利用ASK/OOK 发射模块，实现信号重放

本文以打开无线控制的电动车库卷帘门为目标，深入研究了ASK/OOK的编／解码，并用树莓派+五元钱的ASK/OOK 发射模块

背景

车库装了电动卷帘门，为了了解其安全性，也是为了能自主控制，研究了下其遥控原理。其实在这个过程中，我测试了家里几乎所有的无电线遥控器，包括电动窗帘、投影幕布、电动衣架、车钥匙。除了车钥匙，其它都是类似的，即ASK/OOK编码。

ASK，简单的理解，就是调幅，用不同的幅度来代表不同的信息。OOK是ASK的特例，因为只有0和1要表示，可以用有载波来代表1，无载波来代表0。但实际上并不是这么直接，通常会加上脉宽调制（PWM）以提高抗干扰能力。

用HackRF确定可行性

据说有的车库门是滚动码的（编码是变化的），我们可以先用HackRF做个简单的重放攻击测试。

录制2秒的信号并重放：

hackrf_transfer -f 433920000 -s 2000000 -a 1 -r capture.raw -n 4000000 -g 40 -l 16
hackrf_transfer -f 433920000 -s 2000000 -a 1 -t capture.raw -x 40

部分运行提示：

call hackrf_set_sample_rate(2000000 Hz/2.000 MHz)
call hackrf_set_hw_sync_mode(0)
call hackrf_set_freq(433920000 Hz/433.920 MHz)
call hackrf_set_amp_enable(1)
samples_to_xfer 4000000/4Mio
Stop with Ctrl-C
 3.9 MiB / 1.000 sec =  3.9 MiB/second
 3.9 MiB / 1.000 sec =  3.9 MiB/second
 0.3 MiB / 1.000 sec =  0.3 MiB/second
Exiting... hackrf_is_streaming() result: streaming terminated (-1004)

实测用录制的信号是可以控制的（如果不行，注意调整HackRF放大器的增益）。但这个没多大技术含量，而且成本高，数据量也大。我们的目标是解码后再重新编码／重放。

用GNU Radio录制信号

用GNU Radio搭一个简单的接收框图，一方面将接收信号保存到文件，另一方面将信号以瀑布图显示作为实时反馈。因为遥控信号是433.92MHz，中心频率设在这个附近都可以；采样率2M就够了。

图1：gnuradio-companion 连接框图

下图是运行时的瀑布图，其中按了5次遥控器。

图2：gnuradio-companion 运行时的瀑布图

用 Inspectrum 手动解码

用apt-get安装inspectrum，或下载最新的Inspectrum代码，按照文档自行编译。试过Debian和Mac下都没问题（Mac下用MacPorts要安装一堆依赖）。编译就不多说了，下面是解码的主要步骤：

1. 用Inspectrum打开前面录制的文件，设置采样率为录制时的采样率（2M）；

2. 水平拖动，找到有信号的区域；

3. 在原始信号上右键，Add derived plot => Add sample plot；

4. 此时原始信号上会出现两条水平线，用鼠标拖动，调节中心频率的位置和宽度；

5. 在原始信号上右键，Add derived plot => Add amplitude plot；

6. 在Amplitude plot上右键，Add derived plot => Add threshold plot；

7. 勾选”Enable cursors”，此时会出现两条竖线；

8. Zoom放大信号图，移动两条竖线，使其宽度包含一个符号。注意跳过前导的高低电平（start1, start0）。数据通常是脉宽编码的，一对高低电平的组合代表一个bit：高电平较宽的代表1，低电平较宽的代表0。从图中应该能看出这个规律。

9. 改变符号数，使其包含整个信号区域（图中是65个符号，这相当于完整的key），并调节首尾对齐（结束时通常有较长的低电平），这时可以得到符号的速率，即波特率（对OOK，其实等同于比特率）。

图3：用Inspectrum解码的步骤

最后，在Amplitude plot或Threshold plot上分别点右键，Extract symbols (to stdout)，可以得到解码的数据。其中前者相当于模拟信号，简单理解：正数代表1，负数代表0；后者才是我们想要的bit流。

图4：用Inspectrum解码的结果

为确认解码正确，可以再选一段信号区域，做同样的操作，看结果是否一致。毕竟ASK抗干扰不强，有时候可能会差一两个bit。通常，按一下遥控器，同样的数据会重复发送几次。

遥控信号编码分析

根据前面的解码，以及对更多遥控器的分析，可以归纳出一个模型。一个ASK信号包含如下部分（参数）：

start1: 起始的高电平时间长度；

start0: 起始的低电平时间长度；

stop0: 结束的低电平时间长度；

period: 每个bit的周期，在PWM编码中，每个bit都对应一对高/低电平，而且总是先高后低；

duty: 占空比，比如占空比是75%，则意味着一个周期内如果75%左右是高电平，则代表1; 而75%左右是低电平则代表0；

bits: 实际的bit流。

这里的占空比肯定是大于50%的，通常在75%左右比较合适，这样既能拉开（每个周期内）两种电平的比例差，减少接收端的误判；又能保证接收时能采样到两种电平，也是为了减少误码。试想对于99%的占空比，1%周期的电平很可能被接收端采样不到，导致采样到199%（甚至更长）周期的同一种电平，这样解码时就会出错。

