Resolvendo o problema de conexão entre sensores inteligentes e Bluetooth por meio da comunicação de campo próximo

　　O suporte para troca de dados de Baixa Energia (LE) está incluído na especificação Bluetooth versão 4.0. O Bluetooth Low Energy (BLE) foi projetado para suportar comunicação com taxas de dados de até 1 Mbit/s, com distâncias de cerca de 50 metros, o que é cerca de 10 a 30 metros maior que o Bluetooth típico. O Bluetooth Low Energy (BLE) oferece credenciais poderosas para conectar dispositivos à Internet das Coisas (IoT).

　　O dispositivo pode implementar apenas a parte BLE da especificação Bluetooth, por isso é chamado de Bluetooth Smart. Para objetos inteligentes como endpoints IoT, essa é uma solução econômica e econômica ideal para economizar energia. Por outro lado, dispositivos como smartphones e tablets que suportam especificações completas de Bluetooth — não apenas LE, mas também taxas base e taxas de dados aprimoradas (BR/EDR) de até 3 Mbit/s (agora chamado de Bluetooth Classic) — podem interagir com dispositivos inteligentes Bluetooth, conhecidos como dispositivos inteligentes Bluetooth.

　　Todos os smartphones lançados desde o final de 2011 são inteligentes. Isso permite que os desenvolvedores confiem no fato de que um grande número de usuários potenciais já possui dispositivos que interagem com seus produtos. Esses podem ser produtos de consumo, como iluminação inteligente ou sensores ambientais em casa, ou dispositivos como sensores inteligentes ou máquinas em ambientes industriais. Usuários industriais podem interagir usando seus próprios dispositivos, autorizados pela política BYOD (Bring Your Own) da empresa, ou usando celulares ou tablets designados.

　　A conexão ideal para objetos inteligentes em Shangtai

　　Além da facilidade de interoperabilidade, o BLE oferece várias outras vantagens importantes como tecnologia de conectividade para objetos inteligentes. Circuitos e protocolos podem ser implementados a baixo custo, e APIs de software adequadas estão disponíveis para dispositivos Windows, Apple e Android. Pacotes pequenos, janelas curtas de recepção e transmissão, e esquemas de energia projetados para maximizar o tempo que o rádio passa em modo ocioso contribuem para demandas de energia extremamente baixas e permitem que dispositivos BLE funcionem com pequenas moedas por meses ou mais. Por outro lado, parear dispositivos Bluetooth é amplamente visto pelos consumidores como um processo difícil, potencialmente demorado e um tanto "imprevisível". Usuários que tentam conectar acessórios aos seus celulares geralmente precisam de um manual de referência para aprender como tornar o novo dispositivo detectável. O pareamento geralmente exige múltiplas tentativas, e a segurança pode ser comprometida, já que poucos usuários trocam chaves padrão de fábrica por números que potenciais hackers não conseguem facilmente adivinhar.

　　Quando um dispositivo recebe sua própria entrada do usuário, esse processo é difícil de gerenciar, assim como em dispositivos como botões ou interruptores, que são fundamentais. Em dispositivos como sensores inteligentes IoT, que podem ser completamente sem cabeça, pode ser ainda mais difícil.

　　Combinado com objetos sem cabeça

　　Para ajudar a superar dificuldades de pareamento, o Bluetooth SIG lançou o Secure Simple Pairing (SSP) a partir do Bluetooth 2.0. O SSP especifica quatro modelos de associação, incluindo trabalho, comparação digital, entrada de chaves e fora de banda (OOB). A entrada de chaves e a comparação numérica exigem que os usuários insiram um código ou confirmem que os dois códigos são iguais. OOB é o melhor modelo para conectar dispositivos headless sem interfaces de usuário. O emparelhamento do Works usa o mesmo protocolo da comparação digital, mas não exige confirmação do usuário. Embora isso possa ser usado para parear dispositivos sem teclas ou displays de interface de usuário, não oferece proteção humana em ataques de segurança de man-in-middle. O pareamento OOB utiliza informações previamente compartilhadas de forma segura, em vez de informações de entrada de chave.

