10.04.2016

Bluetooth Smart in Automotive-Anwendungen

Es ist noch nicht viele Jahre her, als Kraftfahrzeuge hauptsÀchlich mechanischer und weniger elektrischer Natur waren. Trat an einem Auto ein Defekt auf, konnte im Prinzip jeder, der ein wenig technisches VerstÀndnis 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 


FĂŒr die Automobilhersteller dreht sich alles um die Nutzererfahrung der Autofahrer. Zum Beispiel möchte der Hersteller fĂŒr eine optimierte Kraftstoffeinspritzung sorgen, eine Ă€sthetisch ansprechende Formgestaltung bieten und auch die Sicherheit verbessern. Letzteres wird durch fortschrittliche Sensorfusion erreicht, damit das Steuerungssystem wĂ€hrend der Fahrt stĂ€ndig mit Informationen ĂŒber Objekte in der Umgebung, die Geschwindigkeit, den berechneten Fahrweg usw. versorgt wird.


SelbststĂ€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 wĂ€ren dagegen alle erfĂŒllt.


Konzentrieren wir uns auf die ECU. Sie dient als Zentraleinheit fĂŒr die gesamte Intelligenz im Fahrzeug und bildet damit praktisch das GegenstĂŒck 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 zusammengefĂŒhrt, um als Grundlage fĂŒr Entscheidungen zu dienen.


Die Übertragung der Sensordaten im Auto erfolgt in der Regel mit Leitungen. Diese mĂŒssen manuell unter teils sehr beengten PlatzverhĂ€ltnissen verlegt werden, was zu den eher zeitraubenden ArbeitsablĂ€ufen wĂ€hrend der Herstellung eines Autos gehört. Nicht zuletzt erhöhen 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 VorzĂŒgen, die die Verwendung von Bluetooth Smart fĂŒr 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 AnwendungsfĂ€llen ist gemeinsam, dass nur geringe Datenmengen ĂŒbertragen werden und ein jahrelanger Betrieb mit einer Knopfzelle möglich ist.




Der niedrige Stromverbrauch wird dadurch erzielt, dass die beteiligten Bauelemente den grĂ¶ĂŸten Teil der Zeit in einem Schlafmodus verbringen können und nur jeweils fĂŒr kurze Zeit aktiviert werden, um einige wenige Datenbytes zu ĂŒbertragen. Da diese Technik in den meisten FĂ€llen mit Single-Chip-Lösungen implementiert wird, ist sie kostengĂŒnstig und begnĂŒgt sich mit wenig LeiterplattenflĂ€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

FĂŒr Automotive-Anwendungen können allein der geringe Stromverbrauch und die einfache Installation vorteilhaft sein. Am interessantesten ist jedoch der Sicherheitsaspekt. Die Bluetooth Smart innewohnende Sicherheit bĂŒrgt dafĂŒr, 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 GerĂ€ten können Funktionen oder Datenzugriffen verweigert werden.
  • IntegritĂ€t: GewĂ€hrleistung eines unverfĂ€lschten und zuverlĂ€ssigen drahtlosen Datentransfers.
  • Vertraulichkeit: Es erfolgt eine VerschlĂŒsselung nach dem 128-Bit-AES-Verfahren (Advanced Encryption Standard).
  • Datenschutz: Schutz vor Sniffing wird durch Frequency-Hopping ĂŒber 37 KanĂ€le erreicht.



Es gab Diskussionen darĂŒber, dass Bluetooth Smart nicht sicher genug sei, weil es geknackt werden könne. Tatsache ist aber, dass sich jedes Sicherheitssystem ĂŒberwinden lĂ€sst, wenn man das richtige Equipment und genĂŒgend Zeit mitbringt. Es kommt aber darauf an, ein System so sicher zu machen, dass sich der zum Überwinden der Schutzfunktionen erforderliche Aufwand in zeitlicher und finanzieller Hinsicht nicht rechnet.


Die EinfĂŒhrung fortschrittlicher mathematischer Algorithmen, darunter das ECC-Verfahren (Elliptic Curve Cryptography) und sichere SchlĂŒsselaustausch-Mechanismen wie etwa Diffie-Hellman (D-H), werden noch sicherere Anwendungen möglich machen. Die Mehrzahl der eingebetteten Single-Chip-Lösungen fĂŒr Bluetooth Smart sind bereits hierfĂŒr gerĂŒstet.








