Résoudre le problème de connexion entre capteurs intelligents et Bluetooth grâce à la communication en champ proche

　　La prise en charge de l’échange de données Low Energy (LE) est incluse dans la version 4.0 de la spécification Bluetooth. Bluetooth Low Energy (BLE) est conçu pour supporter la communication avec des débits de données allant jusqu’à 1 Mbit/s, avec des distances allant jusqu’à environ 50 mètres, soit environ 10 à 30 mètres de plus que le Bluetooth classique. Bluetooth Low Energy (BLE) offre des accréditations puissantes pour connecter des appareils à l’Internet des objets (IoT).

　　L’appareil peut n’implémenter que la partie BLE de la spécification Bluetooth, d’où le nom de Bluetooth Smart. Pour les objets intelligents tels que les points de terminaison IoT, c’est une solution économique et économique en énergie. En revanche, des appareils comme les smartphones et tablettes qui prennent en charge les spécifications Bluetooth complètes — non seulement LE, mais aussi les débits de base et les débits de données améliorés (BR/EDR) jusqu’à 3 Mbit/s (désormais appelé Bluetooth Classic) — peuvent interagir avec des appareils intelligents Bluetooth, appelés appareils intelligents Bluetooth.

　　Tous les smartphones lancés depuis la fin 2011 sont intelligents. Cela permet aux développeurs de s’appuyer sur le fait qu’un grand nombre d’utilisateurs potentiels possèdent déjà des appareils qui interagissent avec leurs produits. Il s’agit de produits grand public, tels que l’éclairage intelligent ou les capteurs environnementaux à domicile, ou d’appareils comme les capteurs intelligents ou les machines dans les milieux industriels. Les utilisateurs industriels peuvent interagir avec leurs propres appareils, autorisés par la politique BYOD (Bring Your Own) de l’entreprise, ou en utilisant des téléphones mobiles ou tablettes désignés.

　　La connexion idéale pour les objets intelligents à Shangtai

　　En plus de la facilité d’interopérabilité, le BLE offre plusieurs autres avantages importants en tant que technologie de connectivité pour les objets intelligents. Les circuits et protocoles peuvent être implémentés à faible coût, et des API logicielles adaptées sont disponibles pour les appareils Windows, Apple et Android. Les petits paquets, les fenêtres de réception et de transmission courtes, ainsi que les schémas d’alimentation conçus pour maximiser le temps passé en mode inactif de la radio contribuent tous à des besoins énergétiques extrêmement faibles et permettent aux appareils BLE de fonctionner à partir de petites pièces pendant des mois ou plus. En revanche, l’appairement des appareils Bluetooth est largement perçu par les consommateurs comme un processus difficile, potentiellement long et quelque peu « aléatoire ». Les utilisateurs essayant de connecter des accessoires à leur téléphone ont généralement besoin d’un manuel de référence pour apprendre à rendre le nouvel appareil détectable. L’appariement nécessite généralement plusieurs tentatives, et la sécurité peut être compromise, car peu d’utilisateurs modifient les clés par défaut d’usine par des chiffres que les hackers potentiels ne peuvent pas facilement deviner.

　　Lorsqu’un appareil dispose de sa propre entrée utilisateur, ce processus est difficile à gérer, comme pour des appareils comme les boutons ou les interrupteurs, qui sont fondamentaux. Dans des appareils comme les capteurs intelligents IoT, qui peuvent être complètement sans interface directe, cela peut être encore plus difficile.

　　Associé à des objets sans tête

　　Pour aider à surmonter les difficultés d’appairage, Bluetooth SIG a lancé le Secure Simple Pairing (SSP) à partir de Bluetooth 2.0. Le SSP spécifie quatre modèles d’association, incluant le travail, la comparaison numérique, l’entrée de clés et le mode hors bande (OOB). La saisie de clés et la comparaison numérique exigent que les utilisateurs saisissent un code ou confirment que les deux codes sont identiques. L’OOB est le meilleur modèle pour connecter des appareils headless sans interfaces utilisateur. Le jumelage Works utilise le même protocole que la comparaison numérique, mais ne nécessite pas de confirmation de l’utilisateur. Bien que cela puisse être utilisé pour appairer des appareils sans touches ou écrans d’interface utilisateur, il n’offre pas de protection humaine lors des attaques de sécurité intermédiaires. L’appariement OOB utilise des informations précédemment partagées de manière sécurisée au lieu des informations d’entrée clés.

