通過3D磁性傳感器增強智能家居安全性

具有更高集成度的家用電子系統(tǒng)正在迅速被采用，以改善用戶體驗。隨著消費者找到新的方法來為他們的生活空間配備簡單易用的智能家居和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）產(chǎn)品，他們可能沒有意識到這些和其他電子設(shè)備中常見的某些漏洞和安全功能。

許多家庭安全和門禁設(shè)備[1]例如電子鎖，攝像頭，入侵傳感器，車庫開門器，控制集線器和面板包含越來越多的智能電子設(shè)備，可以自動訪問允許的用戶，同時限制入侵者的訪問。這些機電設(shè)備與基于安全的角色的融合帶來了風險，應(yīng)通過使用磁性篡改檢測傳感器來解決。

[1]這里討論的安全原理也直接適用于其他關(guān)鍵功能電子系統(tǒng)，如醫(yī)療器械和公用事業(yè)儀表。

什么是漏洞機制？

篡改電子設(shè)備的眾多方法之一是使用強磁鐵來破壞設(shè)備在閉環(huán)中運行的能力。當這些磁鐵靠近設(shè)備時，它們開始將智能設(shè)備的內(nèi)部電子設(shè)備暴露在高磁場中。安全和門禁控制個人電子設(shè)備通常配備磁敏元件，但很少設(shè)計用于補償或忽略外部“雜散”磁場的影響。

霍爾效應(yīng)和磁阻 （xMR） 磁性傳感器以及安全電子設(shè)備中常用的各種其他集成電路容易受到飽和和故障的影響。在這些條件下，對磁敏感元件的破壞可能會阻止系統(tǒng)了解關(guān)鍵信息，例如有多少功率流過它或機械位置的確切狀態(tài)。在圖1所示的智能鎖示例中，由于雜散磁場，篡改機制可能會無意中觸發(fā)解鎖條件。

什么是雜散場？

通常無法表征的外部磁場被稱為雜散磁場。這是一個施加的磁場，要么是故意的 - 惡意篡改肇事者的方法 - 要么是無意的 - 例如來自附近大電流或磁源的干擾。永磁體或電磁鐵等光源的極性、頻率、方向和強度可能會有所不同。用于篡改的永磁體通常非常堅固，可能相對較大且較重，可以在線購買或從廢棄的電子設(shè)備和計算機中回收。

智能鎖的安全性如何？

智能鎖是智能家居安全產(chǎn)品的一個典型例子。根據(jù)Littelfuse Inc.（Littelfuse，N.D.）的數(shù)據(jù)，2019年全球出貨量為700萬個智能鎖單元，預(yù)計5年內(nèi)年出貨量將增加到2300萬個單元。隨著智能鎖和其他個人電子安全和門禁控制解決方案的采用率不斷提高，制造商必須同時解決硬件和軟件安全易感性問題。

實現(xiàn)這些門禁系統(tǒng)的內(nèi)部電子設(shè)備使用電壓和電流基準，這些基準電壓和電流通常對外部磁場敏感。這種性質(zhì)的干擾事件可能會導(dǎo)致系統(tǒng)變得盲目或被誘騙，以便在系統(tǒng)應(yīng)保持安全時執(zhí)行操作。在智能鎖的情況下，如果產(chǎn)品設(shè)計的一部分沒有實施適當?shù)姆来鄹谋Ｗo措施，則施加的非常高的磁場可能允許入侵者進入安全空間。

成功檢測篡改的標準

雖然制造商在使用點防止磁篡改可能具有挑戰(zhàn)性，但很有可能檢測到篡改企圖。至少可以記錄日志，或者可以采取補救措施，例如警報，禁用系統(tǒng)的關(guān)鍵部分或通知管理員。全球多個組織正在努力定義智能家居門禁系統(tǒng)法規(guī)，其中包括對智能家居和個人電子安全外圍設(shè)備的要求，以檢測和記錄篡改企圖。

