Solución del problema de conexión entre sensores inteligentes y Bluetooth mediante comunicación de campo cercano

　　El soporte para el intercambio de datos de Baja Energía (LE) está incluido en la especificación Bluetooth versión 4.0. Bluetooth Low Energy (BLE) está diseñado para soportar comunicaciones con velocidades de datos de hasta 1 Mbit/s, con distancias de hasta unos 50 metros, lo que es entre 10 y 30 metros más largo que el Bluetooth típico. Bluetooth Low Energy (BLE) proporciona credenciales potentes para conectar dispositivos al Internet de las Cosas (IoT).

　　El dispositivo puede implementar solo la parte BLE de la especificación Bluetooth, por lo que se llama Bluetooth Smart. Para objetos inteligentes como los puntos finales IoT, esta es una solución económica y energética ideal. Por otro lado, dispositivos como smartphones y tabletas que soportan especificaciones completas de Bluetooth —no solo LE, sino también tasas base y tasas de datos mejoradas (BR/EDR) de hasta 3 Mbit/s (ahora llamado Bluetooth Classic)— pueden interactuar con dispositivos inteligentes Bluetooth, conocidos como dispositivos inteligentes Bluetooth.

　　Todos los smartphones lanzados desde finales de 2011 son inteligentes. Esto permite a los desarrolladores confiar en el hecho de que un gran número de usuarios potenciales ya tienen dispositivos que interactúan con sus productos. Estos pueden ser productos de consumo, como iluminación inteligente o sensores ambientales en el hogar, o dispositivos como sensores inteligentes o máquinas en entornos industriales. Los usuarios industriales pueden interactuar usando sus propios dispositivos, autorizados por la política BYOD (Bring Your Own) de la empresa, o utilizando teléfonos móviles o tabletas designados.

　　La conexión ideal para objetos inteligentes en Shangtai

　　Además de facilitar la interoperabilidad, BLE ofrece varias otras ventajas importantes como tecnología de conectividad para objetos inteligentes. Los circuitos y protocolos pueden implementarse a bajo coste, y existen APIs de software adecuadas disponibles para dispositivos Windows, Apple y Android. Paquetes pequeños, ventanas de recepción y transmisión cortas, y esquemas de alimentación diseñados para maximizar el tiempo que la radio pasa en modo inactivo contribuyen a demandas energéticas extremadamente bajas y permiten que los dispositivos BLE funcionen con monedas pequeñas durante meses o más. Por otro lado, emparejar dispositivos Bluetooth es ampliamente visto por los consumidores como un proceso difícil, potencialmente lento y algo irregular. Los usuarios que intentan conectar accesorios a sus teléfonos suelen necesitar un manual de referencia para aprender a hacer que el nuevo dispositivo sea descubrible. El emparejamiento suele requerir varios intentos, y la seguridad puede verse comprometida, ya que pocos usuarios cambian las claves predeterminadas de fábrica por números que los posibles hackers no pueden adivinar fácilmente.

　　Cuando un dispositivo tiene su propia entrada de usuario, este proceso es difícil de manejar, como ocurre con dispositivos como botones o interruptores, que son fundamentales. En dispositivos como los sensores inteligentes IoT, que pueden ser completamente sin cabeza, puede ser aún más complicado.

　　Emparejado con objetos sin cabeza

　　Para ayudar a superar las dificultades de emparejamiento, Bluetooth SIG ha lanzado el Emparejamiento Simple Seguro (SSP) a partir de Bluetooth 2.0. SSP especifica cuatro modelos de asociación, incluyendo trabajo, comparación digital, entrada de claves y fuera de banda (OOB). La entrada de claves y la comparación numérica requieren que los usuarios introduzcan un código o confirmen que ambos códigos son iguales. OOB es el mejor modelo para conectar dispositivos sin interfaz de usuario. El emparejamiento de Just Works usa el mismo protocolo que la comparación digital, pero no requiere confirmación del usuario. Aunque esto puede usarse para emparejar dispositivos sin teclas o pantallas de interfaz de usuario, no proporciona protección humana en ataques de seguridad de intermediarios. El emparejamiento OOB utiliza información previamente compartida de forma segura en lugar de información clave de entrada.

