《電子技術應用》
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無線無源遠距離可重構安全傳感終端設計
網絡安全與數據治理
鄧洋1,張世杰1,劉成旺1,李征1,冉君1,鐘永明1,王堅1,施昶2,李鋼2
1.成都普什信息自動化有限公司; 2.電子科技大學
摘要: 為提高無源物聯網安全性能,常在傳感設備中加入加密算法。而傳統無源傳感終端的加密算法常采用偽隨機數實現,其具有極大的安全隱患,且現有產生真隨機數的方法需專用真隨機數產生電路,其開銷大,不適用于無源傳感終端。同時,現有無源傳感終端的加密算法不能重構,變換方式少,安全性很難進一步提升。為此,設計了一種無線無源可重構遠距離安全傳感終端,其采用MCU實現標準RFID通信協議,代替專用RFID芯片,能根據各種應用場景修改MCU代碼,從而實現傳感終端可重構功能;基于射頻信號和ADC殘差的兼容型真隨機數發生器產生真隨機數,無需專用電路;采用增強型可重構加密算法,結合真隨機數極大地提升了傳感終端安全性能,同時,采用多源能量收集電路架構,提升了終端接收靈敏度,從而實現傳感終端的遠距離通信功能。
中圖分類號:TN926;TP309文獻標識碼:ADOI:10.19358/j.issn.2097-1788.2025.06.005
引用格式:鄧洋,張世杰,劉成旺,等. 無線無源遠距離可重構安全傳感終端設計[J].網絡安全與數據治理,2025,44(6):36-41.
Design of wireless passive long-distance reconfigurable security sensing terminal
Deng Yang1,Zhang Shijie1,Liu Chengwang1,Li Zheng1,Ran Jun1,
1.Chengdu Pushi Information Automation Co., Ltd.;2.University of Electronic Science and Technology of China
Abstract: To improve the security performance of passive Internet of Things, encryption algorithms are often added to sensor devices. The traditional encryption algorithm of passive sensor terminals often uses pseudorandom numbers to encrypt data, which has great security risks, and the existing methods of generating true random numbers require a special true random number generation circuit, which is expensive and not suitable for passive sensor terminals. At the same time, the encryption algorithm in the existing passive sensor terminal cannot be reconfigured, and the conversion mode is few, so it is difficult to further improve the security. Therefore, this paper designs a wireless passive reconfigurable remote security sensing terminal. It adopts the MCU to implement the standard RFID communication protocol instead of the dedicated RFID chip and can modify the MCU code arbitrarily according to various application scenarios, thereby achieving the reconfigurable function of the sensing terminal. And it uses a compatible true random number generator based on RF signal and ADC residuals to generate true random numbers without special circuit. The enhanced reconfigurable encryption algorithm combined with true random numbers greatly improves the encryption performance of sensing terminal. At the same time, the multi-source energy collection circuit architecture improves the receiving sensitivity of the terminal, so as to realize the long-distance communication function of the sensor terminal.
Key words : true random number; compatibility; reconfigurable encryption algorithm; multi-source energy harvesting; long distance

引言

隨著物聯網應用技術的高速發展,無源RFID感測系統受到了廣泛研究,但現有無源RFID感測標簽通信距離短,且因小型化和低成本特性,其安全性能常被忽視,同時,現有傳感終端采用專用RIFD芯片,無法根據實際所需參量進行修改,重構性差,且固定的加密算法安全性不高。

1999年,Steindl等人提出了基于聲表面波的無源傳感標簽[1],其采用聲表面波反射信號的相位和幅度變化,實現信息感知,并據此實現了多類型傳感功能。2015年,Lee等人提出了一種無源氫氣濃度傳感系統[2],其將傳感器集成在標簽天線上,通過標簽反射信號的頻率和功率變化測量氫氣濃度,由于傳感器變化會導致標簽天線和標簽電路不匹配,限制了標簽和讀寫器的工作距離,使得通信距離僅25 cm。2016年,Abdulhadi等人研制了一種集成太陽能和射頻能量收集的RFID傳感標簽[3],采用太陽能和射頻能供電的通信距離分別可達27 m和748 m,但其沒有實現RFID協議處理功能,無法實現可重構,靈活性差,并且由于其天線面積較大,具有一定的安裝局限性。

國內傳感標簽起步較晚,2020年,Inserra等人研制了一種基于RFID的螺絲松動無源傳感標簽[4],其通過螺釘松/緊改變標簽天線和電路匹配狀態,從而改變標簽反射系數,據此可測量出螺釘松/緊狀態,其通信距離僅 13 m。2021年,Shao等人提出了采用線圈結構的磁場傳感器結合RFID技術實現無源射頻電流感測標簽[5],其采用磁場傳感器輸出的電壓幅值表征電流強度,但其電流動態測量范圍僅為5 A~175 A,且電壓信號抗干擾能力差,同時,通信距離僅52 m(EIRP為48 dBm)。

為增強傳感終端安全性能,常采用基于偽隨機數的加密算法,其安全性較弱;也常采用專用真隨機數產生電路,但增加了系統成本和功耗??紤]到傳感終端常采用ADC實現數模轉換,因此,為實現資源共享,減少因實現真隨機數產生器添加額外硬件資源而增加的成本和功耗,本文重點研究基于ADC的低復雜度高兼容真隨機數產生器。

2000年,Petrie等人提出將電阻熱噪聲、振蕩器采樣和離散時間混沌系統結合實現真隨機數發生器[6],其性能優于采用單一熵源實現的真隨機數發生器。之后,Callegari等人和Pareschi等人分別提出采用多個ADC流水線架構實現真隨機數發生器[7-8],每一級ADC使用15 bit的分辨率,輸出1位隨機數,并且ADC的輸入是前一級ADC輸出的殘差信號。2020年,Jayaraj等人在SAR ADC完成后,使用比較器對ADC輸出的最低位(殘差)繼續比較一次,將比較結果作為隨機數,可以同時完成模數轉換和產生真隨機數(True Random Numter,TRN)[9]。

以上文獻提出的基于ADC實現真隨機數發生器的方法難以真正實現,只適合專用芯片,增加了系統的設計復雜度和成本。2016年,Liu等人提出了基于傳統MCU的ADC采樣電阻分壓電路電壓的真隨機數發生器[10],但其過度依賴電阻和電路的熱噪聲,當ADC位寬小的時候,其輸出數據變化很小或根本沒有變化,致使很難產生高質量的真隨機數。文獻[11-12]給出了使用傳統微處理器和流水線ADC相結合的結構來實現真隨機數發生器的方法,這是在微處理器上基于ADC實現真隨機數的典型例子,但其結構復雜,難以在無線無源低功耗設備上實現。

針對上述問題,本文在不增加無源傳感終端復雜度的情況下,研究兼容型真隨機數發生器和可重構加密算法,并進一步研究多源能量收集電路和高靈敏度ASK解調電路,增強無源終端接收靈敏度,提升無源終端通信距離,并設計出無線無源可重構遠距離安全傳感終端。


本文詳細內容請下載:

http://m.jysgc.com/resource/share/2000006578


作者信息:

鄧洋1,張世杰1,劉成旺1,李征1,冉君1,鐘永明1,王堅1,施昶2,李鋼2

(1.成都普什信息自動化有限公司,四川成都611731;

2.電子科技大學,四川成都610054) 


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