10.04.2016

Bluetooth Smart in Automotive-Anwendungen

Es ist noch nicht viele Jahre her, als Kraftfahrzeuge hauptsächlich mechanischer und weniger elektrischer Natur waren. Trat an einem Auto ein Defekt auf, konnte im Prinzip jeder, der ein wenig technisches Verständnis mitbrachte, eine Lösung finden und die Reparatur vornehmen. In unserer modernen und technisch ausgereifteren Gesellschaft enthalten die meisten Autos jedoch ausgefeilte Elektronik. Diese wird von mehreren Multicore-Applikationsprozessoren gesteuert, die normalerweise in einer ECU (Engine Control Unit) verborgen sind.



Autor: Joakim Lindh, Texas Instruments Bluetooth 


F√ľr die Automobilhersteller dreht sich alles um die Nutzererfahrung der Autofahrer. Zum Beispiel m√∂chte der Hersteller f√ľr eine optimierte Kraftstoffeinspritzung sorgen, eine √§sthetisch ansprechende Formgestaltung bieten und auch die Sicherheit verbessern. Letzteres wird durch fortschrittliche Sensorfusion erreicht, damit das Steuerungssystem w√§hrend der Fahrt st√§ndig mit Informationen √ľber Objekte in der Umgebung, die Geschwindigkeit, den berechneten Fahrweg usw. versorgt wird.


Selbstst√§ndig einparkende Autos gibt es bereits. Das einzige, was dem autonom fahrenden Auto noch im Weg steht, ist der moralische Aspekt, dass der Fahrer dem System vertrauen muss. Die technischen Voraussetzungen w√§ren dagegen alle erf√ľllt.


Konzentrieren wir uns auf die ECU. Sie dient als Zentraleinheit f√ľr die gesamte Intelligenz im Fahrzeug und bildet damit praktisch das Gegenst√ľck zum Gehirn des Menschen. √Ąhnlich wie das Gehirn sammelt die ECU Daten von verschiedenen Sensoren, die auf das Auto verteilt sind. Ihre Zahl kann ohne weiteres mehr als 100 betragen, und die von ihnen gelieferten Daten werden zusammengef√ľhrt, um als Grundlage f√ľr Entscheidungen zu dienen.


Die √úbertragung der Sensordaten im Auto erfolgt in der Regel mit Leitungen. Diese m√ľssen manuell unter teils sehr beengten Platzverh√§ltnissen verlegt werden, was zu den eher zeitraubenden Arbeitsabl√§ufen w√§hrend der Herstellung eines Autos geh√∂rt. Nicht zuletzt erh√∂hen diese Leitungen das Gewicht und die Kosten des Fahrzeugs. Sie lassen sich jedoch durch drahtlose Kommunikation ersetzen, und so befasst sich der vorliegende Beitrag mit den Vorz√ľgen, die die Verwendung von Bluetooth Smart f√ľr diesen Zweck hat.



Bluetooth Smart

Bluetooth Smart ist die Markenbezeichnung von Bluetooth Low Energy. Diese Technik wurde im Jahr 2010 in die Bluetooth 4.0 Spezifikation aufgenommen. Geringer Stromverbrauch, Sicherheit und einfache Anwendung stehen bei ihr im Vordergrund. Den meisten Anwendungsf√§llen ist gemeinsam, dass nur geringe Datenmengen √ľbertragen werden und ein jahrelanger Betrieb mit einer Knopfzelle m√∂glich ist.




Der niedrige Stromverbrauch wird dadurch erzielt, dass die beteiligten Bauelemente den gr√∂√üten Teil der Zeit in einem Schlafmodus verbringen k√∂nnen und nur jeweils f√ľr kurze Zeit aktiviert werden, um einige wenige Datenbytes zu √ľbertragen. Da diese Technik in den meisten F√§llen mit Single-Chip-L√∂sungen implementiert wird, ist sie kosteng√ľnstig und begn√ľgt sich mit wenig Leiterplattenfl√§che. Hinzu kommt, dass Bluetooth Smart anders als das klassische Bluetooth nicht an bestimmte Profile gebunden ist. Stattdessen kann Bluetooth Smart kundenspezifische Profile nutzen, solange diese der GATT-Architektur (Generic Attribute Profile) entsprechen.



