Решение проблемы соединения между умными датчиками и Bluetooth через связь ближнего поля

　　Поддержка обмена данными с низким уровнем энергии (LE) включена в спецификацию Bluetooth версии 4.0. Bluetooth Low Energy (BLE) разработан для поддержки связи со скоростью передачи данных до 1 Мбит/с, с расстояниями до примерно 50 метров, что примерно на 10–30 метров больше, чем обычно Bluetooth. Bluetooth Low Energy (BLE) предоставляет мощные учетные данные для подключения устройств к Интернету вещей (IoT).

　　Устройство может реализовывать только BLE в спецификации Bluetooth, поэтому оно называется Bluetooth Smart. Для умных объектов, таких как IoT-конечные устройства, это идеальное экономичное и энергосберегающее решение. С другой стороны, такие устройства, как смартфоны и планшеты, поддерживающие полные характеристики Bluetooth — не только LE, но и базовые и улучшенные скорости передачи данных (BR/EDR) до 3 Мбит/с (ныне называемые Bluetooth Classic) — могут взаимодействовать с Bluetooth-умными устройствами, известными как Bluetooth smart-устройства.

　　Все смартфоны, выпущенные с конца 2011 года, являются умными. Это позволяет разработчикам полагаться на то, что большое количество потенциальных пользователей уже имеют устройства, взаимодействующие с их продуктами. Это могут быть потребительские товары, такие как умное освещение или датчики окружающей среды в доме, а также устройства вроде умных датчиков или машин в промышленных условиях. Промышленные пользователи могут взаимодействовать с помощью собственных устройств, которые разрешены политикой BYOD (Bring Your Own) компании, а также с использованием специализированных мобильных телефонов и планшетов.

　　Идеальное соединение для умных объектов в Shangtai

　　Помимо простоты совместимости, BLE предлагает ряд других важных преимуществ как технология подключения умных объектов. Схемы и протоколы могут быть реализованы с низкой стоимостью, а подходящие программные API доступны для устройств Windows, Apple и Android. Небольшие пакеты, короткие окна приёма и передачи, а также схемы питания, разработанные для максимизации времени простоя радиостанции, способствуют крайне низким энергопотреблениям и позволяют устройствам BLE работать с мелких монет месяцами и более. С другой стороны, сопряжение Bluetooth-устройств широко воспринимается потребителями как сложный процесс, потенциально трудоёмкий и несколько «удачный или нет». Пользователям, пытающимся подключить аксессуары к своим телефонам, обычно требуется справочник, чтобы узнать, как сделать новое устройство доступным. Для сопряжения обычно требуется несколько попыток, и безопасность может быть скомпрометирована, так как немногие пользователи меняют заводские ключи на числа, которые потенциальные хакеры не могут легко определить.

　　Когда устройство имеет собственный пользовательский ввод, этот процесс сложно обрабатывать, например, с такими устройствами, как кнопки или переключатели, которые являются фундаментальными. В таких устройствах, как умные датчики IoT, которые могут быть полностью безголовыми, это может быть ещё сложнее.

　　В паре с объектами без головы

　　Чтобы помочь преодолеть трудности с сопряжением Bluetooth SIG, запустив систему Secure Simple Pairing (SSP), начиная с Bluetooth 2.0. SSP определяет четыре модели ассоциаций, включая работу, цифровое сравнение, ввод ключей и внеполосную (OOB). Ввод ключей и числовое сравнение требуют от пользователей ввода кода или подтверждения совпадения этих кодов. OOB — лучшая модель для подключения безголовых устройств без пользовательских интерфейсов. Сопряжение Just Works использует тот же протокол, что и цифровое сравнение, но не требует подтверждения пользователем. Хотя это можно использовать для сопряжения устройств без ключей интерфейса пользователя или дисплеев, оно не обеспечивает защиту человека при промежуточных атаках безопасности. Парировка OOB использует ранее надёжно передаваемую информацию вместо ключевой входной информации.

　　Ближняя связь (NFC) может использоваться для обмена данными, необходимыми для сопряжения OOB, что обеспечивает удобный и безопасный способ установления Bluetooth-соединений. Сопряжение NFC уже поддерживается в популярных мобильных операционных системах, и благодаря удобству «сопряжения тапами» при введении новых аксессуаров, таких как наушники или колонки, в смартфонах стало значительно упрощено использование потребителей.

　　С встроенными устройствами безопасности NFC может помочь в сопряжении Bluetooth с умными сенсорами, не устраняя при этом распространённых преимуществ поддержки нативного BLE на смартфонах и планшетах.

　　Помимо безопасного внедрения новых устройств в сеть, NFC может облегчать другие взаимодействия с безголовыми IoT-устройствами. Некоторые примеры включают удаление устройств из сети, замену старых на новые, а также отправку конфигурационных данных или получение информации, когда Bluetooth-соединения не активированы. NFC также предоставляет способ пробудить полностью отключённые устройства, чтобы максимально увеличить время работы от батареи и помочь им подключиться к Bluetooth-сети.

　　Начните процесс сопряжения с NFC

　　Потому что при отключении энергопотребления на хост-системе пассивные NFC-теги могут общаться с считывателем, и такие данные, как параметры сети и ключи, необходимые для безопасного подключения, могут передаваться устройству до первого включения. Это можно сделать, нажав на новое устройство на смартфоне или шлюзе с поддержкой NFC (например, в центре домашней автоматизации). Когда объект включен, он может использовать ключ для подключения к сети и установления защищённой связи. Затем, в целях безопасности, ключ удаляется с метки, чтобы предотвратить перехват третьими лицами. Аналогично, смартфоны с поддержкой NFC, зарегистрированные на устройствах, могут подключать безголовые устройства к сети одним касанием. Другие команды (например, сброс или отключение устройств из сети) могут выполняться аналогичным образом или кликом для замены или обновления старого устройства, копируя настройки конфигурации с одного устройства на другое.

