حل مشکل اتصال بین حسگرهای هوشمند و بلوتوث از طریق ارتباط میدان نزدیک

　　پشتیبانی از تبادل داده کم مصرف (LE) در نسخه ۴.۰ مشخصات بلوتوث گنجانده شده است. بلوتوث کم انرژی (BLE) برای پشتیبانی از ارتباط با نرخ داده تا ۱ مگابیت بر ثانیه و فاصله تا حدود ۵۰ متر طراحی شده است که حدود ۱۰ تا ۳۰ متر طولانی تر از بلوتوث معمولی است. بلوتوث کم انرژی (BLE) اعتبارنامه های قدرتمندی برای اتصال دستگاه ها به اینترنت اشیا (IoT) فراهم می کند.

　　این دستگاه فقط می تواند بخش BLE مشخصات بلوتوث را پیاده سازی کند، بنابراین به آن بلوتوث هوشمند گفته می شود. برای اشیاء هوشمند مانند نقاط انتهایی اینترنت اشیا، این یک راه حل اقتصادی و صرفه جویی در انرژی ایده آل است. از سوی دیگر، دستگاه هایی مانند گوشی های هوشمند و تبلت هایی که از مشخصات کامل بلوتوث پشتیبانی می کنند—نه فقط LE، بلکه نرخ پایه و نرخ های داده پیشرفته (BR/EDR) تا ۳ مگابیت بر ثانیه (که اکنون بلوتوث کلاسیک نامیده می شود)—می توانند با دستگاه های هوشمند بلوتوثی که به عنوان دستگاه های هوشمند بلوتوث شناخته می شوند، تعامل داشته باشند.

　　تمام گوشی های هوشمندی که از پایان سال ۲۰۱۱ عرضه شده اند، هوشمند هستند. این امکان را به توسعه دهندگان می دهد که به این واقعیت تکیه کنند که تعداد زیادی از کاربران بالقوه قبلا دستگاه هایی دارند که با محصولاتشان تعامل دارد. این ها می توانند محصولات مصرفی مانند نورپردازی هوشمند یا حسگرهای محیطی در خانه باشند، یا دستگاه هایی مانند حسگرها یا دستگاه های هوشمند در محیط های صنعتی. کاربران صنعتی می توانند با دستگاه های خود که طبق سیاست BYOD (Bring Your Own) شرکت مجاز است، یا با استفاده از تلفن های همراه یا تبلت های مشخص شده تعامل داشته باشند.

　　اتصال ایده آل برای اشیاء هوشمند در شانگتای

　　علاوه بر سهولت تعامل پذیری، BLE چندین مزیت مهم دیگر به عنوان فناوری اتصال برای اشیاء هوشمند ارائه می دهد. مدارها و پروتکل ها را می توان با هزینه کم پیاده سازی کرد و APIهای نرم افزاری مناسب برای دستگاه های ویندوز، اپل و اندروید در دسترس هستند. بسته های کوچک، پنجره های کوتاه دریافت و انتقال، و طرح های توان که برای حداکثر کردن زمان حضور رادیو در حالت بیکار طراحی شده اند، همگی به مصرف انرژی بسیار پایین کمک می کنند و به دستگاه های BLE اجازه می دهند ماه ها یا بیشتر با سکه های کوچک کار کنند. از سوی دیگر، جفت کردن دستگاه های بلوتوث توسط مصرف کنندگان به طور گسترده ای فرآیندی دشوار، ممکن است زمان بر و تا حدی «موفق یا بد» تلقی می شود. کاربرانی که می خواهند لوازم جانبی را به گوشی خود متصل کنند معمولا به یک دفترچه مرجع نیاز دارند تا یاد بگیرند چگونه دستگاه جدید را قابل شناسایی کنند. جفت سازی معمولا نیازمند چندین تلاش است و امنیت ممکن است به خطر بیفتد، زیرا تعداد کمی از کاربران کلیدهای پیش فرض کارخانه را به اعدادی تغییر می دهند که هکرهای بالقوه به راحتی نمی توانند حدس بزنند.