　　A Comunicação de Campo Próximo (NFC) pode ser usada para compartilhar os dados necessários para o pareamento OOB, proporcionando assim uma forma conveniente e segura de estabelecer conexões Bluetooth. O pareamento NFC já é suportado em sistemas operacionais móveis populares e, ao permitir a conveniência do "pareamento por toque" ao introduzir novos acessórios como fones de ouvido ou alto-falantes em smartphones, o uso do consumidor foi muito simplificado.

　　Com dispositivos de segurança embutidos, o NFC pode auxiliar o pareamento Bluetooth com sensores inteligentes sem eliminar nenhuma das vantagens generalizadas do suporte nativo a BLE em smartphones e tablets.

　　Além de ajudar a introduzir novos dispositivos de forma segura na rede, o NFC pode facilitar outras interações com dispositivos IoT headless. Alguns exemplos incluem remover dispositivos da rede, substituir dispositivos antigos por novos e enviar dados de configuração ou recuperar informações quando as conexões Bluetooth não estão ativadas. O NFC também oferece uma forma de acordar dispositivos que foram completamente desligados para maximizar a duração da bateria e ajudar a conectá-los a redes Bluetooth.

　　Comece o processo de pareamento com NFC

　　Porque quando o sistema hospedeiro perde energia, tags passivas NFC podem se comunicar com o leitor, e dados como parâmetros de rede e chaves necessárias para conexão segura podem ser transmitidos ao dispositivo antes da primeira ligação. Isso pode ser feito interceptando um novo dispositivo em um smartphone ou gateway com NFC (como um centro de automação residencial). Quando o objeto é ligado, ele pode usar uma chave para se conectar à rede e estabelecer uma comunicação segura. Depois, por questões de segurança, a chave é removida do rótulo para evitar interceptação por terceiros. Da mesma forma, smartphones com NFC registrados em dispositivos podem conectar dispositivos headless à rede com um toque inicial. Outros comandos (como resetar ou desativar dispositivos da rede) podem ser feitos da mesma forma, ou clicando para ajudar a substituir ou atualizar o dispositivo antigo copiando configurações de configuração de um dispositivo para outro.

　　O curto alcance de comunicação do NFC ajuda a melhorar a segurança e a seletividade. A escuta é muito difícil quando partes não autorizadas precisam estar a poucos centímetros de um dispositivo, e a escuta permite que os usuários tenham confiança de que apenas o dispositivo que desejam conectar recebeu a chave da rede.

　　O Consórcio de Tecnologia Bluetooth e o Consórcio NFC já proporcionaram interoperabilidade para ambas as tecnologias, como pareamento de dispositivos e início de comunicação para estabelecer conexões Bluetooth. O padrão atual de Bluetooth não apenas suporta pareamento OOB para aproveitar vantagens como NFC, mas a especificação NFC também inclui a capacidade de conectar dispositivos a redes como Bluetooth ou Wi-Fi. Há também um protocolo para comutação de conexão, permitindo transmissão normal imediata para Bluetooth após o pareamento.

　　Esses recursos incluídos nessas duas especificações permitem que o NFC seja usado para diversos propósitos, incluindo a seleção de dispositivos Bluetooth, possibilitação de conexões seguras com dispositivos Bluetooth ou execução de aplicativos em dispositivos Bluetooth.

　　O NFC simplifica a seleção de dispositivos ao eliminar programas de descoberta Bluetooth, que podem exigir que os usuários selecionem manualmente os dispositivos desejados a partir de uma lista de outros dispositivos dentro da faixa incluída. Nesse caso, o NFC permite capturar endereços Bluetooth diretamente de dispositivos tap.

　　Ao parear dispositivos Bluetooth com SSP OOB, o NFC pode ser usado para transmitir as chaves temporárias necessárias para dispositivos BLE. Esse processo. A chave está contida na carga útil da mensagem padrão NDEF (NFC Data Interchange Format). Após a troca de dados OOB, os desenvolvedores podem usar outros recursos incluídos na especificação Bluetooth para minimizar o tempo necessário para concluir a configuração da conexão. Um exemplo é o suporte para estabelecimento rápido de conexão, que está incluído no Perfil de Acesso Geral (GAP). O GAP define anúncios de dispositivos Bluetooth, os processos para se descobrir, conectar e gerenciar a segurança.

