键向PEPS发送RF控制命令，为系统提供钥匙的位置及身份信息。
　　手机蓝牙即手机上的蓝牙模块，通过手机的特定应用软件，支持与車载蓝牙模块进行连接及通信认证，为系统提供身份信息、位置信息及控制命令。
　　启动按钮是车身的启动开关，通常布置在方向盘右侧或中控台上，是一键启动功能的触发开关，用户可通过触发开关来启动车辆，可通过开关上的指示灯对车辆启动状态进行识别。
　　低频天线是PEPS控制器发布LF数据的载体，均匀布置在车内空间中，在车内建立了完整、均匀的LF磁场，以实现对智能钥匙的定位。
　　门把手开关模块集成了门把手开关及低频天线，是无钥匙进入功能的触发开关及PEPS控制器LF通信的载体，用户可通过触发门把手开关来发起解锁或闭锁控制。
　　后备箱开关是布置在汽车后备箱外部的开关，用户可通过触发后备箱开关来发起后备箱解锁控制，是PEPS系统解锁后备箱的触发源。
　　2.2 系统工作原理
　　无钥匙进入及启动系统，主要包含无钥匙解闭锁车辆、无钥匙解锁后备箱及一键启动车辆3个功能。
　　无钥匙解闭锁车辆功能，用户携带与车辆匹配的钥匙，进入司机门或副司机门侧的有效区域，通过触发门把手开关，激活车身控制器与钥匙之间的加密通信，完成车辆对钥匙的身份识别及定位，再通过PEPS控制器向BCM控制器发送CAN总线的解锁或闭锁命令，从而完成对门锁的控制，实现车辆的解闭锁功能。
　　无钥匙解锁后备箱功能，用户携带与车辆匹配的钥匙，进入后备箱侧的有效区域，通过触发后备箱开关，激活车身控制器与钥匙之间的加密通信，完成车辆对钥匙的身份识别及定位，再通过PEPS控制器向BCM控制器发送CAN总线的解锁后备箱命令，从而完成对后备箱的解锁控制，实现车辆的解锁后备箱功能。
　　一键启动功能，用户携带与车辆匹配的钥匙进入汽车内，通过踩刹车并按下启动开关动作，激活车身控制器与钥匙之间的加密认证，完成车辆对钥匙的身份识别及定位，并控制汽车电源档位切换，促使发动机防盗系统完成加密认证，以保证后续动作实现车辆启动成功。
　　在系统中，钥匙分为智能钥匙及蓝牙钥匙，智能钥匙采用LF及RF通信技术，与PEPS控制器进行双向认证，用来完成车辆和智能钥匙的身份识别及定位。蓝牙钥匙采用蓝牙技术，与车载蓝牙模块完成连接和通信，用来完成车辆和蓝牙钥匙的身份识别及定位。PEPS控制器在完成智能钥匙或蓝牙钥匙的身份识别及定位后，才控制后续动作顺序完成。
　　3 关键技术设计 　　3.1 LF及RF通信技术
　　PEPS控制器和智能钥匙之间采用LF及RF通信技术实现信息交互，完成系统的钥匙身份校验及定位。PEPS控制器作为LF数据的发射端和RF数据的接收端，而智能钥匙则为LF数据的接收端和RF数据的发射端，选取125 Hz作为LF通信频率，选取434 MHz作为RF通信频率。
　　PEPS控制器实时检测触发信号，包括门把手开关、启动按钮、后备箱开关，当触发信号有效时，则立即发送LF数据，同时开始等待智能钥匙的RF响应数据。
　　智能钥匙实时监听LF数据，如果此时智能钥匙在PEPS的LF覆盖区域内，则智能钥匙会被激活，同时立即校验接收数据的合法性，当数据合法时，则根据接收到的LF数据进行磁场数据拟合，并将数据按照RF通信协议加密发送出去。
　　PEPS控制器在等待超时时间内接收到智能钥匙响应的RF数据，则立即对数据中的钥匙身份信息进行校核，确认钥匙信息合法后，则根据钥匙位置信息判定是否满足当前动作要求，如满足，则执行相应动作，如不满足，则退出。
　　3.2 CAN总线通信协议设计
　　CAN总线是PEPS控制器、蓝牙模块、BCM控制器之间唯一的信息交互渠道，为保证系统能够正常工作，CAN总线的协议设计尤为关键。在无钥匙进入及启动系统中，CAN协议设计主要包含功能逻辑信息交互协议及加密信息交互协议。
　　3.2.1 功能逻辑信息交互协议
　　在无钥匙进入及启动系统中，功能逻辑相关的CAN协议主要指PEPS控制器与BCM控制器之间通信协议。PEPS控制器是解闭锁功能的控制端，而BCM控制器则是解闭锁功能的执行端，PEPS控制器需要向BCM控制器提供触发开关的检测状态、车辆电源管理档位状态及解闭锁命令等，BCM控制器需要向PEPS控制器提供门、门锁等负载状态，因此，为满足系统响应时序，PEPS控制器和BCM控制器的CAN节点选择为周期事件混合帧类型的应用报文，实时向总线发布相关信息。
　　3.2.2 加密信息交互协议
　　无钥匙进入及启动系统，是车辆防盗系统的核心控制单元，而PEPS控制器则是该防盗系统的枢纽，其既需要保证与智能钥匙、蓝牙钥匙的身份识别认证，又需要保证与EMS的发动机防盗认证。因此，基于CAN总线通信的加密信息交互协议就包括PEPS控制器与蓝牙模块之间的加密交互协议、PEPS控制器与EMS之间的加密交互协议。
