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通过近场通信解决智能传感器与蓝牙连接问题

gecimao 发表于 2019-04-26 07:00 | 查看: | 回复:

  支持低能耗(LE)数据交换包含在4.0版的蓝牙规范中。蓝牙低功耗(BLE)设计用于支持数据速率高达1 Mbit/s的通信,距离最远约50米,比典型的蓝牙范围大约10 - 30米,蓝牙低功耗(BLE)具有强大的连接设备的凭据物联网(IoT)。

  设备可能只实现蓝牙规范的BLE部分,因此被称为蓝牙智能。对于物联网端点等智能对象,这是一种理想的经济且节能的实现方式。另一方面,支持完整蓝牙规格的智能手机和平板电脑等设备 - 不仅是LE,而且基本速率和增强数据速率(BR/EDR)高达3 Mbit/s(现在称为蓝牙经典) - 可以互动使用蓝牙智能设备,称为蓝牙智能设备。

  自2011年底推出的所有智能手机都是智能型。这使开发人员能够依赖大量潜在用户已拥有与其产品交互的设备这一事实。这些可以是消费产品,例如家中的智能照明或环境传感器,或者诸如智能传感器或工业环境中的机器之类的设备。工业用户可以使用他们自己的设备进行交互,这些设备由公司BYOD(自带设备)政策授权,或使用指定的手机或平板电脑。

  除了易于互操作性之外,BLE还具有其他几个重要优势,作为智能对象的连接技术。电路和协议可以低成本实现,适合的软件API可用于Windows,Apple和Android设备。小数据包,短接收和发送窗口以及旨在最大化无线电在空闲模式下花费的时间的电源方案都有助于极低的能量需求并允许BLE设备从小硬币运行几个月或更长时间另一方面,配对蓝牙设备被消费者广泛认为是一个困难的过程,可能既耗时又有点“命中或错过”。尝试将附件连接到手机的用户通常需要参考手册以了解如何使新设备可被发现。配对通常需要多次尝试,安全性可能会受到影响,因为很少有用户将出厂默认密钥更改为潜在黑客无法轻易猜到的数字。

  当设备有自己的用户输入时,这个过程很难像按钮或开关这样的设备,无论这些都是基本的。在像物联网智能传感器这样可能完全无头的设备中,它可能更加困难。

  为了帮助克服配对困难,Bluetooth SIG推出从蓝牙2.0开始安全简单配对(SSP)。 SSP指定了四种关联模型,包括工作,数字比较,密钥输入和带外(OOB)。密钥输入和数字比较要求用户输入代码或确认两个代码是相同的。 OOB是最适合连接没有用户界面的无头设备的模型。 Just Works配对使用与数字比较相同的协议,但不需要用户确认。虽然这可以用于配对没有用户界面密钥或显示器的设备,但它在中间安全攻击中不提供对人的保护。 OOB配对使用先前已安全共享的信息代替密钥输入密钥。

  近场通信(NFC)可用于共享OOB配对所需的数据,因此提供了建立蓝牙连接的方便且安全的方法。 NFC配对已经在流行的移动操作系统中得到支持,并且通过在向智能手机引入耳机或扬声器等新配件时允许“轻敲配对”的便利性大大简化了消费者的使用。

  利用内置安全设备,NFC可用于辅助智能传感器的蓝牙配对,而不会消除智能手机和平板电脑上广泛的原生BLE支持带来的普遍存在的任何优势。

  除了帮助安全地将新设备引入网络,NFC可以帮助促进与无头物联网设备的其他交互。一些示例包括从网络中移除设备,用新设备替换旧设备,以及在蓝牙连接未激活时发送配置数据或检索信息。 NFC还提供唤醒已完全断电的设备以最大化电池寿命并帮助其连接到蓝牙网络的方法。

  因为当主机系统断电时,无源NFC标签可以与读取器通信,安全连接设备所需的网络参数和密钥等数据可以在第一次上电之前传输到设备。这可以通过在支持NFC的智能手机或网关设备(如家庭自动化中心)上点击新设备来完成。当对象随后通电时,它可以使用密钥与网络连接并建立安全通信。然后,出于安全目的,将密钥从标签中删除,以防止第三方拦截。同样,在设备上注册的支持NFC的智能手机可用于通过点击将无头设备连接到网络。其他命令(例如从网络重置或停用设备)可以通过相同的方式完成,也可以通过点击,帮助更换或更新旧设备将配置设置从一个设备复制到另一个设备。

