新型內嵌低功耗藍牙汽車鑰匙遠程控制應用

摘 要： 針對傳統汽車鑰匙多按鍵操作模式以及控制對象單一等特點，在汽車智能主控系統的基礎上，提出并設計一種低功耗藍牙通信技術的汽車智能鑰匙控制系統。采用16位飛思卡爾MC9S12XS128作為主控制器，在汽車被動式進入與啟動（CAPE）模塊中添加低功耗藍牙通信模塊，與智能手機和汽車鑰匙進行無線通信，并完成了由CC2541芯片作為控制器的汽車鑰匙系統，通過重力加速度傳感器CMA3000識別手勢，控制汽車門鎖開關、車窗升降等功能。最后，搭建模擬實驗平臺，對系統主要性能和功能進行測試驗證，實驗表明，該系統具有安全性高、性能穩定、智能化、使用方便等特點。

關鍵詞： 無線通信； 智能化系統； 低功耗藍牙； 汽車鑰匙

中圖分類號： TN915?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）12?0154?05

Abstract： In view of the characteristics of multi?button and single object control of the traditional cars key， a car intelligent key control system with low?power consumption bluetooth communication technology was designed based on car intelligent master control system. 16?bit Freescale MC9S12XS128 is adopted as host controller. The low?power bluetooth communication module is added into CAPE module to achieve wireless communication between smart phone and key， and complete the car key system taking CC2541 chip as controller. The gravitational acceleration sensor is adopted to identify gestures and control door switch， windows lift， etc. A simulation experiment platform was established to the main performances and functions. The experiment results show that the system has the characteristics of high safety， stable performance， intelligence， convenient use， etc.

Keywords： wireless communication； intelligence system； low?power consumption bluetooth； car key

0 引 言

近年來，藍牙技術在物聯網智能交通領域的應用前景非常樂觀。車載電子系統正向智能化、網絡化和信息化方向發展，汽車市場已經成為我國經濟重要的增長點，無線通信技術在汽車等移動系統中有著廣泛的應用前景。但在這方面的研究與應用進展相對緩慢，這就給藍牙技術應用提供了較為廣闊的空間[1]。車鑰匙和智能手機可以利用低功耗藍牙技術來實現無線遙控開關車門、遠程啟動，與車內車輛檢測系統無線交換數據等功能。具有智能化、集成化程度高、使用方便等優點，便于今后汽車控制的網絡化和智能化。

傳統汽車鑰匙系統主要實現開關車門、發動汽車等最基本功能，顯然目前傳統鑰匙的功能已經無法滿足用戶對汽車的控制需求。文中設計的低功耗藍牙汽車鑰匙是整個汽車電氣智能控制平臺設計的一部分，其主要特點是采用了低功耗藍牙通信，單按鈕操作，以及三軸加速度傳感器技術。該汽車鑰匙可作為手機應用軟件啟動的認證工具以及可通過低功耗藍牙通信實現對汽車開關車門、升降窗等功能[2]。

1 系統整體設計方案

1.1 藍牙汽車智能控制平臺方案闡述

文章設計的重點在于低功耗藍牙汽車鑰匙，屬于汽車智能控制系統的一部分。首先，在此簡單闡述整體汽車智能控制系統方案。如圖1所示，低功耗藍牙的汽車智能控制平臺架構，主要由模擬試驗臺、汽車鑰匙、智能手機三部分組成，其三者通過藍牙4.0技術進行數據通信。車身主控制芯片采用飛思卡爾16位MC9S12XS128芯片，車身主控部分由電源、檢測和驅動模塊構成，通過CAN總線與CAPE（汽車被動式進入與啟動模塊）進行通信。

1.2 低功耗藍牙汽車鑰匙方案

文中設計的低功耗藍牙汽車智能鑰匙系統采用藍牙4.0模塊，系統主要由電池、三軸加速度傳感器（CMA3000）、32 MHz晶振電路、藍牙主控芯片（CC2541）、藍牙發射接收天線（PCB天線）組成，其中藍牙天線是和藍牙主控芯片CC2541相連接的。系統整體設計方案框圖，如圖2所示。