　　O documento de aplicação divulgado conjuntamente pelo NFC Forum e Bluetooth SIG fornece informações detalhadas sobre o Bluetooth Shangtai Secure Simple Pairing usando NFC na interação dispositivo a dispositivo e o mecanismo de comutação entre NFC e Bluetooth.

　　O módulo integrado simplifica o projeto

　　Para alcançar o pareamento NFC e o ativamento do host ativado por NFC, o dispositivo deve ter uma tag NFC e funcionalidade BLE. Embora possam ser implementados como CIs independentes, soluções integradas que combinam BLE e NFC para dispositivos IoT oferecem soluções menores e potencialmente mais econômicas em energia. O módulo combo PAN1761 BLE/NFC da Panasonic é um exemplo, combinando chips BLE monomodo com tags compatíveis com NFC Forum 3 em um pacote compacto de montagem superficial. O módulo conta com um microcontrolador ARM Cortex-M3 integrado e uma EEPROM de 512 KBit, capaz de executar aplicações de sensores inteligentes e outros códigos, além de funções Bluetooth e NFC. O dispositivo possui um modo de espera sem energia, permitindo que as aplicações se beneficiem de longa duração da bateria. Se necessário, você pode usar o scanner NFC para reativá-lo e ativar automaticamente a conexão Bluetooth.

　　Este módulo é construído usando os CIs combinados BLE/NFC da Toshiba e inclui uma pilha Bluetooth Toshiba que suporta GAP e GASH. Perfil BLE Universal Attribute (GATT) no chip. O GAP suporta funções centrais e periféricas, permitindo que PAN1761 sejam usadas em dispositivos gateway ou objetos inteligentes para se conectar a gateways. O perfil padrão do BLE pode ser integrado ao código da aplicação.

　　O registro na Toshiba Bluetooth Developer Zone concede acesso a kits de desenvolvimento de software suportados (SDKs), que incluem pacotes NFC Toshiba Pairing. Isso simplifica o pareamento OOB usando NFC, fornecendo código-fonte da aplicação e uma biblioteca "Pair Through NFC" para o processador Cortex-M3 integrado. Há também um aplicativo de demonstração para Android com código-fonte, junto com instruções do app sobre o conceito de pareamento fora de banda. Uma API avançada do BLE que fornece drivers para todas as funções do módulo (Figura 1) auxilia na configuração, conectividade e transferência de dados.

　　Figura 1: APIs avançadas ajudam desenvolvedores a usar PAN1761.

　　PAN1761 módulo combina circuitos integrados BLE/NFC e EEPROM com um oscilador de cristal de 26 MHz, antena Bluetooth e filtro, conforme mostrado na Figura 2. Uma antena NFC externa é necessária. A ferramenta de design online "Panasonic NFC Design Navigator" pode ajudar os engenheiros a desenvolver projetos de antenas e garantir o roteamento correto e o layout da PCB.

　　Figura 2: PAN1761 simplifica o design do circuito, economizando espaço na PCB e custos da lista de materiais (BOM). Guias de layout e design de antenas são fornecidos.

　　Conclusão

　　O NFC pode ajudar a enfrentar o desafio de conectar sensores inteligentes industriais miniaturais e de baixo consumo ao Bluetooth com quase nenhuma ou nenhuma interface de usuário. Bluetooth SIG e NFC Forum colaboraram para fornecer pareamento assistido por NFC, incluindo suporte para comutação de conexão em especificações NFC e pareamento OOB em especificações BLE. O módulo combinado de tags BLE/NFC simplifica a solução ao combinar essas duas tecnologias em um único dispositivo. O suporte a SDK oferece aos desenvolvedores de software os recursos necessários para emparelhar rapidamente dispositivos headless.