Lösung des Verbindungsproblems zwischen intelligenten Sensoren und Bluetooth durch Nahfeldkommunikation

　　Die Unterstützung für den Low Energy (LE)-Datenaustausch ist in der Bluetooth-Spezifikation Version 4.0 enthalten. Bluetooth Low Energy (BLE) ist dafür konzipiert, Kommunikation mit Datenraten von bis zu 1 Mbit/s zu unterstützen, mit Entfernungen von etwa 50 Metern, was etwa 10 bis 30 Meter länger ist als typisches Bluetooth. Bluetooth Low Energy (BLE) bietet leistungsstarke Zugangsdaten zur Verbindung von Geräten mit dem Internet der Dinge (IoT).

　　Das Gerät implementiert möglicherweise nur den BLE-Teil der Bluetooth-Spezifikation, daher heißt es Bluetooth Smart. Für intelligente Objekte wie IoT-Endpunkte ist dies eine ideale, wirtschaftliche und energiesparende Lösung. Andererseits können Geräte wie Smartphones und Tablets, die vollständige Bluetooth-Spezifikationen unterstützen – nicht nur LE, sondern auch Basisraten und verbesserte Datenraten (BR/EDR) bis zu 3 Mbit/s (jetzt Bluetooth Classic genannt) – mit Bluetooth-Smart-Geräten, bekannt als Bluetooth-Smart-Geräte, interagieren.

　　Alle seit Ende 2011 eingeführten Smartphones sind intelligent. Dies ermöglicht es Entwicklern, sich darauf zu verlassen, dass viele potenzielle Nutzer bereits Geräte besitzen, die mit ihren Produkten interagieren. Diese können Konsumgüter sein, wie intelligente Beleuchtung oder Umweltsensoren im Haus oder Geräte wie smarte Sensoren oder Maschinen in industriellen Umgebungen. Industrielle Nutzer können mit ihren eigenen Geräten interagieren, die durch die BYOD-Richtlinie (Bring Your Own) des Unternehmens autorisiert sind, oder über spezielle Mobiltelefone oder Tablets.

　　Die ideale Verbindung für Smart Objects in Shangtai

　　Neben der einfachen Interoperabilität bietet BLE mehrere weitere wichtige Vorteile als Konnektivitätstechnologie für intelligente Objekte. Schaltungen und Protokolle können kostengünstig implementiert werden, und geeignete Software-APIs stehen für Windows-, Apple- und Android-Geräte zur Verfügung. Kleine Pakete, kurze Empfangs- und Übertragungsfenster sowie Leistungsschemata, die darauf ausgelegt sind, die Zeit im Leerlaufmodus zu maximieren, tragen alle zu einem extrem niedrigen Energiebedarf bei und ermöglichen es BLE-Geräten, monatelang oder länger mit kleinen Münzen zu arbeiten. Andererseits wird das Koppeln von Bluetooth-Geräten von Verbrauchern weithin als schwieriger Prozess angesehen, potenziell zeitaufwendig und eher "Glückssache". Nutzer, die Zubehör mit ihren Handys verbinden wollen, benötigen in der Regel ein Referenzhandbuch, um zu lernen, wie man das neue Gerät auffindbar macht. Das Koppeln erfordert in der Regel mehrere Versuche, und die Sicherheit kann kompromittiert werden, da nur wenige Benutzer die Werksschlüssel auf Zahlen umstellen, die potenzielle Hacker nicht leicht erraten können.

　　Wenn ein Gerät eigene Benutzereingaben hat, ist dieser Prozess schwer zu handhaben, ähnlich wie bei Geräten wie Tasten oder Schaltern, die grundlegend sind. Bei Geräten wie IoT-Smart-Sensoren, die möglicherweise komplett kopflos sind, kann es noch schwieriger sein.

　　In Kombination mit kopflosen Objekten

　　Um Koppelungsprobleme zu überwinden, hat Bluetooth SIG Secure Simple Pairing (SSP) ab Bluetooth 2.0 eingeführt. SSP spezifiziert vier Assoziationsmodelle, darunter Work, Digital Comparison, Key Input und Out-of-Band (OOB). Die Eingabe und der numerische Vergleich erfordern, dass Nutzer einen Code eingeben oder bestätigen, dass die beiden Codes identisch sind. OOB ist das beste Modell, um kopflose Geräte ohne Benutzeroberfläche zu verbinden. Just Works-Paarung verwendet dasselbe Protokoll wie der digitale Vergleich, erfordert aber keine Benutzerbestätigung. Obwohl dies verwendet werden kann, um Geräte ohne Benutzeroberflächenschlüssel oder Anzeigen zu koppeln, bietet es keinen menschlichen Schutz bei Sicherheitsangriffen zwischen Menschen. OOB-Paarung verwendet zuvor sicher geteilte Informationen anstelle von Schlüsseleingaben.