　　La communication en champ proche (NFC) peut être utilisée pour partager les données nécessaires à l’appariement OOB, offrant ainsi un moyen pratique et sécurisé d’établir des connexions Bluetooth. L’appariement NFC est déjà pris en charge dans les systèmes d’exploitation mobiles populaires, et en permettant la commodité du « tap pairing » lors de l’introduction de nouveaux accessoires comme les casques ou enceintes sur les smartphones, l’utilisation des consommateurs a été grandement simplifiée.

　　Avec des dispositifs de sécurité intégrés, le NFC peut faciliter l’appairage Bluetooth avec des capteurs intelligents sans éliminer aucun des avantages largement répandus du support natif BLE sur smartphones et tablettes.

　　En plus d’aider à intégrer de nouveaux appareils de manière sécurisée dans le réseau, la NFC peut faciliter d’autres interactions avec des appareils IoT headless. Quelques exemples incluent la suppression des appareils du réseau, le remplacement des anciens par des nouveaux, et l’envoi de données de configuration ou la récupération d’informations lorsque les connexions Bluetooth ne sont pas activées. La NFC permet également de réveiller les appareils complètement éteints afin de maximiser l’autonomie de la batterie et de les connecter aux réseaux Bluetooth.

　　Commencez le processus d’appariement avec NFC

　　Car lorsque le système hôte perd l’alimentation, les balises NFC passives peuvent communiquer avec le lecteur, et des données telles que les paramètres réseau et les clés nécessaires à une connexion sécurisée peuvent être transmises à l’appareil avant la première mise sous tension. Cela peut se faire en interceptant un nouvel appareil sur un smartphone ou une passerelle compatible NFC (comme un centre d’automatisation domestique). Lorsque l’objet est allumé, il peut utiliser une clé pour se connecter au réseau et établir une communication sécurisée. Ensuite, pour des raisons de sécurité, la clé est retirée de l’étiquette pour éviter toute interception par un tiers. De même, les smartphones compatibles NFC enregistrés sur des appareils peuvent connecter des appareils sans tête au réseau d’un simple tapotement. D’autres commandes (comme réinitialiser ou désactiver les appareils du réseau) peuvent être effectuées de la même manière, ou en cliquant pour aider à remplacer ou mettre à jour l’ancien appareil en copiant les paramètres de configuration d’un appareil à un autre.

　　La courte portée de communication du NFC contribue à améliorer la sécurité et la sélectivité. L’écoute est très difficile lorsque des parties non autorisées doivent se trouver à quelques centimètres d’un appareil, et l’écoute permet aux utilisateurs d’être sûrs que seul l’appareil qu’ils souhaitent connecter a reçu la clé réseau.

　　Le Bluetooth Technology Consortium et le NFC Consortium ont déjà assuré l’interopérabilité pour les deux technologies, telles que l’appariement des appareils et l’initiation de la communication pour établir des connexions Bluetooth. La norme Bluetooth actuelle ne supporte pas seulement l’appariement OOB pour tirer parti d’avantages comme le NFC, mais la spécification NFC inclut aussi la possibilité de connecter des appareils à des réseaux tels que le Bluetooth ou le Wi-Fi. Il existe également un protocole de commutation de connexion, permettant une transmission normale immédiate vers le Bluetooth après l’appairage.

　　Ces fonctionnalités incluses dans ces deux spécifications permettent d’utiliser la NFC à diverses fins, notamment la sélection d’appareils Bluetooth, la possibilité de connexions sécurisées à des appareils Bluetooth, ou le lancement d’applications sur des appareils Bluetooth.

　　La NFC simplifie la sélection des appareils en éliminant les programmes de découverte Bluetooth, qui peuvent obliger les utilisateurs à sélectionner manuellement les appareils désirés parmi une liste d’autres appareils dans la plage incluse. Dans ce cas, la NFC permet de capturer directement les adresses Bluetooth depuis des appareils de contact.

