Giải quyết vấn đề kết nối giữa cảm biến thông minh và Bluetooth thông qua giao tiếp trường gần

　　Hỗ trợ trao đổi dữ liệu Năng lượng thấp (LE) được bao gồm trong thông số kỹ thuật Bluetooth phiên bản 4.0. Bluetooth Low Energy (BLE) được thiết kế để hỗ trợ giao tiếp với tốc độ dữ liệu lên đến 1 Mbit/s, với khoảng cách lên đến khoảng 50 mét, dài hơn khoảng 10 đến 30 mét so với Bluetooth thông thường. Bluetooth Low Energy (BLE) cung cấp thông tin đăng nhập mạnh mẽ để kết nối các thiết bị với Internet vạn vật (IoT).

　　Thiết bị chỉ có thể triển khai phần BLE của thông số kỹ thuật Bluetooth, do đó nó được gọi là Bluetooth Smart. Đối với các đối tượng thông minh như điểm cuối IoT, đây là một giải pháp lý tưởng tiết kiệm năng lượng và tiết kiệm năng lượng. Mặt khác, các thiết bị như điện thoại thông minh và máy tính bảng hỗ trợ thông số kỹ thuật Bluetooth đầy đủ — không chỉ LE mà còn cả tốc độ cơ bản và tốc độ dữ liệu nâng cao (BR / EDR) lên đến 3 Mbit / s (hiện được gọi là Bluetooth Classic) — có thể tương tác với các thiết bị thông minh Bluetooth, được gọi là thiết bị thông minh Bluetooth.

　　Tất cả các điện thoại thông minh ra mắt từ cuối năm 2011 đều thông minh. Điều này cho phép các nhà phát triển dựa vào thực tế là một số lượng lớn người dùng tiềm năng đã có thiết bị tương tác với sản phẩm của họ. Đây có thể là các sản phẩm tiêu dùng, chẳng hạn như chiếu sáng thông minh hoặc cảm biến môi trường trong nhà, hoặc các thiết bị như cảm biến thông minh hoặc máy móc trong môi trường công nghiệp. Người dùng công nghiệp có thể tương tác bằng các thiết bị của riêng họ, được ủy quyền bởi chính sách BYOD (Mang theo của riêng bạn) của công ty hoặc sử dụng điện thoại di động hoặc máy tính bảng được chỉ định.

　　Kết nối lý tưởng cho các đối tượng thông minh tại Shangtai

　　Ngoài khả năng tương tác dễ dàng, BLE còn cung cấp một số lợi thế quan trọng khác như một công nghệ kết nối cho các đối tượng thông minh. Các mạch và giao thức có thể được triển khai với chi phí thấp và các API phần mềm phù hợp có sẵn cho các thiết bị Windows, Apple và Android. Các gói nhỏ, cửa sổ nhận và truyền ngắn và sơ đồ năng lượng được thiết kế để tối đa hóa thời gian radio ở chế độ nhàn rỗi đều góp phần vào nhu cầu năng lượng cực thấp và cho phép các thiết bị BLE chạy từ những đồng tiền nhỏ trong nhiều tháng hoặc hơn. Mặt khác, ghép nối các thiết bị Bluetooth được người tiêu dùng coi là một quá trình khó khăn, có khả năng tốn thời gian và có phần "trúng hoặc trượt". Người dùng cố gắng kết nối phụ kiện với điện thoại của họ thường cần một hướng dẫn tham khảo để tìm hiểu cách làm cho thiết bị mới có thể phát hiện được. Việc ghép nối thường yêu cầu nhiều lần thử và bảo mật có thể bị xâm phạm, vì rất ít người dùng thay đổi khóa mặc định của nhà sản xuất thành những con số mà tin tặc tiềm năng không thể dễ dàng đoán được.