Sicherheit

F√ľr Automotive-Anwendungen k√∂nnen allein der geringe Stromverbrauch und die einfache Installation vorteilhaft sein. Am interessantesten ist jedoch der Sicherheitsaspekt. Die Bluetooth Smart innewohnende Sicherheit b√ľrgt daf√ľr, dass die mit diesem Protokoll abgewickelte Kommunikation durch die folgenden Eigenschaften abgesichert wird:

  • Authentifizierung: Schutz vor Man-in-the-middle-Attacken entweder durch Passcode oder Out-of-Band-Kopplung.
  • Autorisierung: Unbekannten oder limitierten Ger√§ten k√∂nnen Funktionen oder Datenzugriffen verweigert werden.
  • Integrit√§t: Gew√§hrleistung eines unverf√§lschten und zuverl√§ssigen drahtlosen Datentransfers.
  • Vertraulichkeit: Es erfolgt eine Verschl√ľsselung nach dem 128-Bit-AES-Verfahren (Advanced Encryption Standard).
  • Datenschutz: Schutz vor Sniffing wird durch Frequency-Hopping √ľber 37 Kan√§le erreicht.



Es gab Diskussionen dar√ľber, dass Bluetooth Smart nicht sicher genug sei, weil es geknackt werden k√∂nne. Tatsache ist aber, dass sich jedes Sicherheitssystem √ľberwinden l√§sst, wenn man das richtige Equipment und gen√ľgend Zeit mitbringt. Es kommt aber darauf an, ein System so sicher zu machen, dass sich der zum √úberwinden der Schutzfunktionen erforderliche Aufwand in zeitlicher und finanzieller Hinsicht nicht rechnet.


Die Einf√ľhrung fortschrittlicher mathematischer Algorithmen, darunter das ECC-Verfahren (Elliptic Curve Cryptography) und sichere Schl√ľsselaustausch-Mechanismen wie etwa Diffie-Hellman (D-H), werden noch sicherere Anwendungen m√∂glich machen. Die Mehrzahl der eingebetteten Single-Chip-L√∂sungen f√ľr Bluetooth Smart sind bereits hierf√ľr ger√ľstet.








Ersatz von Leitungsverbindungen

Wie schon angesprochen, reduzieren sich das Gewicht und die Kosten, wenn Leitungen durch drahtlose Verbinden ersetzt werden. Der Begriff ‚ÄöKosten‚Äė bezieht sich √ľbrigens sowohl auf die Material- und Montagekosten f√ľr den Hersteller als auch auf die Kraftstoffkosten f√ľr den Konsumenten. Sensoren finden sich an vielen Stellen im Auto, und es ist nicht immer praktikabel, Leitungen zu all diesen Sensoren zu verlegen.


Ein gutes Beispiel sind die Reifendrucksensoren, die sich √ľberhaupt nicht mit einem klassischen Kabel anschlie√üen lassen. Es gibt jedoch noch weitere sich bewegende Einsatzorte im Auto, die von einer drahtlosen Verbindung profitieren, so zum Beispiel die im Lenkrad angebrachten Bedienelemente f√ľr das Infotainment-System. Auch die Steuerung f√ľr programmierbare LED-Innenraumbeleuchtungen l√§sst sich g√ľnstig drahtlos implementieren.



Smartphones und Automotive

Im Bluetooth Smart √Ėkosystem spielen Smartphones, die heute zumeist schon f√ľr Bluetooth Smart ger√ľstet sind, eine ganz wichtige Rolle. Die Steuerzentrale im Auto kann also mit den Sensoren sowie mit dem Smartphone des Fahrers kommunizieren, um Diagnosedaten auszugeben oder pers√∂nliche Konfigurationseinstellung einzulesen. Die Kompatibilit√§t erstreckt sich auch auf Tablets, mit deren Hilfe es Servicetechnikern m√∂glich ist, mit dem Steuerger√§t oder ‚Äď falls erlaubt ‚Äď auch mit einzelnen Sensoren zu kommunizieren. Das Smartphone kann sogar als Schl√ľssel dienen und dabei falls gew√ľnscht zus√§tzliche Sicherheits-Features implementieren. Ein Beispiel w√§re die Fingerabdruck-Erkennung des iPhone 5S/6 oder die Zugangssicherung per PIN-Code.


