10.04.2016

Bluetooth Smart in Automotive-Anwendungen

Es ist noch nicht viele Jahre her, als Kraftfahrzeuge haupts├Ąchlich mechanischer und weniger elektrischer Natur waren. Trat an einem Auto ein Defekt auf, konnte im Prinzip jeder, der ein wenig technisches Verst├Ąndnis mitbrachte, eine L├Âsung 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├╝r die Automobilhersteller dreht sich alles um die Nutzererfahrung der Autofahrer. Zum Beispiel m├Âchte der Hersteller f├╝r eine optimierte Kraftstoffeinspritzung sorgen, eine ├Ąsthetisch ansprechende Formgestaltung bieten und auch die Sicherheit verbessern. Letzteres wird durch fortschrittliche Sensorfusion erreicht, damit das Steuerungssystem w├Ąhrend der Fahrt st├Ąndig mit Informationen ├╝ber Objekte in der Umgebung, die Geschwindigkeit, den berechneten Fahrweg usw. versorgt wird.


Selbstst├Ąndig 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├Ąren dagegen alle erf├╝llt.


Konzentrieren wir uns auf die ECU. Sie dient als Zentraleinheit für die gesamte Intelligenz im Fahrzeug und bildet damit praktisch das Gegenstück zum Gehirn des Menschen. Ähnlich 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 zusammengeführt, um als Grundlage für Entscheidungen zu dienen.


Die ├ťbertragung der Sensordaten im Auto erfolgt in der Regel mit Leitungen. Diese m├╝ssen manuell unter teils sehr beengten Platzverh├Ąltnissen verlegt werden, was zu den eher zeitraubenden Arbeitsabl├Ąufen w├Ąhrend der Herstellung eines Autos geh├Ârt. Nicht zuletzt erh├Âhen 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├╝gen, die die Verwendung von Bluetooth Smart f├╝r 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├Ąllen ist gemeinsam, dass nur geringe Datenmengen ├╝bertragen werden und ein jahrelanger Betrieb mit einer Knopfzelle m├Âglich ist.




Der niedrige Stromverbrauch wird dadurch erzielt, dass die beteiligten Bauelemente den gr├Â├čten Teil der Zeit in einem Schlafmodus verbringen k├Ânnen und nur jeweils f├╝r kurze Zeit aktiviert werden, um einige wenige Datenbytes zu ├╝bertragen. Da diese Technik in den meisten F├Ąllen mit Single-Chip-L├Âsungen implementiert wird, ist sie kosteng├╝nstig und begn├╝gt sich mit wenig Leiterplattenfl├Ąche. 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├╝r Automotive-Anwendungen k├Ânnen allein der geringe Stromverbrauch und die einfache Installation vorteilhaft sein. Am interessantesten ist jedoch der Sicherheitsaspekt. Die Bluetooth Smart innewohnende Sicherheit b├╝rgt daf├╝r, 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├Ąten k├Ânnen Funktionen oder Datenzugriffen verweigert werden.
  • Integrit├Ąt: Gew├Ąhrleistung eines unverf├Ąlschten und zuverl├Ąssigen drahtlosen Datentransfers.
  • Vertraulichkeit: Es erfolgt eine Verschl├╝sselung nach dem 128-Bit-AES-Verfahren (Advanced Encryption Standard).
  • Datenschutz: Schutz vor Sniffing wird durch Frequency-Hopping ├╝ber 37 Kan├Ąle erreicht.



Es gab Diskussionen dar├╝ber, dass Bluetooth Smart nicht sicher genug sei, weil es geknackt werden k├Ânne. Tatsache ist aber, dass sich jedes Sicherheitssystem ├╝berwinden l├Ąsst, wenn man das richtige Equipment und gen├╝gend Zeit mitbringt. Es kommt aber darauf an, ein System so sicher zu machen, dass sich der zum ├ťberwinden der Schutzfunktionen erforderliche Aufwand in zeitlicher und finanzieller Hinsicht nicht rechnet.


Die Einf├╝hrung fortschrittlicher mathematischer Algorithmen, darunter das ECC-Verfahren (Elliptic Curve Cryptography) und sichere Schl├╝sselaustausch-Mechanismen wie etwa Diffie-Hellman (D-H), werden noch sicherere Anwendungen m├Âglich machen. Die Mehrzahl der eingebetteten Single-Chip-L├Âsungen f├╝r Bluetooth Smart sind bereits hierf├╝r ger├╝stet.








