スマートセンサーとBluetooth間の接続問題を近距離無線通信で解決する

　　低エネルギー(LE)データ交換のサポートは、Bluetooth仕様バージョン4.0に含まれています。 Bluetooth Low Energy(BLE)は、最大1 Mbit/sのデータレートで通信を可能に設計されており、距離は約50メートルで、これは通常のBluetoothより約10〜30メートル長いです。Bluetooth Low Energy(BLE)は、デバイスをIoT(IoT)に接続するための強力な認証情報を提供します。

　　このデバイスはBluetooth仕様のBLE部分のみを実装している可能性があるため、Bluetooth Smartと呼ばれています。 IoTエンドポイントのようなスマートオブジェクトにとって、これは経済的かつ省エネの理想的なソリューションです。 一方、スマートフォンやタブレットのように、LEだけでなく基本レートや最大3 Mbit/sまでの強化データレート(BR/EDR、現在はBluetooth Classicと呼ばれる)フルBluetooth仕様をサポートするデバイスは、Bluetoothスマートデバイス(Bluetoothスマートデバイス)と連携できます。

　　2011年末以降に発売されたすべてのスマートフォンはスマートです。 これにより、開発者は多くの潜在ユーザーがすでに製品と連携するデバイスを持っているという事実に頼ることができます。 これらはスマート照明や家庭内の環境センサーなどの消費者向け製品から、産業用のスマートセンサーや機械のようなデバイスまで含まれます。 産業用ユーザーは、同社のBYOD(Bring Your Own)ポリシーで認可された自分のデバイスや、指定された携帯電話やタブレットを使って操作できます。

　　上台のスマートオブジェクトに理想的な接続

　　相互運用性の容易さに加え、BLEはスマートオブジェクトの接続技術としていくつかの重要な利点を提供します。 回路やプロトコルは低コストで実装でき、Windows、Apple、Androidデバイス向けの適切なソフトウェアAPIが利用可能です。 小さなパケット、短い受信・送信ウィンドウ、そしてアイドルモードでの無線機の時間を最大化するための電力方式などが、極めて低いエネルギー需要に寄与し、BLEデバイスは小さなコインから数ヶ月以上動作することを可能にします。一方で、Bluetoothデバイスのペアリングは、消費者からは難しく、時間がかかり、やや「当たり外れ」があると広く見なされています。 アクセサリーをスマートフォンに接続しようとするユーザーは、新しいデバイスを検出可能にする方法を学ぶために参考マニュアルが必要です。 ペアリングは通常複数回の試みが必要で、ほとんどのユーザーが工場出荷時のデフォルトキーをハッカーが簡単に推測できない数字に変更するため、セキュリティが損なわれる可能性があります。

　　デバイスに独自のユーザー入力がある場合、ボタンやスイッチのように基本的な機器のようにこのプロセスの扱いが難しいです。 IoTスマートセンサーのように完全にヘッドレスなデバイスでは、さらに困難になることがあります。

　　ヘッドレスオブジェクトと組み合わせること

　　ペアリングの困難を克服するために、Bluetooth SIGはBluetooth 2.0からセキュア・シンプル・ペアリング(SSP)を開始しました。 SSPは、作業、デジタル比較、鍵入力、アウトオブバンド(OOB)を含む4つのアソシエーションモデルを指定しています。 キー入力や数値比較には、ユーザーがコードを入力するか、2つのコードが同一であることを確認する必要があります。 OOBはユーザーインターフェースなしでヘッドレスデバイスを接続するのに最適なモデルです。 Just Worksペアリングはデジタル比較と同じプロトコルを使用しますが、ユーザーの確認は必要ありません。 これはユーザーインターフェースキーやディスプレイなしでデバイスをペアリングするために使えますが、中間の人間によるセキュリティ攻撃に対する人間の保護にはなりません。 OOBペアリングは、キー入力情報の代わりに、以前に安全に共有された情報を使用します。