Ebenso k√∂nnte das Benutzerhandbuch f√ľr das Auto interaktiv im Smartphone verf√ľgbar sein. Wenn das Fahrzeug dann eine Warnmeldung beispielsweise wegen zu geringen Reifendrucks senden w√ľrde, k√∂nnte diese mit Informationen dar√ľber kombiniert werden, was als n√§chstes zu tun ist (evtl. mit der Angabe der n√§chsten Tankstelle). Auch Hinweise auf einen bald f√§lligen Kundendienst k√∂nnten an das Smartphone gepusht werden, mit einer Option zur Vereinbarung eines Servicetermins bei der vorher ausgew√§hlten oder der n√§chstgelegenen Werkstatt. Hier k√∂nnten Cloud-Services ins Spiel kommen, die dem Auto √ľber das Smartphone eine Verbindung zum Internet erm√∂glichen. Dies ist nur eine der vielen M√∂glichkeiten, wie Bluetooth Smart die Voraussetzungen f√ľr das Internet of Things schafft.



Qualifikation

Bluetooth-Smart-Ger√§te erfordern zur Sicherstellung der Interoperabilit√§t die Bluetooth SIG-Qualifikation. Diese ist in der Regel Bestandteil der vom Anbieter zur Verf√ľgung gestellten Softwarel√∂sung. Der Qualifikationsprozess schlie√üt Interoperabilit√§ts-Pr√ľfungen mit anderen L√∂sungen ebenso ein wie die Einhaltung eines gro√üen Umfangs an Pr√ľfspezifikationen.


An elektrische Bauteile f√ľr Automotive-Anwendungen werden dar√ľber hinaus besondere Qualit√§tsanforderungen gestellt, damit eine zuverl√§ssige und qualitativ hochwertige Implementierung gew√§hrleistet ist. Der Automotive Electronic Council (AEC) definiert einheitliche Qualifikationsanforderungen f√ľr elektrische Bauelemente, damit eine betriebssichere und vertrauensw√ľrdige L√∂sung entsteht, und der Automotive-Qualifikationsstandard AEC-Q100 b√ľrgt daf√ľr, dass die betreffenden L√∂sungen robust und f√ľr Automotive-Anwendungen geeignet sind. Dabei gelten besondere Pr√ľfanforderungen hinsichtlich der Betriebstemperatur und des Fertigungsablaufs.



Fazit

W√§hrend die Automobile immer ausgefeilter und mittlerweile √ľberraschend intelligent werden, sind f√ľr rationale und sichere Entscheidungen immer mehr Informationen erforderlich. Die Sensorfusion gewinnt deshalb ebenso an Bedeutung wie die drahtlose Konnektivit√§t beispielsweise mit Bluetooth Smart, damit √ľber Bedienelemente im Fahrzeug oder ein Smartphone eine reibungslose Kommunikation mit den zentralen Funktionen eines Fahrzeugs m√∂glich ist.



Eine Single-Chip-Lösung ...

f√ľr die in diesem Artikel behandelten Aspekte bietet Texas Instruments (TI) mit dem Wireless Bluetooth Smart Mikrocontroller CC2541-Q1 an. Es handelt sich dabei um eine komplette Hard- und Softwarel√∂sung f√ľr Automotive-Anwendungen mit Q100-Qualifikation, Muster-Applikationen und Evaluierungs-Tools, die einen einfachen, effizienten und sicheren Weg von der Idee bis zum ersten Prototyp bahnen. Es gibt eine Menge Beispiele f√ľr individuelle GATT-Profile, und s√§mtliche Sicherheits-Features sind unmittelbar verf√ľgbar.


 


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