　　Khi một thiết bị có đầu vào của người dùng riêng, quá trình này rất khó xử lý như với các thiết bị như nút hoặc công tắc, vốn là cơ bản. Trong các thiết bị như cảm biến thông minh IoT, có thể hoàn toàn không đầu, nó thậm chí có thể khó khăn hơn.

　　Kết hợp với các vật thể không đầu

　　Để giúp khắc phục những khó khăn khi ghép nối, Bluetooth SIG đã ra mắt Ghép nối đơn giản an toàn (SSP) bắt đầu từ Bluetooth 2.0. SSP chỉ định bốn mô hình liên kết, bao gồm công việc, so sánh kỹ thuật số, đầu vào khóa và ngoài băng tần (OOB). Nhập phím và so sánh số yêu cầu người dùng nhập mã hoặc xác nhận rằng hai mã giống nhau. OOB là mô hình tốt nhất để kết nối các thiết bị không đầu mà không cần giao diện người dùng. Ghép nối Just Works sử dụng giao thức tương tự như so sánh kỹ thuật số, nhưng không yêu cầu xác nhận của người dùng. Mặc dù điều này có thể được sử dụng để ghép nối các thiết bị không có khóa giao diện người dùng hoặc màn hình, nhưng nó không cung cấp khả năng bảo vệ con người trong các cuộc tấn công bảo mật giữa các cuộc tấn công bảo mật. Ghép nối OOB sử dụng thông tin được chia sẻ an toàn trước đó thay vì thông tin đầu vào chính.

　　Giao tiếp trường gần (NFC) có thể được sử dụng để chia sẻ dữ liệu cần thiết cho ghép nối OOB, do đó cung cấp một cách thuận tiện và an toàn để thiết lập kết nối Bluetooth. Ghép nối NFC đã được hỗ trợ trong các hệ điều hành di động phổ biến và bằng cách cho phép sự tiện lợi của việc "ghép nối chạm" khi giới thiệu các phụ kiện mới như tai nghe hoặc loa cho điện thoại thông minh, việc sử dụng của người tiêu dùng đã được đơn giản hóa rất nhiều.

　　Với các thiết bị bảo mật tích hợp, NFC có thể hỗ trợ ghép nối Bluetooth với cảm biến thông minh mà không loại bỏ bất kỳ lợi thế phổ biến nào của hỗ trợ BLE gốc trên điện thoại thông minh và máy tính bảng.

　　Ngoài việc giúp đưa các thiết bị mới vào mạng một cách an toàn, NFC có thể tạo điều kiện thuận lợi cho các tương tác khác với các thiết bị IoT không đầu. Một số ví dụ bao gồm xóa thiết bị khỏi mạng, thay thế thiết bị cũ bằng thiết bị mới và gửi dữ liệu cấu hình hoặc truy xuất thông tin khi kết nối Bluetooth không được kích hoạt. NFC cũng cung cấp một cách để đánh thức các thiết bị đã tắt nguồn hoàn toàn để tối đa hóa tuổi thọ pin và giúp kết nối chúng với mạng Bluetooth.

　　Bắt đầu quá trình ghép nối với NFC

　　Bởi vì khi hệ thống máy chủ mất điện, NFC thụ động tags có thể giao tiếp với đầu đọc và dữ liệu như thông số mạng và khóa cần thiết để kết nối an toàn có thể được truyền đến thiết bị trước lần bật nguồn đầu tiên. Điều này có thể được thực hiện bằng cách chạm vào một thiết bị mới trên điện thoại thông minh hoặc thiết bị cổng hỗ trợ NFC (chẳng hạn như trung tâm tự động hóa gia đình). Khi đối tượng được bật nguồn, nó có thể sử dụng chìa khóa để kết nối với mạng và thiết lập liên lạc an toàn. Sau đó, vì mục đích bảo mật, khóa sẽ được xóa khỏi nhãn để ngăn chặn sự can thiệp của bên thứ ba. Tương tự, điện thoại thông minh hỗ trợ NFC được đăng ký trên thiết bị có thể kết nối các thiết bị không đầu với mạng chỉ bằng một cú chạm. Các lệnh khác (chẳng hạn như đặt lại hoặc tắt thiết bị khỏi mạng) có thể được thực hiện theo cách tương tự hoặc bằng cách nhấp để giúp thay thế hoặc cập nhật thiết bị cũ bằng cách sao chép cài đặt cấu hình từ thiết bị này sang thiết bị khác.