該汽車鑰匙系統采用單按鈕設計實現對汽車的開關門、升降窗及遠程啟動等控制功能，通過按鈕的時間長短來判斷使用者的兩個控制意圖：第一，手勢控制，即通過鑰匙的擺動方式來控制車身狀態，例如開關車門鎖，升降車窗等；第二，遠程啟動，即用戶長按按鈕超過3 s就可以輕松實現對汽車的遠程啟動控制。藍牙主控芯片CC2541根據按鍵信息和三軸加速度傳感器CMA3000采樣值判斷輸出的控制意圖，發射相應的射頻信號。當汽車電氣智能控制系統模擬實驗臺收到該射頻信號后，做出對應的動作響應。

2 汽車鑰匙各硬件模塊設計

2.1 藍牙主控模塊

為滿足本系統汽車鑰匙設計功能的要求， 選用TI低功耗藍牙規范的CC2541芯片，其最低功耗模式的耗電量僅為0.5 μA，且芯片工作的電壓范圍較寬，為2～3.6 V，且工作穩定。與之前的CC2540相比，CC2541提供更低的RF損耗，并在TX模式中提供較低的最大輸出功率[3]。更重要的是其安全性，文中所選擇的CC2541使用AES?128 CCM加密算法進行數據包加密和認證。

如圖3中①所示，設計了兩個時鐘電路：接在芯片的22管腳和23管腳兩端的一個時鐘電路由200 MHz的石英晶振（Q200）和C214，C215兩個電容構成；接在芯片的32管腳和33管腳兩端的另一個時鐘電路由32.768 kHz的石英晶振（Q201）和C216，C217兩個電容構成。模擬電源和芯片的數字電源與地之間就近接入濾波電容。此外，芯片有內置的1.8 V穩壓模塊，為整個系統電路提供穩定的工作電壓。

2.2 射頻匹配模塊

圖3中②為射頻匹配電路模塊，射頻網絡工作的基本原理為：射頻信號從管腳25（RF_P）和管腳26（RF_N）引出，為一對等幅反相的差分信號。兩路差分信號經過電容值均為18 pF的隔直電容C209，C210后濾掉直流分量且相位被調整至同相。設計中采用PCB天線作為藍牙發射接收天線，由于PCB天線是單極子天線演化而來，故須使用匹配電路進行信號轉換和阻抗匹配，采用分立的電容以及電感組成的匹配網絡實現了匹配電路的設計。匹配電路由C212，L200，L201構成，將雙端信號轉換成兩倍的單端信號輸出，以達到與PCB天線的匹配。信號經過匹配電路后雖然已經變成單極性，但其輸出阻抗還不是標準的50 Ω，還需通過L203，L202以及C213組成的網絡后才能轉接至天線[4]。實際使用時可根據需要接入高頻器件以進行阻抗匹配網絡調試。

2.3 三軸加速度傳感器模塊

汽車鑰匙可以通過三軸加速度傳感器技術實現手勢控制汽車車門的開關、車窗的升降等功能，文中選用VTI公司的三軸加速度傳感器模塊CMA3000芯片，原理圖如圖4所示。CMA3000芯片采用信號調理、單極低通濾波器和溫度補償技術，提供±2 g/±8 g四個量程，可在這4個靈敏度中選擇。該器件帶有低通濾波并已做0 g補償，提供休眠模式，其在100 Hz/400 Hz樣本頻率時，電流工作小于70 μA，在40 Hz/10 Hz樣本頻率時，電流小于10 μA，因而是汽車用低功耗產品的理想選擇。

3 汽車鑰匙軟件設計

汽車鑰匙端是本文所設計的基于低功耗藍牙汽車電氣智能控制平臺中的一個重要客戶端，用戶可以通過這把藍牙智能鑰匙實現對汽車的遠程啟動、開關門鎖、升降車窗、及作為實現無鑰匙進入與啟動功能的認證。所以，要實現這些功能除了有核心硬件設計，還要有精準的軟件設計的相輔相成。如圖5所示，鑰匙端軟件設計主要流程。

整個軟件系統是在IAR開發環境中實現，首先系統初始化，設置鑰匙藍牙設備的角色為從站，鑰匙開始發送廣播數據作為手機能夠直接控制汽車的認證信息，然后進入系統任務進行查詢，判斷是否有任務產生，如果有任務產生，繼續判斷是否是鑰匙按鈕按下，按鈕按下的情況根據按下時間的不同分為長按和短按兩種；如果是短按按鈕，還需結合讀取到的三軸加速度傳感器信息分析對應的手勢動作，從而最終確定發出的是開/關門鎖，還是升/降窗控制命令；如果是長按按鈕，則發送遠程啟動/停止命令。

