瑞萨技术干货丨解决下一代智能锁设计中的技术挑战

　　从连接标准联盟(CSA)的Matter™和Aliro™

　　到生物识别认证

　　对安全、易用且无缝集成的门禁解决方案日益增长的需求，正推动智能门锁走向住宅和商业门禁控制的前沿。智能家居自动化和数字安全的扩展加速了应用，用户越来越期待无钥匙进入、远程访问和实时通知。与此同时，先进的生物识别技术提升了便利性和安全性，进一步加速了向智能门禁系统的转变。如今，智能门锁被期望能够为家庭、办公室和共享空间提供安全、始终可用的出入能力，并可顺畅集成到更广泛的数字生态系统中。然而，对制造商而言，要满足这些期望仍然面临着重大的技术挑战。

　　智能锁设计中的核心技术挑战

　　在设备层面，智能锁设计人员必须在强大的安全性与超低功耗运行之间取得平衡。锁必须在电池操作数月甚至数年时保持响应和安全，保持始终在线且能耗影响最小。无线连接进一步增加了系统复杂性。诸如Wi-Fi®、蓝牙®低功耗、Thread、近场通信(NFC)和超宽带(UWB)等技术必须能够在穿透门体和墙壁、覆盖不同距离，以及存在干扰或连接中断的情况下依然稳定运行。同时，制造商还必须通过强加密技术和安全的固件更新机制，防御网络攻击、未经授权的访问以及重放攻击。互操作性历来是另一大挑战。支持多个碎片化的生态系统不仅会增加开发工作量、认证成本和长期维护负担，在同时面向住宅市场和商业市场时更是如此，因为这两个市场在身份管理和出入策略方面存在不同要求。

　　新兴标准如何改变行业格局

　　新兴标准正在逐步减少这种碎片化现象。

　　由连接标准联盟(CSA)开发的Matter，通过提供统一的、基于互联网协议(IP)的设备通信与自动化框架，从智能家居层面解决了互操作性问题。对于智能锁而言，Matter可实现跨生态系统的一致性控制和监测，例如上锁、解锁以及状态报告，而无需依赖专有集成。

　　Aliro同样由CSA推出，专注于安全的数字出入凭证。该标准定义了移动设备、可穿戴设备与读取器如何通过NFC、蓝牙低功耗和UWB建立可信、保护隐私的出入机制。Aliro旨在实现广泛采用，可简化从住宅建筑到办公室、园区及酒店等多种门禁控制环境中的互操作性。在苹果、谷歌和三星等主流移动钱包生态系统的支持下，Aliro使人们能够使用日常携带的智能手机和可穿戴设备，实现标准化的数字凭证，在简化安全出入体验的同时保护用户隐私。

　　在标准解决互操作性和安全模型问题的同时，智能锁行业也正在受到先进生物识别技术(包括人脸识别)集成的影响，这些技术可实现高度个性化且便捷的出入体验。

　　面向Aliro连接的智能门锁系统架构

　　图 1：支持多种上锁与解锁方式的系统架构，旨在满足智能门锁提供商的多样化需求

　　系统的核心是RA4M3 MCU，一款通用微控制器，搭载100MHz Arm® Cortex®‑M33内核。该器件集成了瑞萨安全加密引擎9(SCE9)，支持对称和非对称加密，并支持Arm TrustZone®，可为系统提供强有力的网络安全防护。

　　RA4M3 MCU：

　　实现Aliro协议栈

　　管理无线连接设备

　　通过连接的高压可编程混合信号矩阵(HVPAK)电机驱动器控制门锁电机

　　通过电容式触控接口支持PIN输入

　　在非接触式与无线解锁方面，系统通过基于正弦波架构的PTX105R NFC读卡器IC支持智能手机轻触解锁功能。这种设计可实现高度紧凑的NFC解决方案，其物料清单相较传统读卡器最多可减少至三分之一。该方案无需外部EMI滤波器，支持体积更小、可放置在显示屏后方的天线，并能在存在金属表面、电机和显示屏的环境中保持较强的抗噪能力。低功耗卡片检测模式使其尤其适用于电池供电的智能门锁应用。

　　蓝牙低功耗连接由DA14535MOD蓝牙低功耗模块提供，兼具超低功耗运行和易于集成的特点。其全球部署数量已超过一亿颗，在广泛设备间实现了经过验证的互操作性，确保可靠的无线解锁体验。

　　在远程操作方面，系统支持通过Wi‑Fi实现的Matter连接，可选用RA6W1 Wi‑Fi 6 MCU或RRQ61001 Wi‑Fi模块。该双频Wi‑Fi解决方案针对物联网(IoT)应用进行了优化，支持始终在线运行，使门锁能够即时响应远程命令、告警通知和固件更新。

　　NFC、蓝牙低功耗和Wi‑Fi共同为支持Aliro的智能锁系统提供了一套完整且低功耗的连接解决方案。

　　门口边缘AI人脸识别

　　为进一步提升安全性与便利性，瑞萨电子与Aizip联合开发了一套经过优化的设备本地人脸识别解决方案。该边缘AI方案完全运行于RA8D1 MCU上，支持多达100名用户，即使用户佩戴眼镜等配饰，仍能保持较高的识别准确率。无需云端连接或外部处理，该方案可在边缘侧直接实现快速、私密且可靠的人脸认证。

　　了解更多信息，请参阅我们的人脸识别博客。

　　智能锁演示平台

　　为展示上述能力，瑞萨开发了一款高端智能门锁演示平台，如图2所示。

　　图 2：高端智能锁演示平台

　　在该设计中，人脸识别功能以基于RA8D1 MCU的模块形式实现，并通过蓝牙低功耗与主控制系统(图1)进行通信，如图3所示。

　　图 3：通过蓝牙低功耗模块实现的人脸识别

　　高端集成式智能锁解决方案

　　图 4：高端集成式智能锁解决方案

　　图4展示了一套以RA8D1 MCU为核心的完全集成式高端解决方案，搭载480MHz Arm Cortex‑M85内核，并支持Helium™向量处理。

　　在该架构中，RA8D1MCU：

　　实现Aliro协议栈

　　管理所有无线连接接口

　　通过HVPAK电机驱动器控制门锁电机

　　通过一颗支持电容式触控的入门级副MCU，实现PIN输入

　　集成Renesas Secure IP(RSIP E51A)，支持对称与非对称加密，并结合了Arm TrustZone

　　总结

　　随着智能门锁不断演进为始终在线、具备智能能力的出入节点，制造商面临着一系列严苛要求的叠加，包括强健的网络安全防护、超低功耗运行、可靠的无线连接，以及在住宅和商业生态系统之间实现无缝互操作性。Matter和Aliro等新兴标准正在帮助减少生态碎片化，但它们能否成功，最终仍取决于设备层面的有效实现。

　　瑞萨通过一种可扩展的系统级方法应对这些挑战，将安全且高性能的MCU、超低功耗无线连接、先进的加密能力以及边缘AI相结合。通过支持包括PIN、NFC、蓝牙低功耗、Wi‑Fi和生物识别在内的多种出入方式，同时支持Matter并符合Aliro架构，瑞萨的解决方案使智能锁制造商能够在不牺牲安全性、能效或用户体验的前提下，灵活面向多样化市场。该架构展示了下一代智能锁如何在设备本地集成智能、隐私和互操作性，从而加快面向家庭、企业和共享空间的安全、面向未来的出入解决方案的开发。