　　Phạm vi giao tiếp ngắn của NFC giúp cải thiện tính bảo mật và tính chọn lọc. Nghe lén rất khó khăn khi các bên trái phép cần ở trong phạm vi vài cm của thiết bị và nghe lén cho phép người dùng tự tin rằng chỉ có thiết bị họ muốn kết nối mới nhận được khóa mạng.

　　Hiệp hội Công nghệ Bluetooth và Hiệp hội NFC đã cung cấp khả năng tương tác cho cả hai công nghệ, chẳng hạn như ghép nối thiết bị và bắt đầu giao tiếp để thiết lập kết nối Bluetooth. Tiêu chuẩn Bluetooth hiện tại không chỉ hỗ trợ ghép nối OOB để tận dụng các ưu điểm như NFC mà thông số kỹ thuật NFC còn bao gồm khả năng kết nối thiết bị với các mạng như Bluetooth hoặc Wi-Fi. Ngoài ra còn có một giao thức chuyển đổi kết nối, cho phép truyền bình thường ngay lập tức sang Bluetooth sau khi ghép nối.

　　Các tính năng này có trong hai thông số kỹ thuật này cho phép NFC được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, bao gồm chọn thiết bị Bluetooth, cho phép kết nối an toàn với thiết bị Bluetooth hoặc khởi chạy ứng dụng trên thiết bị Bluetooth.

　　NFC đơn giản hóa việc lựa chọn thiết bị bằng cách loại bỏ các chương trình khám phá Bluetooth, có thể yêu cầu người dùng chọn thủ công các thiết bị mong muốn từ danh sách bất kỳ thiết bị nào khác trong phạm vi đi kèm. Trong trường hợp này, NFC cho phép ghi lại địa chỉ Bluetooth trực tiếp từ các thiết bị chạm.

　　Khi ghép nối các thiết bị Bluetooth với SSP OOB, NFC có thể được sử dụng để truyền các khóa tạm thời cần thiết cho các thiết bị BLE. Quá trình này. Khóa được chứa trong tải trọng của thông báo NDEF (Định dạng trao đổi dữ liệu NFC) tiêu chuẩn. Sau khi trao đổi dữ liệu OOB, các nhà phát triển có thể sử dụng các tính năng khác có trong thông số kỹ thuật Bluetooth để giảm thiểu thời gian cần thiết để hoàn tất thiết lập kết nối. Một ví dụ là hỗ trợ thiết lập kết nối nhanh, được bao gồm trong Hồ sơ truy cập chung (GAP). GAP xác định các thông báo của thiết bị Bluetooth, các quy trình khám phá lẫn nhau, kết nối và xử lý bảo mật.

　　Tài liệu ứng dụng do Diễn đàn NFC và Bluetooth SIG đồng phát hành cung cấp thông tin chuyên sâu về Bluetooth Shangtai Secure Simple Pairing sử dụng NFC khi tương tác giữa thiết bị với thiết bị và cơ chế chuyển đổi giữa NFC và Bluetooth.