　　Near Field Communication (NFC) kann verwendet werden, um die für OOB-Paarung benötigten Daten zu teilen und so eine bequeme und sichere Möglichkeit zur Einrichtung von Bluetooth-Verbindungen zu bieten. NFC-Koppelung wird bereits in populären mobilen Betriebssystemen unterstützt, und durch die Bequemlichkeit des "Tap-Pairings" bei der Einführung neuer Zubehörteile wie Kopfhörer oder Lautsprecher in Smartphones wurde die Nutzung durch Verbraucher erheblich vereinfacht.

　　Mit eingebauten Sicherheitsgeräten kann NFC die Bluetooth-Kopplung mit intelligenten Sensoren unterstützen, ohne die weit verbreiteten Vorteile der nativen BLE-Unterstützung auf Smartphones und Tablets zu beseitigen.

　　Neben der sicheren Einführung neuer Geräte ins Netzwerk kann NFC auch andere Interaktionen mit kopflosen IoT-Geräten erleichtern. Beispiele hierfür sind das Entfernen von Geräten aus dem Netzwerk, der Austausch alter Geräte durch neue sowie das Senden von Konfigurationsdaten oder das Abrufen von Informationen, wenn Bluetooth-Verbindungen nicht aktiviert sind. NFC bietet außerdem eine Möglichkeit, Geräte aufzuwecken, die vollständig ausgeschaltet wurden, um die Akkulaufzeit zu maximieren und sie mit Bluetooth-Netzwerken zu verbinden.

　　Starte den Paarungsprozess mit NFC

　　Denn wenn das Host-System den Strom ausfällt, können passive NFC-Tags mit dem Leser kommunizieren, und Daten wie Netzwerkparameter und Schlüssel für eine sichere Verbindung können vor dem ersten Einschalten an das Gerät übertragen werden. Dies kann geschehen, indem ein neues Gerät auf ein NFC-fähiges Smartphone oder ein Gateway-Gerät (wie ein Hausautomationszentrum) angelegt wird. Wenn das Objekt eingeschaltet wird, kann es einen Schlüssel verwenden, um sich mit dem Netzwerk zu verbinden und eine sichere Kommunikation herzustellen. Dann wird der Schlüssel aus Sicherheitsgründen aus dem Label entfernt, um Abhörmaßnahmen durch Dritte zu verhindern. Ebenso können NFC-fähige Smartphones, die auf Geräten registriert sind, kopflose Geräte per Tap mit dem Netzwerk verbinden. Andere Befehle (wie das Zurücksetzen oder Deaktivieren von Geräten aus dem Netzwerk) können auf dieselbe Weise ausgeführt werden oder indem man klickt, um das alte Gerät zu ersetzen oder zu aktualisieren, indem man Konfigurationseinstellungen von einem Gerät auf ein anderes kopiert.

　　Die kurze Kommunikationsreichweite von NFC trägt zur Verbesserung der Sicherheit und Selektivität bei. Abhören ist sehr schwierig, wenn unbefugte Personen sich innerhalb weniger Zentimeter von einem Gerät aufhalten müssen, und Abhören ermöglicht es den Nutzern, sicher zu sein, dass nur das gewünschte Gerät den Netzwerkschlüssel erhalten hat.

　　Das Bluetooth-Technologiekonsortium und das NFC-Konsortium haben bereits Interoperabilität für beide Technologien bereitgestellt, wie zum Beispiel Gerätekoppelung und das Initiieren der Kommunikation zur Herstellung von Bluetooth-Verbindungen. Der aktuelle Bluetooth-Standard unterstützt nicht nur OOB-Koppelung, um Vorteile wie NFC zu nutzen, sondern die NFC-Spezifikation beinhaltet auch die Möglichkeit, Geräte mit Netzwerken wie Bluetooth oder WLAN zu verbinden. Es gibt außerdem ein Protokoll für das Verbinden, das eine sofortige, normale Übertragung auf Bluetooth nach dem Koppeln ermöglicht.

　　Diese in diesen beiden Spezifikationen enthaltenen Funktionen ermöglichen die Verwendung von NFC für verschiedene Zwecke, darunter die Auswahl von Bluetooth-Geräten, sichere Verbindungen zu Bluetooth-Geräten oder das Starten von Anwendungen auf Bluetooth-Geräten.

　　NFC vereinfacht die Geräteauswahl, indem es Bluetooth-Entdeckungsprogramme eliminiert, die möglicherweise erfordern, dass Nutzer die gewünschten Geräte manuell aus einer Liste anderer Geräte im angegebenen Bereich auswählen. In diesem Fall ermöglicht NFC, dass Bluetooth-Adressen direkt von Tap-Geräten erfasst werden.

