《電子技術(shù)應(yīng)用》
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无线无源远距离可重构安全传感终端设计
网络安全与数据治理
邓洋1，张世杰1，刘成旺1，李征1，冉君1，钟永明1，王坚1，施昶2，李钢2
1.成都普什信息自动化有限公司； 2.电子科技大学
摘要： 为提高无源物联网安全性能，常在传感设备中加入加密算法。而传统无源传感终端的加密算法常采用伪随机数实现，其具有极大的安全隐患，且现有产生真随机数的方法需专用真随机数产生电路，其开销大，不适用于无源传感终端。同时，现有无源传感终端的加密算法不能重构，变换方式少，安全性很难进一步提升。为此，设计了一种无线无源可重构远距离安全传感终端，其采用MCU实现标准RFID通信协议，代替专用RFID芯片，能根据各种应用场景修改MCU代码，从而实现传感终端可重构功能；基于射频信号和ADC残差的兼容型真随机数发生器产生真随机数，无需专用电路；采用增强型可重构加密算法，结合真随机数极大地提升了传感终端安全性能，同时，采用多源能量收集电路架构，提升了终端接收灵敏度，从而实现传感终端的远距离通信功能。
中圖分類號：TN926；TP309文獻(xiàn)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(jì)［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(shí)際所需參量進(jìn)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(shí)現(xiàn)信息感知，并據(jù)此實(shí)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(dá)27 m和748 m，但其沒有實(shí)現(xiàn)RFID協(xié)議處理功能，無法實(shí)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(shí)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(qiáng)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(qiáng)傳感終端安全性能，常采用基于偽隨機(jī)數(shù)的加密算法，其安全性較弱；也常采用專用真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生電路，但增加了系統(tǒng)成本和功耗。考慮到傳感終端常采用ADC實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，因此，為實(shí)現(xiàn)資源共享，減少因?qū)崿F(xiàn)真隨機(jī)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(diǎn)研究基于ADC的低復(fù)雜度高兼容真隨機(jī)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(shí)現(xiàn)真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器［6］，其性能優(yōu)于采用單一熵源實(shí)現(xiàn)的真隨機(jī)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(shí)現(xiàn)真隨機(jī)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(jī)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(jī)數(shù)，可以同時完成模數(shù)轉(zhuǎn)換和產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)（True Random Numter,TRN）［9］。

以上文獻(xiàn)提出的基于ADC實(shí)現(xiàn)真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的方法難以真正實(shí)現(xiàn)，只適合專用芯片，增加了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)數(shù)。文獻(xiàn)［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(shí)現(xiàn)真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的方法，這是在微處理器上基于ADC實(shí)現(xiàn)真隨機(jī)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(shí)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(jī)數(shù)發(fā)生器和可重構(gòu)加密算法，并進(jìn)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(qiáng)無源終端接收靈敏度，提升無源終端通信距離，并設(shè)計(jì)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(jiān)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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