　　وقتی یک دستگاه ورودی کاربر خودش را دارد، این فرآیند مانند دستگاه هایی مانند دکمه ها یا کلیدها که پایه ای هستند، دشوار است. در دستگاه هایی مانند حسگرهای هوشمند اینترنت اشیا که ممکن است کاملا بدون هد باشند، این کار می تواند حتی دشوارتر باشد.

　　همراه با اشیاء بدون سر

　　برای کمک به رفع مشکلات جفت سازی، بلوتوث SIG سیستم Secure Simple Pairing (SSP) را از بلوتوث ۲.۰ راه اندازی کرده است. SSP چهار مدل تداعی را مشخص می کند که شامل کار، مقایسه دیجیتال، ورودی کلید و خارج از باند (OOB) می شود. ورودی کلید و مقایسه عددی از کاربران می خواهد کد را وارد کنند یا تأیید کنند که دو کد یکسان هستند. OOB بهترین مدل برای اتصال دستگاه های بدون هد بدون رابط کاربری است. جفت سازی Just Works از همان پروتکل مقایسه دیجیتال استفاده می کند، اما نیاز به تأیید کاربر ندارد. اگرچه این قابلیت می تواند دستگاه هایی بدون کلیدهای رابط کاربری یا نمایشگر را جفت کند، اما در حملات امنیتی بین دو نفره حفاظت انسانی فراهم نمی کند. جفت سازی OOB به جای اطلاعات کلیدی ورودی، از اطلاعات قبلا به طور امن به اشتراک گذاشته شده استفاده می کند.

　　ارتباط میدان نزدیک (NFC) می تواند داده های مورد نیاز برای جفت شدن OOB را به اشتراک بگذارد و راهی راحت و امن برای برقراری اتصالات بلوتوث فراهم کند. جفت سازی NFC هم اکنون در سیستم عامل های محبوب موبایل پشتیبانی می شود و با فراهم کردن راحتی «جفت کردن تپ» هنگام معرفی لوازم جانبی جدید مانند هدفون یا بلندگو به گوشی های هوشمند، استفاده مصرف کنندگان بسیار ساده تر شده است.

　　با دستگاه های امنیتی داخلی، NFC می تواند به جفت شدن بلوتوث با حسگرهای هوشمند کمک کند بدون اینکه هیچ یک از مزایای گسترده پشتیبانی بومی BLE در گوشی های هوشمند و تبلت ها را از بین ببرد.

　　علاوه بر کمک به معرفی امن دستگاه های جدید به شبکه، NFC می تواند تعاملات دیگر با دستگاه های اینترنت اشیاء بدون سر را تسهیل کند. برخی نمونه ها شامل حذف دستگاه ها از شبکه، جایگزینی دستگاه های قدیمی با دستگاه های جدید و ارسال داده های پیکربندی یا بازیابی اطلاعات زمانی است که اتصالات بلوتوث فعال نیستند. NFC همچنین راهی برای بیدار کردن دستگاه هایی که کاملا خاموش شده اند فراهم می کند تا عمر باتری به حداکثر برسد و به اتصال آن ها به شبکه های بلوتوث کمک کند.

　　فرآیند جفت سازی را با NFC شروع کنید

　　زیرا وقتی سیستم میزبان برق خود را از دست می دهد، برچسب های NFC غیرفعال می توانند با خواننده ارتباط برقرار کنند و داده هایی مانند پارامترهای شبکه و کلیدهای مورد نیاز برای اتصال امن قبل از اولین روشن شدن به دستگاه ارسال می شوند. این کار می تواند با ضربه زدن به یک دستگاه جدید روی گوشی هوشمند یا دستگاه دروازه ای مجهز به NFC (مانند مرکز اتوماسیون خانگی) انجام شود. وقتی شیء روشن است، می تواند با استفاده از یک کلید به شبکه متصل شده و ارتباط امن برقرار کند. سپس، برای اهداف امنیتی، کلید از برچسب حذف می شود تا از شنود شدن توسط شخص ثالث جلوگیری شود. به همین ترتیب، گوشی های هوشمند مجهز به NFC که روی دستگاه ها ثبت شده اند می توانند دستگاه های بدون هدلس را با یک لمس به شبکه متصل کنند. دستورات دیگر (مانند ریست یا غیرفعال کردن دستگاه ها از شبکه) را می توان به همین روش یا با کلیک برای جایگزینی یا به روزرسانی دستگاه قدیمی با کپی کردن تنظیمات پیکربندی از یک دستگاه به دستگاه دیگر انجام داد.

