智能座舱——数字钥匙系统

  智能座舱有多个子系统，包括中控、娱乐、语音交互、监测和数字钥匙。数字钥匙用数字方式生成，可以远程控制和启动车辆，现在很普遍。本文将详细的介绍其过去、现在、未来，并对数字钥匙系统的设计进行总结，希望对你有所帮助。

  智能座舱是一个由多个子系统组成的复杂体系，包括中控系统、娱乐系统、语音交互系统、监测系统、数字钥匙系统等。

  为了更好地学习和总结，这里我从什么是数字钥匙，数字钥匙的过去、现在、未来，数字钥匙系统架构、数字钥匙与车通信技术、数字钥匙相关流程举例等角度，梳理和总结我对智能座舱数字钥匙系统的理解。

  在汽车智能化的发展过程中，在客户的真实需求、技术、政策、行业规范等因素的驱动下，汽车钥匙的形态也逐渐从传统的机械钥匙向智能化、数字化和无钥匙化的方向发展。在这里，我将汽车钥匙进化过程划分为物理钥匙、数字钥匙、数字钥匙 + 生物钥匙三个阶段。

  物理钥匙：物理钥匙是指具备独立实体的钥匙 ，包括机械钥匙、遥控钥匙、智能钥匙、NFC 卡片等，这类汽车钥匙在使用的过程中会存在，易丢失、容易被复制、不够安全、不够便捷等问题。如，车主出门的时忘记带钥匙，则没办法使用车辆。在人慢慢地依赖智能移动电子设备的现在，传统的物理汽车钥匙不足以满足人出门 只带一部手机 的便利追求。

  数字钥匙：数字钥匙的本质是将传统的汽车钥匙 数字 化，以智能手机、手环、手表等智能移动电子设备作为载体，利用蓝牙、NFC、UWB 等技术与车端进行通信，帮助用户便捷、安全的实现车辆功能的控制。这个方向之成立的关键原因之一是，因为智能移动电子设备慢慢的变成了工作、生活中的不可或缺的媒介，如手机支付、手机开门、手机远程监控等。

  数字钥匙 + 生物钥匙：随着生物技术识别技术（如指纹识别、面部识别、虹膜识别、声音识别等）在汽车上的应用越来越成熟和普及，汽车钥匙可能向数字钥匙 + 生物钥匙融合的方向发展，两者的融合能够完全满足用户扩充场景的需求，进一步提升用车的安全性和便捷性。例如：出门没带手机时，用指纹识别也可以解锁使用车辆。

  1. 钥匙数字化：数字钥匙从字面上去理解，是将传统的物理钥匙转化数字形式。这里的数字化，本质上是通过数字密钥凭证来管理智能设备与车辆之间的关系，以此来实现通过智能设备来控制汽车。

  2. 数字钥匙载体：钥匙数字化之后没有实体，摸不着看不见，因此，要通过数字钥匙实现与车辆的交互和相应的车控功能，还需要为数字钥匙找一个合适的载体。

  从目前来看手机、手表、手环等移动智能设备是适合的，这些设备自身具备很强的连接能力，可以与各种智能设备连接和融合，实现手机控制 一切 ，甚至替代一些传统实体设备和物品，使得人们的生活更方便快捷和高效。

  例如：智能家居：通过 Wi-Fi、蓝牙或 ZigBee 技术，手机可以连接并控制家中的智能灯泡、智能插座、空调、窗帘等设备，实现远程操控和自动化控制。——手机替代了遥控器；手机支付：借助 NFC 技术，手机能轻松实现近距离无线支付，用于公共交通、小额支付等场景。——手机替代了钱包。

  3. 数字钥匙与车辆之间的连接通信：在为数字钥匙选择了合适的载体之后，还应该要依据需求选择合适的通信技术实现数字钥匙载体与车辆之间的连接与通信，这些技术包括 NFC、蓝牙、UWB 等。

  小结：在经过拆解理解后，可以用一句话将汽车数字钥匙概括为：汽车数字钥匙是将传统汽车钥匙数字化，并以移动智能设备作为载体，通过 NFC、蓝牙、UWB 等通信技术与车辆交互，实现无钥匙进入、启动与其他拓展功能。

