《電子技術(shù)應(yīng)用》
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無線無源遠(yuǎn)距離可重構(gòu)安全傳感終端設(shè)計
網(wǎng)絡(luò)安全與數(shù)據(jù)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(xué)
摘要： 為提高無源物聯(lián)網(wǎng)安全性能，常在傳感設(shè)備中加入加密算法。而傳統(tǒng)無源傳感終端的加密算法常采用偽隨機數(shù)實現(xiàn)，其具有極大的安全隱患，且現(xiàn)有產(chǎn)生真隨機數(shù)的方法需專用真隨機數(shù)產(chǎn)生電路，其開銷大，不適用于無源傳感終端。同時，現(xiàn)有無源傳感終端的加密算法不能重構(gòu)，變換方式少，安全性很難進一步提升。為此，設(shè)計了一種無線無源可重構(gòu)遠(yuǎn)距離安全傳感終端，其采用MCU實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)RFID通信協(xié)議，代替專用RFID芯片，能根據(jù)各種應(yīng)用場景修改MCU代碼，從而實現(xiàn)傳感終端可重構(gòu)功能；基于射頻信號和ADC殘差的兼容型真隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生真隨機數(shù)，無需專用電路；采用增強型可重構(gòu)加密算法，結(jié)合真隨機數(shù)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(gòu)，提升了終端接收靈敏度，從而實現(xiàn)傳感終端的遠(yuǎn)距離通信功能。
中圖分類號：TN926；TP309文獻標(biāo)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(yuǎn)距離可重構(gòu)安全傳感終端設(shè)計［J］.網(wǎng)絡(luò)安全與數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的高速發(fā)展，無源RFID感測系統(tǒng)受到了廣泛研究，但現(xiàn)有無源RFID感測標(biāo)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(xiàn)有傳感終端采用專用RIFD芯片，無法根據(jù)實際所需參量進行修改，重構(gòu)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(biāo)簽［1］，其采用聲表面波反射信號的相位和幅度變化，實現(xiàn)信息感知，并據(jù)此實現(xiàn)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(tǒng)［2］，其將傳感器集成在標(biāo)簽天線上，通過標(biāo)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(dǎo)致標(biāo)簽天線和標(biāo)簽電路不匹配，限制了標(biāo)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(biāo)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(xiàn)RFID協(xié)議處理功能，無法實現(xiàn)可重構(gòu)，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(nèi)傳感標(biāo)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(biāo)簽［4］，其通過螺釘松/緊改變標(biāo)簽天線和電路匹配狀態(tài)，從而改變標(biāo)簽反射系數(shù)，據(jù)此可測量出螺釘松/緊狀態(tài)，其通信距離僅 13 m。2021年，Shao等人提出了采用線圈結(jié)構(gòu)的磁場傳感器結(jié)合RFID技術(shù)實現(xiàn)無源射頻電流感測標(biāo)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(tài)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(shù)的加密算法，其安全性較弱；也常采用專用真隨機數(shù)產(chǎn)生電路，但增加了系統(tǒng)成本和功耗?？紤]到傳感終端常采用ADC實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，因此，為實現(xiàn)資源共享，減少因?qū)崿F(xiàn)真隨機數(shù)產(chǎn)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(fù)雜度高兼容真隨機數(shù)產(chǎn)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(tǒng)結(jié)合實現(xiàn)真隨機數(shù)發(fā)生器［6］，其性能優(yōu)于采用單一熵源實現(xiàn)的真隨機數(shù)發(fā)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(gòu)實現(xiàn)真隨機數(shù)發(fā)生器［7-8］，每一級ADC使用15 bit的分辨率，輸出1位隨機數(shù)，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(xù)比較一次，將比較結(jié)果作為隨機數(shù)，可以同時完成模數(shù)轉(zhuǎn)換和產(chǎn)生真隨機數(shù)（True Random Numter,TRN）［9］。

以上文獻提出的基于ADC實現(xiàn)真隨機數(shù)發(fā)生器的方法難以真正實現(xiàn)，只適合專用芯片，增加了系統(tǒng)的設(shè)計復(fù)雜度和成本。2016年，Liu等人提出了基于傳統(tǒng)MCU的ADC采樣電阻分壓電路電壓的真隨機數(shù)發(fā)生器［10］，但其過度依賴電阻和電路的熱噪聲，當(dāng)ADC位寬小的時候，其輸出數(shù)據(jù)變化很小或根本沒有變化，致使很難產(chǎn)生高質(zhì)量的真隨機數(shù)。文獻［11-12］給出了使用傳統(tǒng)微處理器和流水線ADC相結(jié)合的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)真隨機數(shù)發(fā)生器的方法，這是在微處理器上基于ADC實現(xiàn)真隨機數(shù)的典型例子，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以在無線無源低功耗設(shè)備上實現(xiàn)。

針對上述問題，本文在不增加無源傳感終端復(fù)雜度的情況下，研究兼容型真隨機數(shù)發(fā)生器和可重構(gòu)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(diào)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(shè)計出無線無源可重構(gòu)遠(yuǎn)距離安全傳感終端。


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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(xué)，四川成都610054) 


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