　　دامنه ارتباطی کوتاه NFC به بهبود امنیت و انتخاب پذیری کمک می کند. شنود زمانی بسیار دشوار است که افراد غیرمجاز باید در فاصله چند سانتی متری دستگاه باشند و شنود به کاربران اطمینان می دهد که فقط دستگاهی که می خواهند متصل شوند، کلید شبکه را دریافت کرده است.

　　کنسرسیوم فناوری بلوتوث و کنسرسیوم NFC قبلا قابلیت همکاری برای هر دو فناوری را فراهم کرده اند، مانند جفت سازی دستگاه ها و آغاز ارتباط برای برقراری اتصالات بلوتوث. استاندارد فعلی بلوتوث نه تنها از جفت سازی OOB برای بهره برداری از مزایایی مانند NFC پشتیبانی می کند، بلکه مشخصات NFC شامل امکان اتصال دستگاه ها به شبکه هایی مانند بلوتوث یا وای فای نیز می شود. همچنین پروتکلی برای سوئیچینگ اتصال وجود دارد که امکان انتقال عادی فوری به بلوتوث پس از جفت شدن را فراهم می کند.

　　این ویژگی های موجود در این دو مشخصات امکان استفاده از NFC را برای اهداف مختلفی فراهم می کنند، از جمله انتخاب دستگاه های بلوتوث، اتصال امن به دستگاه های بلوتوث، یا راه اندازی برنامه ها روی دستگاه های بلوتوث.

　　NFC با حذف برنامه های کشف بلوتوث، انتخاب دستگاه را ساده تر می کند؛ برنامه هایی که ممکن است کاربران را مجبور کند دستگاه های مورد نظر را به صورت دستی از فهرست سایر دستگاه های موجود در بازه انتخاب کنند. در این حالت، NFC اجازه می دهد آدرس های بلوتوث مستقیما از دستگاه های تپ ضبط شوند.

　　هنگام جفت کردن دستگاه های بلوتوث با SSP OOB، می توان از NFC برای ارسال کلیدهای موقت مورد نیاز دستگاه های BLE استفاده کرد. این فرآیند. کلید در بار پیام استاندارد NDEF (فرمت تبادل داده NFC) قرار دارد. پس از تبادل داده های OOB، توسعه دهندگان می توانند از سایر ویژگی های موجود در مشخصات بلوتوث استفاده کنند تا زمان لازم برای تکمیل راه اندازی اتصال را به حداقل برسانند. یکی از نمونه ها پشتیبانی از برقراری سریع اتصال است که در پروفایل دسترسی عمومی (GAP) گنجانده شده است. GAP اعلامیه های دستگاه بلوتوث، فرآیندهای کشف یکدیگر، اتصال و مدیریت امنیت را تعریف می کند.

　　سند کاربردی که به طور مشترک توسط انجمن NFC و گروه بلوتوث SIG منتشر شده است، اطلاعات عمیقی درباره جفت سازی ساده امن بلوتوث شانگتای با استفاده از NFC در تعامل دستگاه به دستگاه و مکانیزم سوئیچینگ بین NFC و بلوتوث ارائه می دهد.