　　近距離無線通信(NFC)は、OOBペアリングに必要なデータを共有するために利用でき、Bluetooth接続を便利かつ安全に確立する方法を提供します。 NFCペアリングはすでに人気のモバイルOSでサポートされており、ヘッドホンやスピーカーなどの新しいアクセサリーをスマートフォンに導入する際に「タップペアリング」という利便性を可能にすることで、消費者の利用は大幅に簡素化されました。

　　内蔵のセキュリティデバイスにより、NFCはスマートフォンやタブレットでネイティブBLE対応の広範な利点を排除することなく、スマートセンサーとのBluetoothペアリングを支援できます。

　　新しいデバイスを安全にネットワークに導入するだけでなく、NFCはヘッドレスIoTデバイスとの他のやり取りも促進します。 例としては、ネットワークからのデバイス削除、古い機器を新しいものに置き換えること、Bluetooth接続が有効でない場合の設定データ送信や情報取得などがあります。 また、完全に電源が切れているデバイスを起動させ、バッテリー寿命を最大化し、Bluetoothネットワークに接続する手助けもします。

　　NFCとのペアリングプロセスを始めましょう

　　ホストシステムが停電した際には、パッシブNFCタグがリーダーと通信でき、ネットワークパラメータや安全な接続に必要なキーなどのデータが最初の電源オン前にデバイスに送信されるためです。 これは、NFC対応のスマートフォンやゲートウェイデバイス(ホームオートメーションセンターなど)で新しいデバイスをタップすることで実現できます。 オブジェクトが電源を入れると、キーを使ってネットワークに接続し、安全な通信を確立できます。 その後、セキュリティ上の理由から、第三者による傍受を防ぐために鍵をラベルから取り除きます。 同様に、デバイスに登録されたNFC対応スマートフォンは、ヘッドレスデバイスをタップでネットワークに接続できます。 他のコマンド(ネットワークからのリセットや無効化など)も同様の方法で行えるか、設定設定をコピーして古いデバイスの置き換えや更新を助けるためにクリックすることで行えます。

　　NFCの短い通信範囲はセキュリティと選択性の向上に寄与しています。 盗み聞きは非常に困難で、不正な第三者がデバイスから数センチ以内にいる必要があるため、盗み聞きはユーザーが接続したいデバイスだけがネットワーク鍵を受け取っていると確信できるようにします。

　　BluetoothテクノロジーコンソーシアムとNFCコンソーシアムは、デバイスペアリングやBluetooth接続確立のための通信開始など、両技術の相互運用性をすでに提供しています。 現在のBluetooth規格は、NFCなどの利点を活かすためのOOBペアリングをサポートするだけでなく、NFC仕様にはBluetoothやWi-Fiなどのネットワークへのデバイス接続機能も含まれています。 接続切り替えのプロトコルもあり、ペアリング後すぐにBluetoothに通常送信できます。

　　これら2つの仕様に含まれるこれらの機能により、NFCはBluetoothデバイスの選択、Bluetoothデバイスへの安全な接続の実現、Bluetoothデバイスでのアプリケーション起動など、さまざまな目的で使用可能です。

　　NFCは、含まれている範囲内の他のデバイスリストから手動で希望するデバイスを選択する必要がある可能性のあるBluetooth検出プログラムを排除することで、デバイス選択を簡素化します。 この場合、NFCはタップデバイスから直接Bluetoothアドレスを取得することを可能にします。

　　BluetoothデバイスをSSP OOBとペアリングする際、NFCを使ってBLEデバイスに必要な一時キーを送信できます。 このプロセス。 鍵は標準のNDEF(NFCデータ交換フォーマット)メッセージのペイロードに含まれています。 OOBデータを交換した後、開発者はBluetooth仕様に含まれる他の機能を活用して、接続設定に必要な時間を最小限に抑えることができます。 一例として、General Access Profile(GAP)に含まれる高速接続確立のサポートがあります。 GAPはBluetoothデバイスの告知、つまりお互いの発見、接続、セキュリティ管理のプロセスを定義しています。