　　La Comunicación de Campo Cercano (NFC) puede utilizarse para compartir los datos necesarios para el emparejamiento OOB, proporcionando así una forma cómoda y segura de establecer conexiones Bluetooth. El emparejamiento NFC ya está soportado en los sistemas operativos móviles populares, y al permitir la comodidad del "emparejamiento de toques" al introducir nuevos accesorios como auriculares o altavoces en smartphones, el uso por parte del consumidor se ha simplificado considerablemente.

　　Con dispositivos de seguridad integrados, el NFC puede ayudar a emparejar Bluetooth con sensores inteligentes sin eliminar ninguna de las ventajas generalizadas del soporte nativo de BLE en smartphones y tabletas.

　　Además de ayudar a introducir nuevos dispositivos de forma segura en la red, la NFC puede facilitar otras interacciones con dispositivos IoT sin interfaz interalimentar. Algunos ejemplos incluyen eliminar dispositivos de la red, reemplazar dispositivos antiguos por nuevos y enviar datos de configuración o recuperar información cuando no se activan las conexiones Bluetooth. El NFC también ofrece una forma de activar dispositivos completamente apagados para maximizar la duración de la batería y ayudar a conectarlos a redes Bluetooth.

　　Inicia el proceso de emparejamiento con NFC

　　Porque cuando el sistema anfitrión pierde energía, las etiquetas NFC pasivas pueden comunicarse con el lector, y datos como parámetros de red y claves necesarias para una conexión segura pueden transmitirse al dispositivo antes del primer encendido. Esto se puede hacer pinchando un nuevo dispositivo en un smartphone o dispositivo gateway con NFC (como un centro de domótica). Cuando el objeto se enciende, puede usar una clave para conectarse a la red y establecer una comunicación segura. Luego, por motivos de seguridad, la clave se retira de la etiqueta para evitar la intercepción de terceros. De manera similar, los smartphones con NFC registrados en dispositivos pueden conectar dispositivos headless a la red con un toque directo. Otros comandos (como restablecer o desactivar dispositivos de la red) pueden hacerse de la misma manera, o haciendo clic para ayudar a reemplazar o actualizar el dispositivo antiguo copiando configuraciones de un dispositivo a otro.

　　El corto alcance de comunicación de NFC ayuda a mejorar la seguridad y la selectividad. La escucha es muy difícil cuando las personas no autorizadas deben estar a pocos centímetros de un dispositivo, y escuchar permite a los usuarios estar seguros de que solo el dispositivo que quieren conectar ha recibido la clave de red.

　　El Consorcio de Tecnología Bluetooth y el Consorcio NFC ya han proporcionado interoperabilidad para ambas tecnologías, como el emparejamiento de dispositivos y la iniciación de comunicaciones para establecer conexiones Bluetooth. El estándar actual de Bluetooth no solo soporta emparejamiento OOB para aprovechar ventajas como NFC, sino que la especificación NFC también incluye la capacidad de conectar dispositivos a redes como Bluetooth o Wi-Fi. También existe un protocolo para la conmutación de conexión, que permite la transmisión normal inmediata a Bluetooth tras el emparejamiento.

　　Estas características incluidas en estas dos especificaciones permiten utilizar la NFC para diversos fines, incluyendo la selección de dispositivos Bluetooth, la habilitación de conexiones seguras a dispositivos Bluetooth o la apertura de aplicaciones en dispositivos Bluetooth.

　　El NFC simplifica la selección de dispositivos eliminando los programas de detección Bluetooth, que pueden requerir que los usuarios seleccionen manualmente los dispositivos deseados de una lista de cualquier otro dispositivo dentro del rango incluido. En este caso, NFC permite capturar direcciones Bluetooth directamente desde dispositivos de contacto.

　　Al emparejar dispositivos Bluetooth con SSP OOB, el NFC puede usarse para transmitir las teclas temporales necesarias para los dispositivos BLE. Este proceso. La clave está contenida en la carga útil del mensaje estándar NDEF (NFC Data Interchange Format). Tras intercambiar datos OOB, los desarrolladores pueden utilizar otras funciones incluidas en la especificación Bluetooth para minimizar el tiempo necesario para completar la configuración de la conexión. Un ejemplo es el soporte para el establecimiento rápido de conexiones, que está incluido en el Perfil de Acceso General (GAP). GAP define los anuncios de dispositivos Bluetooth, los procesos para descubrirse mutuamente, conectarse y gestionar la seguridad.