　　ماژول یکپارچه طراحی را ساده تر می کند

　　برای دستیابی به جفت سازی NFC و بیداری میزبان فعال شده توسط NFC، دستگاه باید دارای برچسب NFC و قابلیت BLE باشد. در حالی که این ها می توانند به صورت ICهای مستقل پیاده سازی شوند، راه حل های یکپارچه که BLE و NFC را برای دستگاه های IoT ترکیب می کنند، راه حل های کوچکتر و بالقوه مصرف انرژی بیشتری ارائه می دهند. ماژول ترکیبی PAN1761 BLE/NFC پاناسونیک یک نمونه است که تراشه های BLE تک حالته را با برچسب های سازگار با NFC Forum 3 در یک بسته جمع وجور روی سطح ترکیب می کند. این ماژول دارای یک میکروکنترلر داخلی ARM Cortex-M3 و یک EEPROM با ظرفیت ۵۱۲ کیلوبیت است که قادر به اجرای برنامه های حسگر هوشمند و سایر کدها، همچنین قابلیت های بلوتوث و NFC است. این دستگاه دارای حالت آماده به کار بدون مصرف برق است که به برنامه ها اجازه می دهد از عمر باتری طولانی بهره مند شوند. در صورت نیاز، می توانید با اسکنر NFC آن را دوباره فعال کنید و اتصال بلوتوث را به طور خودکار فعال کنید.

　　این ماژول با استفاده از آی سی های ترکیبی BLE/NFC توشیبا ساخته شده و شامل یک پشته بلوتوث توشیبا است که از GAP و GASH پشتیبانی می کند. پروفایل ویژگی جهانی BLE (GATT) روی تراشه. GAP از نقش های مرکزی و جانبی پشتیبانی می کند و اجازه می دهد PAN1761 در دستگاه های دروازه ای یا اشیاء هوشمند برای اتصال به دروازه ها استفاده شود. پروفایل استاندارد BLE می تواند در کد برنامه ادغام شود.

　　ثبت نام در منطقه توسعه دهنده بلوتوث توشیبا دسترسی به کیت های توسعه نرم افزار پشتیبانی شده (SDK) را فراهم می کند که شامل بسته های NFC جفت سازی توشیبا هستند. این امر جفت سازی OOB را با استفاده از NFC با ارائه کد منبع برنامه و کتابخانه «Pair Through NFC» برای پردازنده داخلی Cortex-M3 ساده می کند. همچنین یک اپلیکیشن نمایشی اندروید با کد منبع و دستورالعمل های اپلیکیشن درباره مفهوم جفت سازی خارج از باند وجود دارد. یک API پیشرفته BLE که درایورهایی برای تمام عملکردهای ماژول فراهم می کند (شکل ۱) به راه اندازی، اتصال و انتقال داده کمک می کند.

　　شکل ۱: APIهای پیشرفته به توسعه دهندگان کمک می کنند تا از PAN1761 استفاده کنند.

　　PAN1761 ماژول ترکیبی از BLE/NFC IC و EEPROM با یک اسیلاتور کریستالی ۲۶ مگاهرتز، آنتن بلوتوث و فیلتر است، همان طور که در شکل ۲ نشان داده شده است. یک آنتن NFC خارجی مورد نیاز است. ابزار طراحی آنلاین «Panasonic NFC Design Navigator» می تواند به مهندسان در توسعه طراحی آنتن و اطمینان از مسیر یابی صحیح و چیدمان PCB کمک کند.

　　شکل ۲: PAN1761 طراحی مدار را ساده تر می کند و باعث صرفه جویی در فضای برد مدار چاپی و هزینه های BOM می شود. راهنمای طراحی چیدمان و آنتن ارائه شده است.

　　نتیجه گیری

　　NFC می تواند به چالش اتصال سنسورهای هوشمند صنعتی کوچک و کم مصرف به بلوتوث با تقریبا بدون یا بدون رابط کاربری کمک کند. بلوتوث SIG و NFC Forum همکاری کرده اند تا جفت سازی با کمک NFC را فراهم کنند، از جمله پشتیبانی از سوئیچینگ اتصال در مشخصات NFC و جفت سازی OOB در مشخصات BLE. ماژول تگ ترکیبی BLE/NFC با ترکیب این دو فناوری در یک دستگاه، راه حل را ساده تر می کند. پشتیبانی از SDK به توسعه دهندگان نرم افزار امکانات لازم را برای جفت کردن سریع دستگاه های بدون سر ارائه می دهد.