  1. 便捷性高：使用传统物理钥匙，车主出门的时候必须记得带钥匙，要不然则没办法使用车辆。有了数字钥匙，用户通过手机等移动智能设备，用户都能够轻轻松松实现车辆的解锁、启动与其他功能。

  2. 安全性高：统的物理钥匙存在容易被复制、遗失、盗窃等问题，这样一些问题会对车辆的安全性造成一定的影响。相比之下，数字钥匙在数字签名、加密传输、防篡改、安全认证等技术的加持下，具备极高的安全性，保障了用户个人信息和车辆的安全性。

  3. 方便共享：在使用传统物理钥匙时，如果朋友需要借用车辆，需要车主将钥匙交接给朋友才能实现。有了数字钥匙，车主能够准确的通过需要，将数字钥匙分享给家人、朋友，方便将车辆共享给他人使用。

  4. 无限联动：传统的钥匙，只能用来开锁。数字化后的汽车钥匙，突破了空间与时间维度的限制，不仅能满足车辆解锁与锁定的基础需求，还可当作数字身份凭证，与更多的用车场景联动，例如：基于身份凭证的个性功能、代客泊车、汽车维修、汽车销售、车后服务、共享用车、快递到车等。

  数字钥匙系统是一个交互、构造复杂的系统。在数字钥匙与车辆交互的过程中，涉及到多设备端、多云端之间的数据交互和通信，具体包括车端、车辆服务平台、智能设备端、智能设备服务平台，这些设备和平台共同构成了数字钥匙系统，利用互联网技术和物联网技术实现通过数字钥匙对车辆的控制。

  1. 车端设备：车端硬件设备最重要的包含车辆控制器（MCU）、通信元件、SE 安全元件等，这些硬件设备是实现车辆与数字钥匙之间的连接与通信，及相应的车控功能的基础。例如：车主的 数字钥匙 与车辆通过通信元件建立连接之后，车主通过数字发出解锁车辆的指令，则相应的控制器会执行解锁车辆的指令。

  2. 车辆服务平台：汽车钥匙的数字化与相应车控功能的实现，除了需要基础硬件设施的支持，还需要软件层面的协同。车辆服务平台，作为连接车辆和智能设备 & 服务平台之间的桥梁，在整个数字钥匙系统中扮演着重要角色，主要负责与智能设备侧、车辆端的数据交互与指令下发，其核心业务包括用户管理、车辆管理、智能设备管理、钥匙数字化、钥匙生命周期管理、车控、数据安全等。

  1. 智能设备端：这里的智能设备端，主要是指手机、手表、手环等移动智能设备，它们作为数字钥匙的载体，其自身需具备相应的硬件基础，来实现 数字钥匙 与车辆之间的连接与交互，最重要的包含，手机设备中的 NFC 芯片、蓝牙芯片、UWB 芯片和相关的安全芯片等。

  2. Car APP：这里的应用程序是指车厂为用户更好的提供的运行在智能手机、手表等设备上的移动应用程序，用户都能够通过该应用程序实现数字钥匙的授权与管理。

  3. 钱包 APP：钱包 APP 是由移动智能设备厂商提供的应用程序。在汽车数字钥匙应用场景中，用户需要将数字钥匙与钱包 APP 绑定，才借助智能移动设备的通信能力，使用数字钥匙去实现相应的车控功能。

  4. 智能设备服务平台：智能设备服务平台，是指智能设备厂商数字钥匙业务的管理平台，其核心业务包括用户管理、钥匙管理、车辆接入、设备管理、验证、数据安全服务、通信安全服务……等。例如：OPPO 的数字钥匙服务，车主在 Car APP 完成绑卡后，OPPO 需要将汽车信息和蓝牙信息注册到 CarLink Service，以便进行相应的业务管理。