　　El documento de solicitud publicado conjuntamente por el NFC Forum y Bluetooth SIG proporciona información detallada sobre el emparejamiento seguro y sencillo de Bluetooth Shangtai usando NFC en la interacción dispositivo a dispositivo y el mecanismo de conmutación entre NFC y Bluetooth.

　　El módulo integrado simplifica el diseño

　　Para lograr el emparejamiento NFC y el activación del host activada por NFC, el dispositivo debe tener una etiqueta NFC y funcionalidad BLE. Aunque estos pueden implementarse como circuitos integrados independientes, las soluciones integradas que combinan BLE y NFC para dispositivos IoT ofrecen soluciones más pequeñas y potencialmente más económicas energéticamente. El módulo combo PAN1761 BLE/NFC de Panasonic es un ejemplo, que combina chips BLE monomodo con etiquetas compatibles con NFC Forum 3 en un paquete compacto de montaje superficial. El módulo cuenta con un microcontrolador ARM Cortex-M3 integrado y una EEPROM de 512 KBit, capaz de ejecutar aplicaciones inteligentes de sensores y otro código, así como funciones Bluetooth y NFC. El dispositivo cuenta con un modo de espera sin energía, lo que permite a las aplicaciones beneficiarse de una larga duración de la batería. Si es necesario, puedes usar el escáner NFC para reactivarlo y activar automáticamente la conexión Bluetooth.

　　Este módulo está construido utilizando los circuitos integrados combinados BLE/NFC de Toshiba e incluye una pila Bluetooth Toshiba que soporta GAP y GASH. Perfil BLE Universal Attribute (GATT) en el chip. GAP soporta roles centrales y periféricos, permitiendo que PAN1761 se utilicen en dispositivos de pasarela u objetos inteligentes para conectarse a pasarelas. El perfil estándar de BLE puede integrarse en el código de la aplicación.

　　Registrarse en la Toshiba Bluetooth Developer Zone otorga acceso a kits de desarrollo de software (SDK) compatibles, que incluyen paquetes NFC Toshiba Pairing. Esto simplifica el emparejamiento OOB usando NFC al proporcionar código fuente de aplicación y una biblioteca "Pair Through NFC" para el procesador Cortex-M3 integrado. También hay una aplicación demo para Android con código fuente, junto con instrucciones sobre el concepto de emparejamiento fuera de banda. Una API avanzada de BLE que proporciona controladores para todas las funciones del módulo (Figura 1) ayuda con la configuración, conectividad y transferencia de datos.

　　Figura 1: Las APIs avanzadas ayudan a los desarrolladores a usar PAN1761.

　　PAN1761 módulo combina circuitos integrados BLE/NFC y EEPROM con un oscilador de cristal de 26 MHz, antena Bluetooth y filtro, como se muestra en la Figura 2. Se requiere una antena NFC externa. La herramienta de diseño en línea "Panasonic NFC Design Navigator" puede ayudar a los ingenieros a desarrollar diseños de antenas y asegurar el correcto enrutamiento y distribución de la PCB.

　　Figura 2: PAN1761 simplifica el diseño de circuitos, ahorrando espacio en PCB y costes de listas de materiales (BOM). Se proporcionan guías de diseño de la disposición y de la antena.

　　Conclusión

　　El NFC puede ayudar a abordar el reto de conectar sensores inteligentes industriales en miniatura y de bajo consumo a Bluetooth, con casi ninguna o ninguna interfaz de usuario. Bluetooth SIG y NFC Forum han colaborado para proporcionar emparejamiento asistido por NFC, incluyendo soporte para conmutación de conexión en especificaciones NFC y emparejamiento OOB en especificaciones BLE. El módulo combinado de etiquetas BLE/NFC simplifica la solución al combinar estas dos tecnologías en un solo dispositivo. El soporte para SDK proporciona a los desarrolladores de software las funciones necesarias para emparejar rápidamente dispositivos headless.