通过3D磁性传感器增强智能家居安全性

具有更高集成度的家用电子系统正在迅速被采用，以改善用户体验。随着消费者找到新的方法来为他们的生活空间配备简单易用的智能家居和物联网（IoT）产品，他们可能没有意识到这些和其他电子设备中常见的某些漏洞和安全功能。

许多家庭安全和门禁设备[1]例如电子锁，摄像头，入侵传感器，车库开门器，控制集线器和面板包含越来越多的智能电子设备，可以自动访问允许的用户，同时限制入侵者的访问。这些机电设备与基于安全的角色的融合带来了风险，应通过使用磁性篡改检测传感器来解决。

[1]这里讨论的安全原理也直接适用于其他关键功能电子系统，如医疗器械和公用事业仪表。

什么是漏洞机制？

篡改电子设备的众多方法之一是使用强磁铁来破坏设备在闭环中运行的能力。当这些磁铁靠近设备时，它们开始将智能设备的内部电子设备暴露在高磁场中。安全和门禁控制个人电子设备通常配备磁敏元件，但很少设计用于补偿或忽略外部“杂散”磁场的影响。

霍尔效应和磁阻 （xMR） 磁性传感器以及安全电子设备中常用的各种其他集成电路容易受到饱和和故障的影响。在这些条件下，对磁敏感元件的破坏可能会阻止系统了解关键信息，例如有多少功率流过它或机械位置的确切状态。在图1所示的智能锁示例中，由于杂散磁场，篡改机制可能会无意中触发解锁条件。

什么是杂散场？

通常无法表征的外部磁场被称为杂散磁场。这是一个施加的磁场，要么是故意的 - 恶意篡改肇事者的方法 - 要么是无意的 - 例如来自附近大电流或磁源的干扰。永磁体或电磁铁等光源的极性、频率、方向和强度可能会有所不同。用于篡改的永磁体通常非常坚固，可能相对较大且较重，可以在线购买或从废弃的电子设备和计算机中回收。

智能锁的安全性如何？

智能锁是智能家居安全产品的一个典型例子。根据Littelfuse Inc.（Littelfuse，N.D.）的数据，2019年全球出货量为700万个智能锁单元，预计5年内年出货量将增加到2300万个单元。随着智能锁和其他个人电子安全和门禁控制解决方案的采用率不断提高，制造商必须同时解决硬件和软件安全易感性问题。

实现这些门禁系统的内部电子设备使用电压和电流基准，这些基准电压和电流通常对外部磁场敏感。这种性质的干扰事件可能会导致系统变得盲目或被诱骗，以便在系统应保持安全时执行操作。在智能锁的情况下，如果产品设计的一部分没有实施适当的防篡改保护措施，则施加的非常高的磁场可能允许入侵者进入安全空间。

成功检测篡改的标准

虽然制造商在使用点防止磁篡改可能具有挑战性，但很有可能检测到篡改企图。至少可以记录日志，或者可以采取补救措施，例如警报，禁用系统的关键部分或通知管理员。全球多个组织正在努力定义智能家居门禁系统法规，其中包括对智能家居和个人电子安全外围设备的要求，以检测和记录篡改企图。

为了有效，用于检测篡改的磁性传感器必须具有以下特征：

高灵敏度：即使施加在系统外部的磁铁可能很强，但随着您移远，磁铁的磁场强度会呈指数级衰减;传感器内部位置的场强可能远低于磁体表面的磁场（见图2）;系统中使用的某些金属组件可能会使磁场失真，如果灵敏度不够高，则在传感器的检测区域中产生“阴影”或“孔”。

高动态范围：一些磁感应技术对允许施加的磁场强度有上限，超过这些限制可能会导致永久性损坏。与 xMR 不同，霍尔效应技术对施加的磁场没有上限。

全极灵敏度：篡改企图的肇事者不太可能非常注意磁铁的哪个极点应用于系统的情况，或者他们可能会简单地尝试所有选项来找到一个有效的磁极;传感器应能够检测北极和南极磁场，并且对磁体的极向不敏感。

全向灵敏度：许多传统的磁性传感器仅对单个方向或平面上的场敏感;由于外部磁体可以以任何方向施加到组件表面（正面，顶部，底部，背面或侧面）上的任何暴露点，因此传感器在所有三个方向（X，Y和Z）上都应具有相同的灵敏度。真正的 3DMAG™ 霍尔效应磁性传感器器件包括 Allegro MicroSystems 的 ALS31300 低功耗 3D 线性传感器和 ALS31313 低功耗 3D 线性传感器。

防篡改

如前所述，在处理检测到的篡改事件时，有一些选项可供选择。防篡改只能在终端设备使用时实现，通过适当的保护措施，如检测，锁定和通知，或在继续操作时采取补偿形式。

例如，如果检测到非常强的杂散场篡改尝试，系统可能会故意在短时间内禁用自身，或者如果杂散场被认为足够弱，则系统可能会记录并忽略杂散场。最终，当存在关键敏感电子设备并且其故障可能导致危险时，或者对于智能锁 - 安全漏洞，将使用防篡改机制。

表 1 比较了 Allegro 的两种不同的 3D 磁性传感器类型。A1266 3D 微功率霍尔开关和 ALS31300 3D 霍尔线性传感器都符合上一节中讨论的成功篡改接近检测解决方案的标准，并且都提供了独特的防篡改减和预防方法。

 

	A1266	ALS31300
包	产品分类23	断续器
脚印	2.9 毫米 x 3 毫米	3 毫米 x 3 毫米
操作模式	阈值开关	校准线性
传感机构	3D 霍尔效应	3D 霍尔效应
输出协议	开漏	我2C
感应距离	±40 克（4 分钟）	±500 克、±1000 克和 ±2000 克 （±50 mT、±100 mT 和 ±200 mT）
特征	单个 X/Y/Z 输出， X/Y/Z 的单 OR 输出， 固定低功耗循环	EEPROM（带客户空间）。 可调低功耗循环， 中断引脚， 可调中断设置， 温度传感器

 

表 1：霍尔效应开关和线性传感器特性和功能的比较

结论

磁性篡改检测是消费者自信地采用智能家居安全和门禁控制设备所需的关键功能。此功能可防止故障，并实现对危险磁场暴露事件的系统级响应，从而增强这些和其他电子设备的整体安全性和性能。

磁性传感器 IC（如 A1266 3D 霍尔开关和 ALS31300 3D 霍尔线性）能够以小于 9 mm 的占地面积检测大面积上的磁性篡改2.Allegro 的 3DMAG™ 传感器解决方案通过使用最少数量的 IC 来实现高可靠性篡改检测，从而确保高度精确、多功能的传感设计。

请务必阅读 Allegro 的配套应用说明，讨论真正的 3D 传感器在篡改检测方面的技术优势，3D 霍尔效应传感器可降低智能家居系统磁性篡改检测的成本和复杂性。

审核编辑 黄昊宇