  将汽车钥匙数字化，这件事本身并不复杂，复杂的是数字钥匙与车辆之间的通信，想要通过数字钥匙去实现相应的车控功能，还需要依赖 NFC、蓝牙、UWB 等通信技术来实现数字钥匙与车辆之间的连接与通信。

  NFC 应该是我们最熟悉的一种近场通信技术，因为它在我们生活中被广泛应用，如 NFC 门禁、NFC 支付、NFC 触碰连接、NFC 公交地铁等。

  NFC 是从 RFID 演变来的一种短距离无线通信技术，它通过两个 NFC 设备的近距离接触，射频信号的空间感应可以在极短的距离内（几厘米以内）实现设备之间的数据交换和通信。

  NFC 的本质仍然是一种射频通信技术，只不过相对于 RFID 技术而言其传输距离更近、传输速率更快、通信更安全。

  NFC 的通信是基于两个设备之间射频信号时实现的。在实际应用中，根据不同场景下的通信需求和 NFC 的异步通信特性，NFC 通信模式主要分为被动通信模式和主动通信模式，任何的 NFC 设备都可以为主动设备或被动设备，两者之间基于射频信号以 ASK 方式（固定位数调制）或 FSK（可变位数调制）方式进行载波调制，完成两个 NFC 设备之间的交互与数据传输。

  从字面上理解，被动模式是指，在 NFC 通信过程中，其中一个设备作为被动设备，不会主动发起通信请求，而是被动的等待其他设备的主动通信请求。具体来讲，在 NFC 通信中，至少需要两个 NFC 设备的配合，其中 NFC 主动设备，在整个通信过程中会主动产生射频信号，并选择以 106kbit/s、212kbit/s 或 424kbit/s 其中一种传输速度，将数据发送到被动设备。被动设备不需要产生射频信信号，而是利用负载调制技术进行数据的收发。例如：手机公交卡应用场景中，手机是主动设备，而公交系统的读卡器则是被动设备，手机 NFC 支付、NFC 门禁以及 NFC 汽车钥匙等。

  以手机 NFC 公交卡为例：在被动通信模式中，公交收费读卡器作为被动设备，用户手机作为主动设备。被动设备在开启的状态下 NFC 芯片处于待机状态，不会主动产生射频信号，而主动设备在 NFC 功能在开启的状态，它会产生射信号，并通过射频信号将数据发送给被动设备。主动设备在靠近的被动设备的过程中，当被动设备的 NFC 天线感应到主动设备的信号时会自动被激活进入通信状态，接收用户手机发送的数据并读取智能手机中的 NFC 芯片内部保存的信息，进行刷卡认证，并完成相关扣费等操作。

  与被动通信模式不同，在主动通信模式中，通信的发起设备与目标设备在通信过程中，都需要主动产生自己的射频信号来完成交互和数据传输，这样即形成了对等网络通信模式，实现快速的连接过程。这种模式下可实现对等的 P2P ( Peerto Peer ) 通信，应用于数据交换和传输等场景。

  以两个智能手机之间的数据分享为例，A 手机需要将一个数据分析给 B 手机，A 手机为发起设备，B 手机为接收设备。在主动通信模式中，发起设备 NFC 功能开启的状态下，用户在在设备中发起相应的数据分享操作，发起设备会主动产生射频信号，此时目标的设备处于侦听模式，当发起设备子靠近目标设备时，目标设备侦听到发起设备的信号，则会进入通信状态，并接收来自发起设备的数据，数据发送完成之后，发起设备则会停止产生射频信号，回归侦听模式；目标设备在接收完数据之后，需进行相应的回应的时，需主动产生射频信号，将相应的反馈信息通过射频信号发送出去。

  在汽车钥匙的应用场景中，NFC 数字钥匙不仅可以作为主要的数字钥匙方案，还可以作为一种补充方式，在手机没电或 BLE、UWB 无法正常工作时，通过 NFC 数字钥匙与车辆交互，实现车的解 / 锁和启动等功能。

  蓝牙通信技术是一种专门用于短距离数据传输的通信技术，其基本原理是利用低功耗频段 ( 2.402 GHz 至 2.480 GHz ) 的无线电波，建立短距离无线连接，以实现智能设备之间的连接与通信。这种技术被广泛应用于移动电话、耳机、音箱、车载音响、电脑等设备之间的数据传输。