Ersatz von Leitungsverbindungen

Wie schon angesprochen, reduzieren sich das Gewicht und die Kosten, wenn Leitungen durch drahtlose Verbinden ersetzt werden. Der Begriff ÔÇÜKostenÔÇś bezieht sich ├╝brigens sowohl auf die Material- und Montagekosten f├╝r den Hersteller als auch auf die Kraftstoffkosten f├╝r 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 ├╝berhaupt nicht mit einem klassischen Kabel anschlie├čen 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├╝r das Infotainment-System. Auch die Steuerung f├╝r programmierbare LED-Innenraumbeleuchtungen l├Ąsst sich g├╝nstig drahtlos implementieren.



Smartphones und Automotive

Im Bluetooth Smart ├ľkosystem spielen Smartphones, die heute zumeist schon f├╝r Bluetooth Smart ger├╝stet 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├Ânliche Konfigurationseinstellung einzulesen. Die Kompatibilit├Ąt erstreckt sich auch auf Tablets, mit deren Hilfe es Servicetechnikern m├Âglich ist, mit dem Steuerger├Ąt oder ÔÇô falls erlaubt ÔÇô auch mit einzelnen Sensoren zu kommunizieren. Das Smartphone kann sogar als Schl├╝ssel dienen und dabei falls gew├╝nscht zus├Ątzliche Sicherheits-Features implementieren. Ein Beispiel w├Ąre die Fingerabdruck-Erkennung des iPhone 5S/6 oder die Zugangssicherung per PIN-Code.


Ebenso k├Ânnte das Benutzerhandbuch f├╝r das Auto interaktiv im Smartphone verf├╝gbar sein. Wenn das Fahrzeug dann eine Warnmeldung beispielsweise wegen zu geringen Reifendrucks senden w├╝rde, k├Ânnte diese mit Informationen dar├╝ber kombiniert werden, was als n├Ąchstes zu tun ist (evtl. mit der Angabe der n├Ąchsten Tankstelle). Auch Hinweise auf einen bald f├Ąlligen Kundendienst k├Ânnten an das Smartphone gepusht werden, mit einer Option zur Vereinbarung eines Servicetermins bei der vorher ausgew├Ąhlten oder der n├Ąchstgelegenen Werkstatt. Hier k├Ânnten Cloud-Services ins Spiel kommen, die dem Auto ├╝ber das Smartphone eine Verbindung zum Internet erm├Âglichen. Dies ist nur eine der vielen M├Âglichkeiten, wie Bluetooth Smart die Voraussetzungen f├╝r das Internet of Things schafft.



Qualifikation

Bluetooth-Smart-Ger├Ąte erfordern zur Sicherstellung der Interoperabilit├Ąt die Bluetooth SIG-Qualifikation. Diese ist in der Regel Bestandteil der vom Anbieter zur Verf├╝gung gestellten Softwarel├Âsung. Der Qualifikationsprozess schlie├čt Interoperabilit├Ąts-Pr├╝fungen mit anderen L├Âsungen ebenso ein wie die Einhaltung eines gro├čen Umfangs an Pr├╝fspezifikationen.


An elektrische Bauteile f├╝r Automotive-Anwendungen werden dar├╝ber hinaus besondere Qualit├Ątsanforderungen gestellt, damit eine zuverl├Ąssige und qualitativ hochwertige Implementierung gew├Ąhrleistet ist. Der Automotive Electronic Council (AEC) definiert einheitliche Qualifikationsanforderungen f├╝r elektrische Bauelemente, damit eine betriebssichere und vertrauensw├╝rdige L├Âsung entsteht, und der Automotive-Qualifikationsstandard AEC-Q100 b├╝rgt daf├╝r, dass die betreffenden L├Âsungen robust und f├╝r Automotive-Anwendungen geeignet sind. Dabei gelten besondere Pr├╝fanforderungen hinsichtlich der Betriebstemperatur und des Fertigungsablaufs.



Fazit

W├Ąhrend die Automobile immer ausgefeilter und mittlerweile ├╝berraschend intelligent werden, sind f├╝r rationale und sichere Entscheidungen immer mehr Informationen erforderlich. Die Sensorfusion gewinnt deshalb ebenso an Bedeutung wie die drahtlose Konnektivit├Ąt beispielsweise mit Bluetooth Smart, damit ├╝ber Bedienelemente im Fahrzeug oder ein Smartphone eine reibungslose Kommunikation mit den zentralen Funktionen eines Fahrzeugs m├Âglich ist.



Eine Single-Chip-L├Âsung ...

f├╝r 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├Âsung f├╝r 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├╝r individuelle GATT-Profile, und s├Ąmtliche Sicherheits-Features sind unmittelbar verf├╝gbar.


 


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