3.1 鑰匙與汽車通信

設計的鑰匙通信主要包括：

（1） 汽車鑰匙通過低功耗藍牙發送控制命令給汽車電氣智能控制系統模擬實驗臺；

（2） 通過射頻實現汽車被動式進入與啟動（Passive Entry and Pssive Start，PEPS）的功能[5?6]。如圖6所示為汽車鑰匙與智能控制系統模擬實驗臺之間的通信示意圖。當其接收到外部觸發信號（啟動/停止按鈕或門把手觸摸信號）時，啟動低頻天線，將125 kHz低頻信號發出，喚醒用戶身上攜帶的遙控鑰匙；遙控鑰匙被喚醒后，通過315 MHz 或433 MHz 高頻信號對CAPE 控制器進行應答確認其在有效范圍內；CAPE 控制器獲得到合法的高頻信息反饋后，判斷當前汽車狀況，執行啟動發動機或打開車門等相應的動作。

3.2 模擬鑰匙應用軟件控制界面設計

由于iOS手機系統很好地解決了兼容性問題并簡化藍牙4.0程序開發的復雜性，對藍牙4.0的進一步發展和應用大有裨益。針對這一發展趨勢，文中將智能終端與車載應用相結合，設計了基于藍牙4.0的汽車電氣智能控制系統手機應用軟件，用戶可以實現手機對擁有低功耗藍牙模塊的汽車進行遠程控制、狀態信息監測等功能。

軟件控制分為兩個控制界面：主控制界面和其他控制界面，主控制界面如圖7（a）所示，其模擬用戶所熟悉的汽車鑰匙控制功能設計，實現了對汽車的遠程啟動控制、車門鎖的一鍵開關、車窗升降以及后備箱的開啟功能等，定義MainControlView為主控制界面的類；此外，為了凸顯所設計的應用軟件的控制功能的全面覆蓋性，軟件又設計了具有其他控制功能的界面如圖7（b）所示，定義MoreControlView為其他功能控制界面的類，主要實現了對汽車的四個車門鎖開關、所有的車窗升降、所有的燈光控制功能[7?9]。

4 實驗研究

根據文中所述設計方案搭建系統測試平臺，對系統的功能和運行方式進行驗證，主要分析和驗證通信性能、手機端應用軟件和鑰匙端功能以及汽車電氣智能控制系統模擬實驗臺功能、整個平臺設計的合理性等。

4.1 藍牙汽車控制系統測試平臺

圖8為系統測試平臺實物圖，圖8中標識1為模擬汽車上開關量測試平臺，標識2為汽車電氣智能控制系統模擬實驗臺主控板，標識3為汽車鑰匙，標識4為應用軟件平臺：iphone手機，標識5所示為開發編程用PC機。在搭建好的測試平臺中，手機遠程控制端、鑰匙控制端及汽車電氣智能控制系統模擬實驗臺主控板實現對汽車開關量控制的測試，驗證各個模塊功能的可實現性。

4.2 鑰匙系統手機應用軟件功能測試

圖9為所設計的手機應用軟件在Iphone模擬器和Iphone真機上的測試與驗證圖。該應用軟件是兼容iOS6和iOS7的，在iOS6系統中，可以采用Iphone模擬器結合市場上用的藍牙USB，實現汽車電氣智能控制系統模擬實驗臺的功能控制與信息檢測。

根據手機應用端對應汽車電氣智能控制系統模擬實驗臺的功能需求，通過在圖9所示的實驗平臺中進行實際操作，對應用軟件的控制界面、信息顯示界面進行測試，其每個控制功能都能成功實現，模擬平臺上的開關變量指示燈也能對應的響應執行。與此同時，由于Xcode開發軟件內部已集成了相關的日志輸出，也可以在PC機上查看對應控制信息狀態，可以在日志中打印出相應的控制信息與狀態信息數據，從而驗證通信協議是否實現。

