Intelligente Wi-Fi-Schlösser öffnen immer mehr Türen

| Autor / Redakteur: Benjamin Moore * / Michael Eckstein

Funk-Schlüssel: Verbindung eines intelligenten Türschlosses mit der Cloud und einem Smartphone.
Funk-Schlüssel: Verbindung eines intelligenten Türschlosses mit der Cloud und einem Smartphone. (Bild: Texas Instruments)

Stromsparende Wi-Fi-Technik und direkte Cloud-Anbindung ermöglichen eine neue Generation per Funk fernsteuerbarer Schlösser. Sie dürfen nur wenig Strom verbrauchen und müssen sicher sein.

Kennen Sie folgende Situation? Auf dem Weg ins Büro sind Sie sich nicht mehr sicher, ob Sie Ihre Eingangstüre abgeschlossen haben. Oder ein Handwerker braucht Zugang zur Wohnung. Der Schlüssel unter der Fußmatte für solch einen Fall hat ausgedient – wenn sich die Türe aus der Ferne entriegeln lässt. Ein elektronisches Türschloss – ein sogenanntes E-Lock – mit Wi-Fi-Anbindung kann den Job erledigen und ist sicherer. Es lässt sich vom Smartphone aus ver- und entriegeln. Die Besonderheit daran: Als Nutzer muss man sich nicht mehr in unmittelbarer Nähe zum Schloss befinden, wie es beispielsweise bei einem Smartcard-gestützten System der Fall ist.

Die meisten bisher erhältlichen E-Locks basieren auf Peer-to-Peer-Funkübertragungs-Protokollen wie Bluetooth oder RFID (Radio-Frequency Identification). Sie gewähren Einlass, wenn sich Nutzer direkt am Schloss mittels Handheld-Gerät oder ID-Karte authentifizieren. Allerdings ermöglichen diese Protokolle keine direkte Verbindung mit dem Internet oder einer Cloud, ohne ein zwischengeschaltetes Gerät (etwa ein „Bridge Device“) zu verwenden, das mit dem Stromnetz im Haus verbunden ist. Ein E-Lock mit Wi-Fi-Konnektivität dagegen lässt sich über den WLAN-Router im Haus direkt an die Cloud anbinden.

Langläufer: Blockschaltbild eines intelligenten Türschlosses mit dem SimpleLink CC3220 Wireless-Mikrocontroller, der mit umfangreichen Wi-Fi-Funktionen ausgestattet ist.
Langläufer: Blockschaltbild eines intelligenten Türschlosses mit dem SimpleLink CC3220 Wireless-Mikrocontroller, der mit umfangreichen Wi-Fi-Funktionen ausgestattet ist. (Bild: Texas Instruments)

Wi-Fi-Lösungen brauchen oft zu viel Strom

In der Vergangenheit war die drahtlose Anbindung von E-Locks wegen der zu hohen Leistungsaufnahme vieler Wi-Fi-Komponenten nur mit energiesparenden Technologien wie Bluetooth Low Energy und Sub-Gigahertz-Funk möglich. Inzwischen aber sind Wi-Fi-Wireless-Mikrocontroller (MCUs) und Netzwerk-Prozessoren verfügbar, die extrem wenig Strom verbrauchen, so dass ein mit Wi-Fi und Bluetooth Low Energy ausgestattetes E-Lock nahezu vier Jahre mit lediglich vier AA-Batterien funktioniert. Das Schaubild rechts zeigt, wie ein mit Wi-Fi-Komponenten ausgerüstetes E-Lock in einem Wohnhaus direkt mit der Cloud verbunden werden kann und sich vom Mobilgerät des Anwenders aus steuern lässt.

In diesem Beispiel kommen SimpleLink-Bausteine von Texas Instruments (TI) zum Einsatz. Das Unternehmen hat den Wireless Network Processor CC3120 und den Wireless-Mikrocontroller (MCU) CC3220 aus seiner SimpleLink-Familie auf eine möglichst geringe Energieaufnahme hin optimiert. Als industrieweit erste Lösung kombinieren die Bausteine einen programmierbaren Mikrocontroller zum Verarbeiten des Applikationscodes mit umfassenden Wi-Fi-Funktionen auf einer Ein-Chip-Lösung.

Geringe Leistungsaufnahme ist entscheidend

Wenn der CC3220 in Applikationen eingesetzt wird, in denen er nur gelegentlich durch einen Sensor oder Drucktaster aktiviert wird und eine Verbindung zum WLAN-Router (oder einem anderen Wi-Fi-Access-Point) aufnimmt, kommt der Baustein mit lediglich 4,2 µA aus. Dieser geringe Stromverbrauch ist ausschlaggebend für die mehrjährige Batterielebensdauer.