　　Mô-đun tích hợp đơn giản hóa thiết kế

　　Để đạt được ghép nối NFC và đánh thức máy chủ được kích hoạt bằng NFC, thiết bị phải có NFC tag và chức năng BLE. Mặc dù chúng có thể được triển khai dưới dạng IC độc lập, nhưng các giải pháp tích hợp kết hợp BLE và NFC cho các thiết bị IoT cung cấp các giải pháp nhỏ hơn và có khả năng tiết kiệm năng lượng hơn. Mô-đun kết hợp PAN1761 BLE/NFC của Panasonic là một ví dụ, kết hợp chip BLE đơn chế độ với các thẻ tương thích NFC Forum 3 trong một gói gắn trên bề mặt nhỏ gọn. Mô-đun này có bộ vi điều khiển ARM Cortex-M3 tích hợp và EEPROM 512 KBit, có khả năng thực thi các ứng dụng cảm biến thông minh và mã khác, cũng như các chức năng Bluetooth và NFC. Thiết bị có chế độ chờ không nguồn, cho phép các ứng dụng hưởng lợi từ thời lượng pin dài. Nếu cần, bạn có thể sử dụng máy quét NFC để kích hoạt lại và tự động kích hoạt kết nối Bluetooth.

　　Mô-đun này được xây dựng bằng cách sử dụng IC BLE / NFC kết hợp của Toshiba và bao gồm ngăn xếp Bluetooth của Toshiba hỗ trợ GAP và GASH. Hồ sơ Thuộc tính Chung BLE (GATT) trên chip. GAP hỗ trợ vai trò trung tâm và ngoại vi, cho phép PAN1761 được sử dụng trong các thiết bị cổng hoặc các đối tượng thông minh để kết nối với các cổng. Hồ sơ BLE tiêu chuẩn có thể được tích hợp vào mã ứng dụng.

　　Đăng ký Toshiba Bluetooth Developer Zone cấp quyền truy cập vào các bộ công cụ phát triển phần mềm (SDK) được hỗ trợ, bao gồm các gói Toshiba Pairing NFC. Điều này đơn giản hóa việc ghép nối OOB bằng cách sử dụng NFC bằng cách cung cấp mã nguồn ứng dụng và thư viện "Ghép nối thông qua NFC" cho bộ xử lý Cortex-M3 tích hợp. Ngoài ra còn có một ứng dụng demo Android với mã nguồn, cùng với hướng dẫn ứng dụng về khái niệm ghép nối ngoài băng tần. API BLE nâng cao cung cấp trình điều khiển cho tất cả các chức năng của mô-đun (Hình 1) giúp thiết lập, kết nối và truyền dữ liệu.

　　Hình 1: API nâng cao giúp các nhà phát triển sử dụng PAN1761.

　　Mô-đun PAN1761 kết hợp IC BLE / NFC và EEPROM với bộ dao động tinh thể 26 MHz, ăng-ten Bluetooth và bộ lọc, như trong Hình 2. Cần có ăng-ten NFC bên ngoài. Công cụ thiết kế trực tuyến "Panasonic NFC Design Navigator" có thể giúp các kỹ sư phát triển thiết kế ăng-ten và đảm bảo định tuyến chính xác và bố cục PCB.

　　Hình 2: PAN1761 đơn giản hóa thiết kế mạch, tiết kiệm không gian PCB và chi phí BOM. Hướng dẫn bố trí và thiết kế ăng-ten được cung cấp.

　　Kết luận

　　NFC có thể giúp giải quyết thách thức khi kết nối các cảm biến thông minh công nghiệp thu nhỏ, công suất thấp với Bluetooth mà hầu như không có hoặc không có giao diện người dùng. Bluetooth SIG và NFC Forum đã hợp tác để cung cấp ghép nối có hỗ trợ NFC, bao gồm hỗ trợ chuyển đổi kết nối trong thông số kỹ thuật NFC và ghép nối OOB trong thông số kỹ thuật BLE. Mô-đun thẻ BLE / NFC kết hợp đơn giản hóa giải pháp bằng cách kết hợp hai công nghệ này trong một thiết bị duy nhất. Hỗ trợ SDK cung cấp cho các nhà phát triển phần mềm các tính năng cần thiết để nhanh chóng ghép nối các thiết bị không đầu.