Ersatz von Leitungsverbindungen

Wie schon angesprochen, reduzieren sich das Gewicht und die Kosten, wenn Leitungen durch drahtlose Verbinden ersetzt werden. Der Begriff ‚Kosten‘ bezieht sich ĂŒbrigens sowohl auf die Material- und Montagekosten fĂŒr den Hersteller als auch auf die Kraftstoffkosten fĂŒr 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 ĂŒberhaupt nicht mit einem klassischen Kabel anschließen 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 fĂŒr das Infotainment-System. Auch die Steuerung fĂŒr programmierbare LED-Innenraumbeleuchtungen lĂ€sst sich gĂŒnstig drahtlos implementieren.



Smartphones und Automotive

Im Bluetooth Smart Ökosystem spielen Smartphones, die heute zumeist schon fĂŒr Bluetooth Smart gerĂŒstet 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 persönliche Konfigurationseinstellung einzulesen. Die KompatibilitĂ€t erstreckt sich auch auf Tablets, mit deren Hilfe es Servicetechnikern möglich ist, mit dem SteuergerĂ€t oder – falls erlaubt – auch mit einzelnen Sensoren zu kommunizieren. Das Smartphone kann sogar als SchlĂŒssel dienen und dabei falls gewĂŒnscht zusĂ€tzliche Sicherheits-Features implementieren. Ein Beispiel wĂ€re die Fingerabdruck-Erkennung des iPhone 5S/6 oder die Zugangssicherung per PIN-Code.


Ebenso könnte das Benutzerhandbuch fĂŒr das Auto interaktiv im Smartphone verfĂŒgbar sein. Wenn das Fahrzeug dann eine Warnmeldung beispielsweise wegen zu geringen Reifendrucks senden wĂŒrde, könnte diese mit Informationen darĂŒber kombiniert werden, was als nĂ€chstes zu tun ist (evtl. mit der Angabe der nĂ€chsten Tankstelle). Auch Hinweise auf einen bald fĂ€lligen Kundendienst könnten an das Smartphone gepusht werden, mit einer Option zur Vereinbarung eines Servicetermins bei der vorher ausgewĂ€hlten oder der nĂ€chstgelegenen Werkstatt. Hier könnten Cloud-Services ins Spiel kommen, die dem Auto ĂŒber das Smartphone eine Verbindung zum Internet ermöglichen. Dies ist nur eine der vielen Möglichkeiten, wie Bluetooth Smart die Voraussetzungen fĂŒr das Internet of Things schafft.



Qualifikation

Bluetooth-Smart-GerĂ€te erfordern zur Sicherstellung der InteroperabilitĂ€t die Bluetooth SIG-Qualifikation. Diese ist in der Regel Bestandteil der vom Anbieter zur VerfĂŒgung gestellten Softwarelösung. Der Qualifikationsprozess schließt InteroperabilitĂ€ts-PrĂŒfungen mit anderen Lösungen ebenso ein wie die Einhaltung eines großen Umfangs an PrĂŒfspezifikationen.


An elektrische Bauteile fĂŒr Automotive-Anwendungen werden darĂŒber hinaus besondere QualitĂ€tsanforderungen gestellt, damit eine zuverlĂ€ssige und qualitativ hochwertige Implementierung gewĂ€hrleistet ist. Der Automotive Electronic Council (AEC) definiert einheitliche Qualifikationsanforderungen fĂŒr elektrische Bauelemente, damit eine betriebssichere und vertrauenswĂŒrdige Lösung entsteht, und der Automotive-Qualifikationsstandard AEC-Q100 bĂŒrgt dafĂŒr, dass die betreffenden Lösungen robust und fĂŒr Automotive-Anwendungen geeignet sind. Dabei gelten besondere PrĂŒfanforderungen hinsichtlich der Betriebstemperatur und des Fertigungsablaufs.



Fazit

WĂ€hrend die Automobile immer ausgefeilter und mittlerweile ĂŒberraschend intelligent werden, sind fĂŒr rationale und sichere Entscheidungen immer mehr Informationen erforderlich. Die Sensorfusion gewinnt deshalb ebenso an Bedeutung wie die drahtlose KonnektivitĂ€t beispielsweise mit Bluetooth Smart, damit ĂŒber Bedienelemente im Fahrzeug oder ein Smartphone eine reibungslose Kommunikation mit den zentralen Funktionen eines Fahrzeugs möglich ist.



Eine Single-Chip-Lösung ...

fĂŒr 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 Softwarelösung fĂŒr 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 fĂŒr individuelle GATT-Profile, und sĂ€mtliche Sicherheits-Features sind unmittelbar verfĂŒgbar.


 


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