　　Beim Koppeln von Bluetooth-Geräten mit SSP OOB kann NFC verwendet werden, um die für BLE-Geräte benötigten temporären Schlüssel zu übertragen. Dieser Prozess. Der Schlüssel befindet sich in der Nutzlast der Standard-NDEF (NFC Data Interchange Format)-Nachricht. Nach dem Austausch von Originaldatendaten können Entwickler weitere Funktionen in der Bluetooth-Spezifikation nutzen, um die Zeit für die vollständige Verbindungseinrichtung zu minimieren. Ein Beispiel ist die Unterstützung der schnellen Verbindungseinrichtung, die im General Access Profile (GAP) enthalten ist. GAP definiert Bluetooth-Geräte-Ankündigungen, die Prozesse zum Entdecken, Verbinden und zur Verwaltung der Sicherheit.

　　Das gemeinsam vom NFC Forum und Bluetooth SIG veröffentlichte Anwendungsdokument liefert ausführliche Informationen über Bluetooth Shangtai Secure Simple Pairing mittels NFC bei der Gerät-zu-Gerät-Interaktion sowie zum Schaltmechanismus zwischen NFC und Bluetooth.

　　Das integrierte Modul vereinfacht das Design

　　Um NFC-Koppelung und NFC-ausgelöstes Host-Wake-up zu erreichen, muss das Gerät über einen NFC-Tag und BLE-Funktionalität verfügen. Während diese als eigenständige ICs implementiert werden können, bieten integrierte Lösungen, die BLE und NFC für IoT-Geräte kombinieren, kleinere und potenziell energiebewusstere Lösungen. Panasonics PAN1761 BLE/NFC-Kombimodul ist ein Beispiel dafür, dass es Einmode-BLE-Chips mit NFC Forum 3-kompatiblen Tags in einem kompakten Oberflächenmontagegehäuse kombiniert. Das Modul verfügt über einen integrierten ARM Cortex-M3-Mikrocontroller und einen 512 KBit EEPROM, der in der Lage ist, intelligente Sensoranwendungen und anderen Code sowie Bluetooth- und NFC-Funktionen auszuführen. Das Gerät verfügt über einen Energielosen Standby-Modus, der Anwendungen von einer langen Akkulaufzeit profitieren lässt. Falls nötig, kannst du den NFC-Scanner verwenden, um es wieder zu aktivieren und automatisch die Bluetooth-Verbindung zu aktivieren.

　　Dieses Modul basiert auf Toshibas kombinierten BLE/NFC-ICs und enthält einen Toshiba-Bluetooth-Stack, der GAP und GASH unterstützt. BLE Universal Attribute (GATT)-Profil auf dem Chip. GAP unterstützt zentrale und periphere Aufgaben, sodass PAN1761 in Gateway-Geräten oder intelligenten Objekten verwendet werden können, um mit Gateways verbunden zu werden. Das Standard-BLE-Profil kann in den Anwendungscode integriert werden.

　　Die Registrierung für die Toshiba Bluetooth Developer Zone gewährt Zugang zu unterstützten Softwareentwicklungskits (SDKs), zu denen auch Toshiba Pairing NFC-Pakete gehören. Dies vereinfacht die OOB-Kopplung mit NFC, indem der Anwendungscode und eine "Pair Through NFC"-Bibliothek für den integrierten Cortex-M3-Prozessor bereitgestellt wird. Es gibt auch eine Android-Demo-App mit Quellcode sowie App-Anleitungen zum Konzept der Out-of-Band-Paarung. Eine fortschrittliche BLE-API, die Treiber für alle Modulfunktionen bereitstellt (Abbildung 1), unterstützt bei Einrichtung, Konnektivität und Datenübertragung.

　　Abbildung 1: Erweiterte APIs helfen Entwicklern, PAN1761 zu nutzen.

　　PAN1761 Modul kombiniert BLE/NFC IC und EEPROM mit einem 26-MHz-Kristalloszillator, Bluetooth-Antenne und Filter, wie in Abbildung 2 gezeigt. Eine externe NFC-Antenne ist erforderlich. Das Online-Designtool "Panasonic NFC Design Navigator" kann Ingenieuren dabei helfen, Antennendesigns zu entwickeln und korrekte Routing- und PCB-Layouts sicherzustellen.

　　Abbildung 2: PAN1761 vereinfacht das Schaltungsdesign, spart Platz auf der Leiterplatte und Stücklistenkosten. Layout- und Antennendesign-Anleitungen werden bereitgestellt.

　　Fazit

　　NFC kann helfen, die Herausforderung zu bewältigen, miniaturisierte, energiesparende industrielle Smart-Sensoren mit Bluetooth zu verbinden, fast ohne oder ohne Benutzeroberfläche. Bluetooth SIG und NFC Forum haben zusammengearbeitet, um NFC-unterstützte Kopplungen bereitzustellen, einschließlich Unterstützung für Verbindungswechsel in den NFC-Spezifikationen und OOB-Paarung in den BLE-Spezifikationen. Das kombinierte BLE/NFC-Tag-Modul vereinfacht die Lösung, indem es diese beiden Technologien in einem einzigen Gerät vereint. SDK-Unterstützung bietet Softwareentwicklern die Funktionen, die benötigt werden, um kopflose Geräte schnell zu koppeln.