　　Короткий радиус связи NFC помогает повысить безопасность и избирательность. Прослушивание очень сложно, когда неавторизованные лица должны находиться в нескольких сантиметрах от устройства, и прослушивание позволяет пользователям быть уверенными, что ключ от сети получил только то устройство, к которому они хотят подключиться.

　　Консорциум технологий Bluetooth и консорциум NFC уже обеспечили совместимость обеих технологий, таких как сопряжение устройств и инициация связи для установления Bluetooth-соединений. Текущий стандарт Bluetooth не только поддерживает сопряжение OOB для использования таких преимуществ, как NFC, но и включает возможность подключать устройства к сетям, таким как Bluetooth или Wi-Fi. Также существует протокол для переключения соединений, позволяющий немедленно передавать в Bluetooth после сопряжения.

　　Эти функции, включённые в эти две спецификации, позволяют использовать NFC для различных целей, включая выбор Bluetooth-устройств, обеспечение безопасного подключения к Bluetooth-устройствам или запуск приложений на устройствах с Bluetooth.

　　NFC упрощает выбор устройств, исключая программы обнаружения Bluetooth, которые могут требовать от пользователей вручную выбирать нужные устройства из списка других устройств в включённом диапазоне. В этом случае NFC позволяет получать Bluetooth-адреса напрямую с устройств tap.

　　При сопряжении Bluetooth-устройств с SSP OOB NFC может использоваться для передачи временных ключей, необходимых для устройств BLE. Этот процесс. Ключ содержится в полезной нагрузке стандартного сообщения NDEF (NFC Data Interchange Format). После обмена данными OOB разработчики могут использовать другие функции, включённые в спецификацию Bluetooth, чтобы минимизировать время настройки соединения. Один из примеров — поддержка быстрого установления соединения, которая включена в Общий профиль доступа (GAP). GAP определяет объявления на устройствах Bluetooth, процессы взаимного обнаружения, подключения и обеспечения безопасности.

　　Документ приложения, совместно опубликованный NFC Forum и Bluetooth SIG, содержит подробную информацию о Bluetooth Shangtai Secure Simple Pairing с использованием NFC при взаимодействии между устройствами и механизме переключения между NFC и Bluetooth.

　　Интегрированный модуль упрощает конструкцию

　　Для достижения сопряжения NFC и пробуждения хоста по NFC устройство должно иметь NFC-тег и функцию BLE. Хотя их можно реализовать как автономные ИС, интегрированные решения, объединяющие BLE и NFC для IoT-устройств, предлагают более компактные и, возможно, более энергозатратные решения. Комбинированный модуль Panasonic PAN1761 BLE/NFC — один из примеров, объединяющий однорежимные чипы BLE с метками, совместимыми с NFC Forum 3, в компактном корпусе с поверхностным монтажом. Модуль оснащён встроенным микроконтроллером ARM Cortex-M3 и 512 КБИТит EEPROM, способным выполнять приложения умных сенсоров и другой код, а также функции Bluetooth и NFC. Устройство оснащено режимом ожидания с нулевой энергопотреблением, что позволяет приложениям использовать длительное время работы от батареи. Если потребуется, можно использовать NFC-сканер, чтобы повторно активировать его и автоматически активировать Bluetooth-соединение.

　　Этот модуль создан на основе объединённых BLE/NFC микросхем Toshiba и включает Bluetooth-стек Toshiba, поддерживающий GAP и GASH. Профиль BLE Universal Attribute (GATT) на чипе. GAP поддерживает центральные и периферийные функции, позволяя использовать PAN1761 в шлюзовых устройствах или умных объектах для подключения к шлюзам. Стандартный профиль BLE может быть интегрирован в код приложения.

　　Регистрация в Bluetooth Developer Zone Toshiba предоставляет доступ к поддерживаемым комплектам разработки программного обеспечения (SDK), включая пакеты Toshiba Pairing NFC. Это упрощает сопряжение OOB с использованием NFC, предоставляя исходный код приложения и библиотеку «Pair Through NFC» для встроенного процессора Cortex-M3. Также есть демо-приложение для Android с исходным кодом, а также инструкции по концепции внеполосного сопряжения. Продвинутый BLE API, предоставляющий драйверы для всех функций модуля (см. рисунок 1), помогает с установкой, подключением и передачей данных.

　　Рисунок 1: Продвинутые API помогают разработчикам использовать PAN1761.

　　PAN1761 модуль сочетает BLE/NFC IC и EEPROM с кристаллическим генератором 26 МГц, Bluetooth-антенной и фильтром, как показано на рисунке 2. Требуется внешняя NFC-антенна. Онлайн-инструмент для проектирования «Panasonic NFC Design Navigator» может помочь инженерам разрабатывать конструкции антенн и обеспечивать правильную маршрутизацию и компоновку печатных плат.

　　Рисунок 2: PAN1761 упрощает проектирование схем, экономя место на платах и расходы на BOM. Предоставлены руководства по планировке и проектированию антенн.

　　Заключение

　　NFC может помочь решить проблему подключения миниатюрных, маломощных промышленных умных датчиков к Bluetooth практически без пользовательского интерфейса. Bluetooth SIG и NFC Forum сотрудничают для обеспечения сопряжения с помощью NFC, включая поддержку коммутации соединений в спецификациях NFC и сопряжения OOB в спецификациях BLE. Объединённый модуль BLE/NFC меток упрощает решение, объединяя эти две технологии в одном устройстве. Поддержка SDK предоставляет разработчикам программного обеспечения функции, необходимые для быстрого сопряжения безголовых устройств.