  NFC的短通信范围有助于提高安全性和选择性。当未授权方需要实际存在于设备的几厘米内时,窃听非常困难,并且窃听允许用户确信只有要连接的设备已经接收到网络密钥。

  蓝牙技术联盟和NFC联盟已经为两种技术提供了互操作性,例如配对设备和启动通信以建立蓝牙连接。当前的蓝牙标准不仅支持OOB配对以利用NFC等标准的优势,而且NFC规范还包括将设备连接到网络(如蓝牙或Wi-Fi)的功能。还有一个用于连接切换的协议,允许在配对后立即正常传输到蓝牙。

  这两个规范中包含的这些功能允许NFC用于多种用途,包括选择蓝牙设备,启动与蓝牙设备的安全连接,或在蓝牙设备上启动应用程序。

  NFC通过消除蓝牙发现程序简化了设备选择,这可能要求用户从包含范围内任何其他设备的列表中手动选择所需设备。在这种情况下,NFC允许直接从分接设备捕获蓝牙地址。

  当使用SSP OOB配对连接蓝牙设备时,NFC可用于传送BLE设备所需的临时密钥。这个过程。密钥包含在标准NDEF(NFC数据交换格式)消息的有效载荷中。在交换OOB数据之后,开发人员可以利用蓝牙规范中包含的其他功能来最小化完成连接设置的时间。一个示例是对快速连接建立的支持,其包括在通用访问配置文件(GAP)中。 GAP定义了蓝牙设备通告,发现彼此,连接和处理安全性的程序。

  NFC论坛和蓝牙SIG联合发布的应用文档Bluetooth?安全简单配对使用NFC关于设备之间的交互以及NFC和蓝牙之间的切换机制的深入信息。

  实现NFC配对和NFC触发主机唤醒该设备必须具有NFC标签和BLE功能。虽然这些可以作为单独的IC实现,但是结合了适用于物联网设备的BLE和NFC的集成解决方案提供了更小且可能更具能耗意识的解决方案。松下PAN1761 BLE/NFC组合模块就是一个例子,它将单模BLE芯片和NFC Forum 3型兼容标签结合在一个小型的表面贴装封装中。该模块具有板载的ARM?Cortex?-M3微控制器和512 KBit EEPROM,可以执行智能传感器应用等代码,以及执行蓝牙和NFC功能。该器件具有零功耗待机模式,使应用程序可以从长电池寿命中受益。必要时可以使用NFC扫描仪重新激活它,并自动启动蓝牙连接。

  该模块使用东芝的组合BLE/NFC IC构建,并包含支持GAP和的GASH的Toshiba蓝牙堆栈。芯片上的BLE通用属性(GATT)配置文件。 GAP支持中央和外围角色,允许PAN1761在网关设备或智能对象中使用以连接到网关。标准BLE配置文件可用于集成到应用程序代码中。

  注册Toshiba Bluetooth开发人员专区可访问支持软件开发工具包(SDK),其中包括Toshiba配对NFC封装。这通过为板载Cortex-M3处理器提供应用程序源代码和“通过NFC配对”库来简化使用NFC的OOB配对。还有一个带有源代码的Android演示应用程序,以及关于带外配对概念的应用程序说明。提供所有模块功能驱动程序的高级BLE API(图1)有助于实现设置,连接和数据传输。

  PAN1761模块将BLE/NFC IC和EEPROM与26 MHz晶振和蓝牙天线和滤波器相结合,如图所示图2.需要外部NFC天线。在线设计工具“Panasonic NFC设计导航器”可用于帮助工程师开发天线设计并确保正确的路径和PCB布局。

  图2:PAN1761简化了电路设计,节省了电路板空间和BOM成本。提供布局和天线设计指南。

  NFC可以帮助解决将微型,低功耗工业智能传感器连接到蓝牙的几乎没有或没有用户界面的挑战网络。蓝牙SIG和NFC论坛已经合作提供NFC辅助配对,包括支持NFC规范中的连接切换和BLE规范中的OOB配对。组合的BLE/NFC标签模块通过在一个设备中组合这两种技术来简化该解决方案。支持SDK为软件开发人员提供了开始快速配对无头设备所需的功能。

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