  1. 扫描设备：当用户在智能设备中开启蓝牙功能时，设备的蓝牙模块会自动启动并开始工作。此时，蓝牙天线会发射广播信号并扫描周围的蓝牙设备。广播信号包含设备的唯一标识符 MAC 地址、设备名称、设备类型以及支持的功能等信息。通常情况下，蓝牙信号的广播范围为 10~20 米。

  2. 连接配对：在扫描到并选定需要的连接的蓝牙设备之后，两个蓝牙设备之间即开始配对，配对的具体过程一般为：主设备发起配请求、从设备接收配对请求、从设备确认授权、主从设备建立配对关系。

  3. 通信：在两个蓝牙设备配对成功之后，它们之间就会建立一个独立的通信链路，用于实现具体的通信，通信链路的状态会随蓝牙设备的状态以及两个设备的连接状态变化而变化，在每个独立通信链路上，主从设备之间能够最终靠多个逻辑通道进行数据通信，例如音频通道、文件传输通道、控制通道等。

  4. 蓝牙的定位与测距 : 蓝牙通信技术，除了具备通信能力外，还可以基于其信号传播距离相对较远的特性，通过利用蓝牙发送设备发送的信号抵达接收设备时的信号强度（RSSI），可以确定两个蓝牙之间的距离、位置信息。蓝牙的定位与测距特性，可以应用于很多领域，例如：智能家具、室内定位、智能座舱等。

  相对于 NFC，由于蓝牙通信技术具备通信距离更远、通信速度更快、定位测距等特性，因此，在汽车数字钥匙应用场景中，可以利用蓝牙技术的特性，定义更多智能、高效、个性化的应用场景。例如，当用户携带数字钥匙进入预设范围时，车辆可以自动解锁、调整座椅、鸣笛、闪灯等。

  UWB 技术全称 Ultra Wide Band（超带宽技术），是一种基于脉冲无线电、低功率宽带信号的无线通信和定位的技术，该技术具有超精准、超可靠、超宽带和低多径效应等特点，其可以通过对比信号在两个设备之间的传输时长或基于三角定位算法，实现厘米级精度的距离和位置测量，被广泛应用于自动驾驶、智慧城市、室内定位、军工、工业等领域。

  在实际的应用中，UWB 定位系统通常由 UWB 基站和 UWB 标签两个关键模块组成和两个关键步骤，其中两个关键步骤包括：

  1. 信号发射和响应：车辆 UWB 基站首先会发送一个短脉冲信号，并记录下信号发送的时间戳，数字钥匙接收到信号后会将其反射回去，车辆 UWB 接收器接收到反射信号后，同时记录下信号到达时间戳。

  2. 响应信号的接收和处理：车辆 UWB 接收器，将信号发射与响应数据传递给 UWB 定位系统的处理单元（处理器与定位算法），处理单元会根据这个信号的时间戳，通过距离算法 [ 飞行时间（变量）* 光速（定量） ] 与三角定位算法计算出标签（数字钥匙）相对于基站（车辆）的距离与位置。在具体计算过程中需要考虑多个基站的定位信息，多径效应（信号不止一条路径传播）、时钟同步（每个设备的时钟差异）和数据处理等因素，以消除误差并提高定位精度。

  举个例子：当车主接近车辆时 数字钥匙 会向车辆发出信号，车辆的 UWB 接收器会接收并记录下这个信号的时间戳，然后车辆 UWB 定位系统会将这个信号的下发时间戳、接收时间戳进行对比，进而计算出车主距车辆的距离和位置，如果计算出距离和位置符合符合车辆系统的预设值，则触发相应的功能。

  虽然 UWB 相对于蓝牙而言，具有高定位精度、定位覆盖范围广、安全性高等优点，但由于 UWB 的测距功耗很高，无法像蓝牙一样进行无间断的广播和连接，因此，在数字钥匙应用场景中，UWB 通信技术作为数字钥匙系统的重要组成部分之一，通过与蓝牙通信技术的结合，实现了在通过蓝牙将用户设备与车辆建立连接的基础上，利用 UWB 定位系统提供精确的位置信息，以优化数字钥匙的使用体验。