4.3 鑰匙與模擬實驗臺藍牙模塊通信測試

文中的汽車鑰匙主要是用來實現對汽車的車門、車窗、遠程啟動的控制及PEPS功能的實現，為了驗證鑰匙端軟硬件設計功能是否實現，與手機端功能驗證相同，根據鑰匙端遠程控制功能需求，通過結合單按鈕按鍵和手勢的左右轉動、前后轉動以及按鍵按下時間的長短來實現對車門、車窗、遠程啟動的控制功能。鑰匙端發出的控制命令是否正確執行，可以在系統測試平臺上（見圖8）直觀地看到指示燈的亮滅來判斷。與此同時，鑰匙端的控制信息數據也可以通過在IAR環境中直接比對數組數據，從而驗證通信協議是否實現。

圖10為在調試過程中使用的藍牙通信信息數據捕捉工具Sniffer，通過Sniffer可以直接查看鑰匙端及手機端控制命令數據或者模擬實驗臺中的藍牙模塊所發出的廣播數據信息，從而有效驗證了三方通信協議的一致性[10]。

4.4 系統實際運行測試

通過以上系統測試，將模擬實驗臺主控制板安裝在模擬實驗臺和某品牌真車上進行操作，結合手機應用軟件及汽車鑰匙聯合調試，實驗如圖11所示。運行結果表明，文中設計的低功耗藍牙汽車鑰匙平臺能夠實現三方通信功能，手機應用軟件能夠實現對汽車的遠程控制和狀態信息監測，手機端能夠搜索到鑰匙發送的廣播認證信息并通過認證，手機端可以作為主站模式，實現車門、車窗、車燈、遠程啟動等的控制功能，同時能夠實時檢測汽車的狀態信息，信息顯示結果與實際操作內容相同。

經實際真車測試，在空曠場地，手機、鑰匙與CC2541的最遠通信距離為15 m，通過優化天線和增加藍牙自省功耗設置，可以適當增加通信距離，基本滿足了日常使用需求。

在沒有汽車鑰匙的情況的下，僅僅通過手機就能完成控制汽車與獲取車輛信息的操作。同時，系統使用了基于藍牙4.0的芯片CC2541，設備的功耗大大降低，很適合像車輛這樣不易更換，不經常維修的設備。經實踐驗證，構建的藍牙控制系統響應速度快，損耗和制造成本低，具有較為潛在的應用價值。

5 結 語

本文在汽車智能控制系統的基礎上，提出并設計了一種低功耗內嵌藍牙4.0汽車鑰匙系統，并完成了模擬實驗臺主控板功能實現驗證、手機應用軟件測試、鑰匙與模擬實驗臺藍牙模塊通信測試、汽車鑰匙平臺實際運行測試等一系列實驗，根據實際結果運行實驗表明，該設計方案測試效果較好，可行性強。

參考文獻

[1] 胡海峰，史忠科，徐德文.智能汽車的發展研究[J].計算機應用研究，2004（6）：20?23.

[2] 熊和金.智能汽車系統研究的若干問題[J].交通運輸工程學報，2001，1（2）：37?40.

[3] 王軼，張凡.CAN總線技術在智能汽車系統中的應用[J].微計算機信息，2005（7）：48?50.

[4] 呂立亞，王兆伍.基于藍牙的汽車CAN網絡信號無線測量系統[J].計算機測量與控制，2009，17（2）：281?283.

[5] ALRABADY A I， MAHMUD S M. Analysis of attacks against the security of keyless?entry systems for vehicles and suggestions for improved designs [J]. IEEE transactions on vehicular technology， 2005， 54（1）： 41?50.

[6] 徐金茍.藍牙4.0底層核心技術協議研究與實現[D].上海：上海交通大學，2012：21?26.

[7] 呂松棟，黎卓芳.藍牙4.0低功耗技術及其認證要求[J].現代電信科技，2011，41（10）：17?20.

[8] 張海倫，朱志杰，朱桑之，等.基于藍牙技術的汽車駕駛盤控制系統[J].計算機系統應用，2011，20（7）：137?140.

[9] 丁龍剛.基于藍牙的汽車物聯網應用與開發[J].現代電子技術，2011，34（17）：45?46.

[10] 任敏，孟文.基于藍牙技術的PC機與手機的數據通信[J].控制工程，2010，17（S3）：121?122.