　　NFCフォーラムとBluetooth SIGが共同で公開したアプリケーションドキュメントには、Bluetooth Shangtai Secure Simple Pairing(NFCを使った)デバイス間のインタラクションやNFCとBluetooth間の切り替えメカニズムについて詳細な情報が提供されています。

　　統合モジュールにより設計が簡素化されます

　　NFCペアリングとNFCトリガーによるホストのウェイクアップを実現するには、デバイスにNFCタグとBLE機能が必要です。 これらは単独のICとして実装可能ですが、BLEとNFCを組み合わせたIoTデバイス向けの統合ソリューションは、より小型でエネルギー効率の高いソリューションを提供します。 パナソニックのPAN1761 BLE/NFCコンボモジュールはその一例で、シングルモードBLEチップとNFC Forum 3互換タグをコンパクトな表面実装パッケージに組み合わせています。 このモジュールには、ARM Cortex-M3マイクロコントローラと512KBitのEEPROMが搭載されており、スマートセンサーアプリケーションやその他のコード、さらにBluetoothやNFC機能も実行可能です。 このデバイスはゼロ電力スタンバイモードを備えており、アプリケーションが長いバッテリー寿命を享受できます。 必要なら、NFCスキャナーで再有効化し、自動的にBluetooth接続を有効にすることもできます。

　　このモジュールは東芝のBLE/NFC複合ICを用いて構築されており、GAPとGASHをサポートする東芝Bluetoothスタックを含んでいます。 チップ上のBLEユニバーサル属性(GATT)プロファイルです。 GAPは中央および周辺の役割をサポートし、ゲートウェイデバイスやスマートオブジェクトでゲートウェイに接続するためのPAN1761を利用できます。 標準BLEプロファイルはアプリケーションコードに統合可能です。

　　東芝Bluetooth開発者ゾーンに登録すると、東芝ペアリングNFCパッケージを含むサポートソフトウェア開発キット(SDK)へのアクセスが与えられます。 これにより、オンボードのCortex-M3プロセッサ向けにアプリケーションのソースコードと「Pair Through NFC」ライブラリを提供することで、NFCを用いたOOBペアリングが簡素化されます。 また、ソースコード付きのAndroidデモアプリと、アウトオブバンドペアリングの概念に関するアプリの説明も含まれています。 すべてのモジュール機能のドライバを提供する高度なBLE APIが(図1)、セットアップ、接続、データ転送を支援します。

　　図1:高度なAPIが開発者の利用を助けPAN1761。

　　PAN1761モジュールは、BLE/NFC ICとEEPROMを組み合わせ、図2に示すように26 MHzのクリスタル発振器、Bluetoothアンテナ、フィルターを備えています。外部のNFCアンテナが必要です。 オンライン設計ツール「Panasonic NFC Design Navigator」は、エンジニアがアンテナ設計を開発し、正しい配線やPCBレイアウトを確保するのに役立ちます。

　　図2:PAN1761回路設計を簡素化し、PCBスペースとBOMコストを節約します。 レイアウトおよびアンテナ設計ガイドも提供されています。

　　結論

　　NFCは、ほとんどユーザーインターフェースなしで、小型で低消費電力の産業用スマートセンサーをBluetoothに接続する課題に取り組むのに役立ちます。 Bluetooth SIGとNFC Forumは協力し、NFC規格での接続切り替えやBLE仕様でのOOBペアリングのサポートを含むNFC支援ペアリングを提供しています。 BLE/NFCタグモジュールを組み合わせることで、これら2つの技術を1つのデバイス内に統合することで、ソリューションを簡素化します。 SDKサポートは、ヘッドレスデバイスを迅速にペアリングするためのソフトウェア開発者に必要な機能を提供します。