  小结：在汽车数字钥匙中，目前主流的技术方案是，NFC、蓝牙或 NFC+ 蓝牙，在未来随之 UWB 技术在 C 端应用的普及， NFC、蓝牙、UWB 三种技术方案结合并充分利用三种技术的特点的解决方案，将成为主流。

  NFC、蓝牙和 UWB 等通信技术是数字钥匙与汽车之间连接的关键技术，为了使用这些技术，相应的设备需要搭载对应的硬件设施。例如，要使用手机 NFC 数字钥匙，车辆和手机上都需要搭载 NFC 模块。上图所示内容为，三种通信技术的关键硬件组成部分。

  智能座舱相关功能的实现需要依赖硬件的支持，有的甚至需要依赖第三方软件技术的支持，这些技术的性能、稳定性、算力、响应速度、功耗和兼容性等指标直接影响功能实现和用户体验。因此，智能座舱产品经理需要了解相关硬件和软件技术的原理和关键指标，以便在设计方案时更好地考虑技术限制和可行性。

  以蓝牙芯片与蓝牙天线为例，在作硬件的选型时需要关注蓝牙协议、通讯能力、工作电压、功耗防水等关键指标。

  1. 用户在 Car APP 中，根据操作引导先完成绑定车辆操作，完成后车端 Tobx 会根据绑定信息，主要包括：用户信息、用户设备信息、车辆信息等。此过程的意义在于建立用户与车辆之间的绑定关系。

  2. 用户在完成与车辆之间的绑定之后，用户在 Car APP 中根据指引激活数字钥匙，数字钥匙管理平台在接收到用户的申请后，会根据用户的申请信息，先进行一定的信息注册（用户信息、用户设备信息、车辆信息等），然后按规则生成数字钥匙，并分别下发给 Car APP 和车端。

  钥匙数字化（数字钥匙激活）流程涉及到 Car APP、数字钥匙管理平台与车端之间的交互，经过上述流程，用户可以完成用户设备与车辆的之间的绑定，并生成数化钥匙。

  用户在使用汽车数字钥匙，会存在与手机钱包 APP 绑定使用的情况，以上是根据课程资料和某手机品牌开放平台资料梳理并绘制的流程图，描述的是钱包 APP 与数字钥匙绑定的过程，具体流程如下：

  1. 用户在钱包 APP 上按操作指引添加车钥匙时，钱包 APP 会通过后台直接跳转到 Car APP 数字钥匙相关页面完成认证授权。

  2. 在完成认证授权后，钱包 APP 后通过后台将有关信息（包括车辆信息、蓝牙信息、设备信息、钥匙信息等信息）注册到 CarLink Service。

  3. 完成信息注册后，钱包 APP 会根据注册信息，自动生成相应的数字钥匙卡片。

  在某品牌手机数字钥匙应用中，在手机蓝牙是开启的前提下，其 CarLink Service 后台服务会轮询扫描附近的蓝牙广播信号。当用户携带 数字钥匙 靠近车辆时， CarLink Service 后台扫描到车辆蓝牙广播后，会后台主动唤起 Car APP 并与车辆蓝牙建立连接。

  在 数字钥匙 与车辆建立连接之后，Car App 通过与车厂数字钥匙服务平台的交互完成相应信息的验证，验证内容有：身份验证、设备验证、钥匙验证、权限验证等，如验证通过，则车厂数字钥匙服务平台通过 Car APP 将用户的指令下发给车辆，例如让车辆启动或者开锁等。

  上述流程是某手机品牌开放平台资料做梳理绘制，描述的 . 是使用蓝牙钥匙解锁车辆的过程，其中 CarLink Service，指的是某手机品牌的 CarLink Service。

  小结：在汽车数字钥匙的应用场景里面有很多细分场景，以上只是部分场景下对应的流程的举例。