為了有效，用于檢測篡改的磁性傳感器必須具有以下特征：

高靈敏度：即使施加在系統(tǒng)外部的磁鐵可能很強，但隨著您移遠，磁鐵的磁場強度會呈指數(shù)級衰減;傳感器內(nèi)部位置的場強可能遠低于磁體表面的磁場（見圖2）;系統(tǒng)中使用的某些金屬組件可能會使磁場失真，如果靈敏度不夠高，則在傳感器的檢測區(qū)域中產(chǎn)生“陰影”或“孔”。

高動態(tài)范圍：一些磁感應(yīng)技術(shù)對允許施加的磁場強度有上限，超過這些限制可能會導(dǎo)致永久性損壞。與 xMR 不同，霍爾效應(yīng)技術(shù)對施加的磁場沒有上限。

全極靈敏度：篡改企圖的肇事者不太可能非常注意磁鐵的哪個極點應(yīng)用于系統(tǒng)的情況，或者他們可能會簡單地嘗試所有選項來找到一個有效的磁極;傳感器應(yīng)能夠檢測北極和南極磁場，并且對磁體的極向不敏感。

全向靈敏度：許多傳統(tǒng)的磁性傳感器僅對單個方向或平面上的場敏感;由于外部磁體可以以任何方向施加到組件表面（正面，頂部，底部，背面或側(cè)面）上的任何暴露點，因此傳感器在所有三個方向（X，Y和Z）上都應(yīng)具有相同的靈敏度。真正的 3DMAG? 霍爾效應(yīng)磁性傳感器器件包括 Allegro MicroSystems 的 ALS31300 低功耗 3D 線性傳感器和 ALS31313 低功耗 3D 線性傳感器。

防篡改

如前所述，在處理檢測到的篡改事件時，有一些選項可供選擇。防篡改只能在終端設(shè)備使用時實現(xiàn)，通過適當?shù)谋Ｗo措施，如檢測，鎖定和通知，或在繼續(xù)操作時采取補償形式。

例如，如果檢測到非常強的雜散場篡改嘗試，系統(tǒng)可能會故意在短時間內(nèi)禁用自身，或者如果雜散場被認為足夠弱，則系統(tǒng)可能會記錄并忽略雜散場。最終，當存在關(guān)鍵敏感電子設(shè)備并且其故障可能導(dǎo)致危險時，或者對于智能鎖 - 安全漏洞，將使用防篡改機制。

表 1 比較了 Allegro 的兩種不同的 3D 磁性傳感器類型。A1266 3D 微功率霍爾開關(guān)和 ALS31300 3D 霍爾線性傳感器都符合上一節(jié)中討論的成功篡改接近檢測解決方案的標準，并且都提供了獨特的防篡改減和預(yù)防方法。

表 1：霍爾效應(yīng)開關(guān)和線性傳感器特性和功能的比較

結(jié)論

磁性篡改檢測是消費者自信地采用智能家居安全和門禁控制設(shè)備所需的關(guān)鍵功能。此功能可防止故障，并實現(xiàn)對危險磁場暴露事件的系統(tǒng)級響應(yīng)，從而增強這些和其他電子設(shè)備的整體安全性和性能。

磁性傳感器 IC（如 A1266 3D 霍爾開關(guān)和 ALS31300 3D 霍爾線性）能夠以小于 9 mm 的占地面積檢測大面積上的磁性篡改2.Allegro 的 3DMAG? 傳感器解決方案通過使用最少數(shù)量的 IC 來實現(xiàn)高可靠性篡改檢測，從而確保高度精確、多功能的傳感設(shè)計。

請務(wù)必閱讀 Allegro 的配套應(yīng)用說明，討論真正的 3D 傳感器在篡改檢測方面的技術(shù)優(yōu)勢，3D 霍爾效應(yīng)傳感器可降低智能家居系統(tǒng)磁性篡改檢測的成本和復(fù)雜性。

審核編輯 黃昊宇