　　手机蓝牙模块与车载蓝牙模块建立连接并实现身份识别验证后，蓝牙模块需要通过CAN总线将蓝牙钥匙的信息发送给PEPS控制器，而为了保证系统的防盗性，该过程设计为加密通信，即只有蓝牙模块发布的数据通过了PEPS控制器的认证后，才可以利用蓝牙钥匙的信息。因此，蓝牙模块的CAN节点选择事件帧类型作为加密认证和信息发布的报文，报文中包含加密数据字节、蓝牙钥匙信息字节、Checksum字节。PEPS控制器的CAN节点选择事件帧类型作为加密认证和结果反馈的报文，报文中需要包含加密数据字节、认证结果状态字节、Checksum字节。
　　為了满足一键启动功能，PEPS在完成钥匙身份识别后，需要控制车辆的电源档位切换，同时触发与EMS的发动机防盗认证，只有通过了EMS的加密认证，才能保证发动机的启动成功。因此，PEPS控制器的CAN节点选择事件帧类型作为加密认证和信息发布的报文，报文中包含加密数据字节、电源档位信息字节、Checksum字节。EMS的CAN节点选择事件帧类型作为加密认证和结果反馈的报文，报文中需要包含加密数据字节、加密认证结果状态、Checksum字节。
　　3.3 蓝牙钥匙控制策略设计
　　在无钥匙进入及启动系统中引入蓝牙钥匙，则需要对蓝牙钥匙及智能钥匙的处理策略进行融合，既要保证各逻辑功能的正常执行，也要保证各异常处理策略的完善。蓝牙钥匙的控制流程如下。
　　蓝牙模块周期广播信息，手机蓝牙进入有效区域内，则会与蓝牙模块建立连接，当蓝牙模块校验身份信息合法后，则会立即发起与PEPS控制器的加密认证，在接收到PEPS控制器的响应后，则利用秘钥对数据进行加密，并发送加密认证数据。
　　PEPS控制器实时接收蓝牙模块的认证请求，收到后立即响应蓝牙模块加密数据，同时等待蓝牙模块响应的加密数据，如果收到蓝牙模块的加密数据且校验通过后，则蓝牙钥匙有效，否则蓝牙钥匙无效。
　　结合PEPS控制器与智能钥匙的认证流程，智能钥匙有效性的优先级高于蓝牙钥匙，即只有当未检测到有效的智能钥匙时，才会利用蓝牙钥匙的信息。
　　4 系统测试及分析
　　4.1 测试环境
　　针对上述设计方案，搭建了试验测试平台，即利用CANoe软件设计CAN网络仿真，实现蓝牙模块、BCM控制器及EMS节点的功能逻辑协议、加密信息协议的仿真，利用开关、继电器等基本负载实现启动按钮、门把手开关等测试平台的搭建，将设计完成的PEPS控制器、智能钥匙作为被测对象在测试平台中进行验证[4] 。
　　4.2 测试结果
　　利用上述测试平台对PEPS控制器进行了大量的测试，包括CAN总线协议的收发、LF及RF通信、智能钥匙位置判断算法、基本功能等。
　　CAN总线协议测试，设定系统CAN通信频率为500 kbps，基于设计的功能逻辑信息交互协议，测试PEPS控制器对BCM控制器发送的信号接收情况，测试PEPS控制器发布的状态信号情况，经测试，可实现准确收发。基于设计的加密信息交互协议，测试PEPS控制器与蓝牙模块、EMS模块之间的加密认证流程，经测试，可以满足加密认证协议，且信号收发正常。
　　LF及RF通信测试，PEPS控制器和智能钥匙之间采用125 Hz作为LF通信频率，434 MHz作为RF通信频率通信频率，两点之间采用加密认证，经测试，数据通信稳定，可实现加密认证，且改变智能钥匙与PEPS控制器的相对位置，PEPS控制器能够有效识别智能钥匙的位置变化，通过一定的算法，模拟识别智能钥匙在系统中的几个关键位置。
　　基本功能测试，PEPS控制器支持解闭锁、解锁后备箱及一键启动功能，在测试平台中，通过模拟的CAN网络及开关触发信号，实现了智能钥匙和蓝牙钥匙2种钥匙集成的无钥匙进入及启动系统的基本功能。
　　5 结论
　　该文设计并实现了一种集成蓝牙钥匙功能的无钥匙进入及启动系统，使用户可以通过手机蓝牙功能对车辆进行相关控制，为无钥匙进入及启动系统的进一步推广提供了一种新的可能。随着手机行业的快速发展，蓝牙技术作为一个接口，可以实现手机与汽车之间更多的互联，相信可以为汽车用户提供更多舒适便捷的功能。
　　参考文献
　　[1]Gil Held.无线数据传输网络[M].粟欣，译.北京：人民邮电出版社，2001.
　　[2]朱刚，谈振辉，周贤伟.蓝牙技术原理与协议[M].北京：清华大学出版社，2002.
　　[3]范卫平.基于RSSI的汽车无钥匙进入系统的研究与实现[D].合肥：合肥工业大学，2014.
　　[4]杨金升，张可晨，唐新宇.CANoe开发从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2019.
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