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NFC技術實現安全的ZigBee家庭自動化系統

上網時間: 2015年10月07日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:家庭自動化  NFC  ZigBee  WiFi  ?溫器 

Colin Faulkner,恩智浦半導體產品行銷經理

在建築物中安裝諸如ZigBee等無線感測器網路(WSN),可帶來更佳舒適度、低成本與便利性等許多好處。

低功耗的無線網路確保裝置能迅速簡便地進行部署,而無需許多另外佈線的電錶,因為這無論是安裝在新建或翻修建築物中的成本都很高。藉由部署更多的感測器,以恆溫器為例,它就能夠更易於為整個建築物中的每個房間逐一調節溫度,提升舒適度。同時,藉由更有效地能源管理,就能進一步減少成本。藉由增加不同類型的裝置功能連結,有助於提升方便性,例如當房門開啟或關上時也自動開關照明系統。

所有這些功能都可以透過一個網路(如ZigBee)來處理,但進行安裝時的問題之一在於要花多少時間,才能確保安全可靠地將這些裝置加入網路中,以及建立控制關係。本文介紹利用ZigBee Home Automation的家庭溫度控制系統,特別是如何使用連接至ZigBee無線微控制器(MCU)的低成本NFC標籤,安全可靠地安裝以及將裝置加進網路中的技術,從而實現與安全金鑰、配對裝置有關的網路資訊交換。

家庭自動化

家庭自動化是目前的熱門話題之一,有許多相關標準陸續推出,為家庭中的裝置提供連線能力。這些標準通常可劃分為兩大陣營;連接性標準用於家中,為各個裝置提供資料鏈路;另一種是應用層標準,決定哪些指令產生什麼效應。有了這兩種功能,就能為家庭或建築物實現監控等功能,例如照明、冷/暖空調與保全系統等。藉由不同的結合方式,還可催生一些有趣的應用模式,例如照明系統在進入夜間模式的同時,也自動開啟保全系統。

最近出現的一些新發展,確保家庭自動化即將進巨大的市場成長態勢。家中需要的ZigBee無線技術已經成為廣受全球採用的標準,而且還具有低成本的優勢,可讓裝置無中斷地安裝於家庭中,並且更具成本效益地將連接能力加進幾乎任何裝置中。

由於家庭自動化系統的管理較複雜,普遍採用以智慧型手機或平板電腦形式的直覺式圖形介面,提供現成的方式與家中的所有裝置互動。這讓開關或感測器除了必備的基本開/關/調光控制或感測等簡單功能外,更增添多項新特色。

這項技術必須從家庭外部建置安全的連線能力與控制,並以各種不同的雲端服務產品形式呈現,透過家中寬頻設施實現互連。它在家庭以外的遠端進行控制與監測,也能實現家庭與智慧型手機之間的互動,例如根據你的所在位置與交通資訊,在你回到家以前先為你啟動暖氣。ZigBee Home Automation正是這一類系統的關鍵元素,在家庭中提供了標準、安全連線能力以及應用功能。


圖1:裝置連接網際網路的家庭/住宅市場潛力

ZigBee家庭自動化

ZigBee家庭自動化規範使用ZigBee PRO網狀網路協議堆疊構建。透過ZigBee PRO網狀網路堆疊,確保了數十或數百個裝置能夠可靠地連接在一起。家庭自動化規範提供讓日常的家中裝置得以互連、控制或監測的功能。這種功能可分為三項基本領域:安全可靠地將裝置加入網路中;提供裝置間的資料連接能力;以及為不同裝置間的通訊提供共通語言。本文著重於將裝置加入網路(commissioning)的相關問題。

ZigBee網路的安全性是透過AES演算法加密資料進行處理,以網路安全金鑰播種。網路金鑰本身由網路協調裝置隨機選擇,因而對每次安裝來說都是唯一的,保護資料免於任意攔截或惡意企圖控制網路。新裝置加入網路並不會察覺金鑰存在,因而需要更安全的機制來取得。

ZigBee規範中定義了初始啟用金鑰,在傳送至加入裝置時用於加密所選擇的網路金鑰。這非常類似將無線裝置添加至路由器時按鈕啟用的方法,在裝置加入網路時,金鑰原則上會被監測網路的傾聽裝置偵測到。然而,對於大多數的內部應用而言,這是在危險與易用性之間可接受的最佳平衡。一旦裝置接收到網路金鑰,就能完全加進網路中,並與其他裝置共同建立用戶所要求的控制關係。


圖2:家庭自動化系統中可能建立的控制關係

為了避免可能使網路安全折衷,需要一種得以在裝置與網路之間傳送安全資訊的完全保護方案。這可採取多種方式。條碼或二維條碼(如QR Code)可印在包裝或產品上,內含唯一啟用金鑰,讓用戶可透過智慧型手機或類似工具傳輸至協調裝置。但產品外包裝通常很快就遺失了或者可能和同一類型產品的包裝混淆,有時甚至裝置上也沒有足夠的空間可印製條碼。另一種方法是為裝置提供列印出的金鑰,但這需要用戶自己輸入一大串數字,因而不算是友善的方法,而且也很容易出錯。因此,在一款新裝置與網路之間傳輸資訊時,需要一種更穩健安全的方法,例如使用NFC。

(下一頁繼續:使用NFC將裝置加入網路)


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