发射模块

最初，我是想用GNU Radio做ASK/OOK编码并发射的。万能的HackRF和SDR按说能搞定这个小Case。

研究了下，发现这并不是一件容易的事。需要使用很多的模块。这也许是一个很好的GNU Radio的练习题。但我还是先看下有没有更简单的办法。

然后口水了一下TI的EZ430-Chronos手表，找了下“廉价”的RFcat，发现并不容易买到。最后在万能的假货宝发现了真正廉价的东东：只要5元！（你买不了吃亏，买不了上当。。）

这个模块很简单，就是把输入的信号以433/315M的载波调制／发射出去。DATA为高电平，就按高电平调幅输出（请注意，这里调制的是电平，并不是数据。也就是说，数据”1″对应多长时间的高电平，多长时间的低电平，这个模块都不管的——这些是编码模块要处理的事）。

图5：ASK/OOK 发射模块

用Python编码

为了代码的模块化，也是为了减少发射时的计算量，我们采取先编码再发送的方案。根据前面建立的ASK信号的模型，将这个信号编码为高低电平交替的波形，并用一个数组表示，数组中每个元素存储高低电平切换时对应的时间戳。波形总是以高电平开始。

起始／结束电平的时长、占空比这些参数理论上并不需要严格准确，但这取决于接收端的宽容度，所以我们还是尽量忠实于原信号。

下面是核心的代码片断，其中ts是时间戳数组。

    def encodePWM(self, ts):
        t = 0
        ts.append(t)
        t += self.start1
        ts.append(t)
        t += self.start0
        ts.append(t)
        for i in range(0, self.bits.len):
            w = self.duty if self.bits[i] else 1 - self.duty
            ts.append(t + self.period * w)
            t += self.period
            ts.append(t)
        ts[-1] += self.stop0

用树莓派发送

发送工作就很简单了：将发射模块的DATA脚与树莓派的某个GPIO相连，电源也直接用树莓派的；

图6：树莓派与发射模块

然后根据时间戳交替翻转对应的GPIO就行了。

    def send(self, ts):
        b = 1
        t1 = time.time()
        GPIO.output(self.pin_tx, b)
        t1 -= ts[0]
        for t in ts[1:-1]:
            b = 1 - b
            wait = t1 + t - time.time()
            if wait > 0:
                time.sleep(wait)
            GPIO.output(self.pin_tx, b)
        wait = t1 + ts[-1] - time.time()
        if wait > 0:
            time.sleep(wait)

用sleep控制时间尽管有一定误差，脚本语言的运行也没那么快，但实测是够用的。下图是示波器上看到的DATA引脚的波形图（两个通道都连着DATA脚）。

图7：树莓派产生的待调制信号

为便于观察，我将编码周期设置为1ms，和示波器界面的1ms/div对应。图中测量的间距是2.78ms（预期是2.75ms），偏差是可接受的。

多种姿势打开车库门

把发射的装置放在车库内，并连上网络，就可以无需钥匙自主控制车库门的开/关了。

手机开关门

不需要自己写App，用ssh终端密钥登录并执行命令，就可以手机一键开/关门了，并且可以远程控制。

图8：手机上用ssh开关车库门

自动开关门

以指定手机作为钥匙，当持手机靠近车库时（其实是连上车库WiFi后），就自动开门。大致流程是：

远程执行路由器的 iwinfo 命令（如下）检测连接在上面的设备；

如果作为钥匙的手机的MAC在列表里，并且信号强度（SNR）超过设定值，就计为一个有效的连接。当连接数从0变为非0时，就自动开门。

如果钥匙手机的有效连接数降到0, 就自动关门。

ssh root@wireless-router 'iwinfo ra0 assoclist && iwinfo rai0 assoclist'

自动关门的好处是可以防止人走了忘了关门（俺家真的发生过）。

芝麻开门

理论上可以做到，但需要可靠的声纹识别。这个就算了。。

锁死车库门

把发射模块对应的GPIO设为高电平，由于发射模块信号强，距离近，接收端收到的总是1，导致用真的钥匙也开不了门。

结语

不用滚动码编码的车库门其实是毫无安全性可言的。不管是简单的原始信号重放、还是解码后再编码的重放都比较容易实现。但我们可以利用这种不安全为自己提供便利，更灵活地自主开／关门。另外，用发射模块发射高电平可以干扰钥匙的信号达到锁死车库门的效果。

但如果不是通过监听钥匙的信号，用暴力破解Key也并不是那么容易的。因为ASK编码除了需要数据吻合，载波频率相同，还需要数据编码速率，甚至起止电平的时长都要一致。

用廉价的硬件发射模块配合树莓派（或单片机）可以低成本地编码/发射ASK/OOK信号，简单易行。而HackRF加Inspectrum解码仅适合实验和调试用，实用价值不高。后续将会尝试ASK/OOK的自动解码。