Bereits die kurze Aufweckroutine der Chip-Lösungen trägt zum geringen Stromverbrauch der Komponenten bei. Auch wenn eine Netzwerkverbindung nur gelegentlich aktiviert wird, benötigen diese Bausteine weniger als 310 ms für die Aktivierung und den sicheren Verbindungsaufbau mit einem lokalen Wi-Fi-Access-Point. Mit einem dedizierten Server kann die Verbindung in unter 200 ms hergestellt werden – unterstützt durch die hardwareseitigen Kryptografie-Engines. Die Wi-Fi-Bausteine können deshalb so lange wie möglich in einem Stromspar-Modus verbleiben und reagieren dennoch schnell, sobald sie benötigt werden.

Auch der Access Point beeinflusst Stromverbrauch

Bei ununterbrochener Verbindung, wenn also die „Sockets“ stets aktiv sind und das E-Lock jederzeit mit dem WLAN-Router kommunizieren kann, ohne den Aufwachzyklus der Chips abwarten zu müssen, reduziert sich die Batterielebensdauer auf rund 1,5 Jahren. Die stets aktive Verbindung mit dem Access Point lässt bei Bedarf den sofortigen Zugang zu. Möglich machen dies der stromsparende Tiefschlaf-Modus (Deep-Sleep), das automatische Ausnutzen von IEEE 802.11 Power Save und anwenderdefinierbare Schlafintervalle. Anwender können zwischen der gelegentlichen und ständigen Verbindung nahtlos wechseln – und so die besten Eigenschaften beider Welten miteinander verbinden.

Häufig hängt der Stromverbrauch einer per WLAN angebundenen Endgeräts primär vom Verhalten des Access Points ab, mit dem es verbunden ist. Die SimpleLink-Wi-Fi-Wireless-MCUs verfügen über einen Netzwerk-Lernalgorithmus. Damit beobachten sie das Verhalten des Access Points und des Netzwerkpfads und passen ihre Power-Modi entsprechend an, was den Stromverbrauch reduzieren hilft.

Funkbetriebene E-Locks müssen absolut sicher sein

Bei allem Komfortgewinn durch ein E-Lock darf es keine Abstriche bei der Sicherheit geben. sprich: Das Schloss darf sich nicht zum Beispiel mithilfe böswilliger OTA-Attacken (Over The Air) hacken lassen. Die Datenübertragung muss sicher sein. Daher verfügen die CC3120/CC3220-Bausteine über ein komplettes Paket an Security-Maßnahmen. Dazu zählen chipintegrierte Verschlüsselungs-Engines, Wi-Fi-Security-Protokolle und ein eingebetteter Katalog mit vertrauenswürdigen Root-Zertifikaten. Der MCU-Kern des CC3220 und seine Wi-Fi-Funkeinheit sind in vollständig separaten Umgebungen auf dem Chip gekapselt. Dies soll Angriffe auf das WLAN deutlich erschweren.

Ein hohes Security-Niveau ist entscheidend für OTA-Updates der E-Lock-Firmware. Ein physischer Zugang zum Schloss ist für solche Updates nicht notwendig, und die an jedes E-Lock übermittelte, verschlüsselte Software bleibt geschützt. Um die Integrität des Systems während eines OTA-Updates zu gewährleisten, sind die SimpleLink-Wi-Fi-Bausteine mit speziellen Failsafe-Dateien und weitergehenden Schutzfunktionen ausgestattet.

Schutzfunktionen für sichere OTA-Updates

Nach einer Aktualisierung der Firmware per OTA verifizieren die Bausteine die korrekte Funktion des Schließsystems. Funktioniert es korrekt, werden die geschützten Dateien alle gleichzeitig gespeichert. So ist es praktisch unmöglich, das ein E-Lock durch ein OTA-Update kompromittiert wird.

Die Bausteine CC3120 und CC3220S/SF erleichtern den Schutz der E-Lock-Firmware sowie der Zugangsschlüssel und der im System hinterlegten Daten. Eine integrierte, eindeutige Bausteinkennung verschlüsselt das Dateisystem und verhindert, dass das E-Lock geklont oder seine Dateien von einem anderen Gerät ausgelesen werden. Einzelne Dateien lassen sich zusätzlich durch Verschlüsselung, Authentisierung und Zugangs-Token absichern, um auch im Fall eines Angriffs zu verhindern, dass das Nutzerkonto oder das Schloss eines Benutzers kompromittiert wird.

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* Benjamin Moore ... ist Applications Engineer bei Texas Instruments

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