　　Lors de l’appairage de dispositifs Bluetooth avec un OOB SSP, le NFC peut être utilisé pour transmettre les clés temporaires requises pour les appareils BLE. Ce processus. La clé se trouve dans la charge utile du message standard NDEF (NFC Data Interchange Format). Après l’échange des données OOB, les développeurs peuvent utiliser d’autres fonctionnalités incluses dans la spécification Bluetooth pour minimiser le temps nécessaire à la réalisation de la configuration. Un exemple est la prise en charge de l’établissement rapide de connexions, qui est inclus dans le Profil d’Accès Général (GAP). GAP définit les annonces d’appareils Bluetooth, c’est-à-dire les processus permettant de se découvrir, de se connecter et de gérer la sécurité.

　　Le document de candidature, publié conjointement par le NFC Forum et Bluetooth SIG, fournit des informations détaillées sur le Bluetooth Shangtai Secure Simple Pairing utilisant NFC lors des interactions entre appareils et le mécanisme de commutation entre NFC et Bluetooth.

　　Le module intégré simplifie la conception

　　Pour obtenir un appairage NFC et un réveil hôte déclenché par NFC, l’appareil doit disposer d’un tag NFC et d’une fonctionnalité BLE. Bien que ces solutions puissent être implémentées en circuits intégrés autonomes, les solutions intégrées combinant BLE et NFC pour les appareils IoT proposent des solutions plus petites et potentiellement plus économes en énergie. Le module combo PAN1761 BLE/NFC de Panasonic en est un exemple, combinant des puces BLE monomode avec des tags compatibles NFC Forum 3 dans un boîtier compact monté en surface. Le module est équipé d’un microcontrôleur ARM Cortex-M3 intégré et d’une EEPROM de 512 KBit, capable d’exécuter des applications de capteurs intelligents et d’autres codes, ainsi que des fonctions Bluetooth et NFC. L’appareil dispose d’un mode veille sans consommation, permettant aux applications de bénéficier d’une longue autonomie. Si nécessaire, vous pouvez utiliser le scanner NFC pour le réactiver et activer automatiquement la connexion Bluetooth.

　　Ce module est construit à partir des circuits intégrés combinés BLE/NFC de Toshiba et inclut une pile Bluetooth Toshiba qui prend en charge GAP et GASH. Profil BLE Universal Attribute (GATT) sur la puce. GAP prend en charge des rôles centraux et périphériques, permettant PAN1761 d’être utilisés dans des périphériques passerelles ou des objets intelligents pour se connecter à des passerelles. Le profil standard BLE peut être intégré dans le code applicatif.

　　L’inscription à la Toshiba Bluetooth Developer Zone donne accès aux kits de développement logiciel (SDK) pris en charge, qui incluent les paquets NFC Toshiba Pairing. Cela simplifie l’appariement OOB utilisant NFC en fournissant le code source de l’application et une bibliothèque « Pair Through NFC » pour le processeur Cortex-M3 embarqué. Il existe aussi une application de démonstration Android avec code source, ainsi que des instructions sur le concept de paire hors bande. Une API BLE avancée qui fournit des pilotes pour toutes les fonctions du module (Figure 1) aide à la configuration, la connectivité et le transfert de données.

　　Figure 1 : Les API avancées aident les développeurs à utiliser PAN1761.

　　PAN1761 module combine circuits intégrés et EEPROM ble/NFC avec un oscillateur à cristal à 26 MHz, une antenne Bluetooth et un filtre, comme montré à la Figure 2. Une antenne NFC externe est nécessaire. L’outil de conception en ligne « Panasonic NFC Design Navigator » peut aider les ingénieurs à développer des conceptions d’antennes et à garantir un routage correct et la disposition des circuits imprimés.

　　Figure 2 : PAN1761 simplifie la conception des circuits, économisant de l’espace sur les circuits imprimés et les coûts des bases de base. Des guides de disposition et de conception d’antennes sont fournis.

　　Conclusion

　　Le NFC peut aider à relever le défi de connecter des capteurs intelligents industriels miniatures et à faible consommation au Bluetooth, avec presque aucune ou pas d’interface utilisateur. Bluetooth SIG et NFC Forum ont collaboré pour fournir un appariement assisté par NFC, incluant la prise en charge de la commutation de connexion dans les spécifications NFC et l’appariement OOB dans les spécifications BLE. Le module combiné BLE/NFC simplifie la solution en combinant ces deux technologies au sein d’un seul appareil. Le support SDK offre aux développeurs les fonctionnalités nécessaires pour jumeler rapidement des appareils headless.