通過近場通信解決智能傳感器與藍牙連接問題

支持低能耗(LE)數(shù)據(jù)交換包含在4.0版的藍牙?規(guī)范中。藍牙低功耗(BLE)設(shè)計用于支持?jǐn)?shù)據(jù)速率高達1 Mbit/s的通信，距離最遠約50米，比典型的藍牙范圍大約10 - 30米，藍牙低功耗(BLE)具有強大的連接設(shè)備的憑據(jù)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)。

設(shè)備可能只實現(xiàn)藍牙規(guī)范的BLE部分，因此被稱為藍牙智能。對于物聯(lián)網(wǎng)端點等智能對象，這是一種理想的經(jīng)濟且節(jié)能的實現(xiàn)方式。另一方面，支持完整藍牙規(guī)格的智能手機和平板電腦等設(shè)備 - 不僅是LE，而且基本速率和增強數(shù)據(jù)速率(BR/EDR)高達3 Mbit/s(現(xiàn)在稱為藍牙經(jīng)典) - 可以互動使用藍牙智能設(shè)備，稱為藍牙智能設(shè)備。

自2011年底推出的所有智能手機都是智能型。這使開發(fā)人員能夠依賴大量潛在用戶已擁有與其產(chǎn)品交互的設(shè)備這一事實。這些可以是消費產(chǎn)品，例如家中的智能照明或環(huán)境傳感器，或者諸如智能傳感器或工業(yè)環(huán)境中的機器之類的設(shè)備。工業(yè)用戶可以使用他們自己的設(shè)備進行交互，這些設(shè)備由公司BYOD(自帶設(shè)備)政策授權(quán)，或使用指定的手機或平板電腦。

智能對象的理想連接?

除了易于互操作性之外，BLE還具有其他幾個重要優(yōu)勢，作為智能對象的連接技術(shù)。電路和協(xié)議可以低成本實現(xiàn)，適合的軟件API可用于Windows，Apple和Android設(shè)備。小數(shù)據(jù)包，短接收和發(fā)送窗口以及旨在最大化無線電在空閑模式下花費的時間的電源方案都有助于極低的能量需求并允許BLE設(shè)備從小硬幣運行幾個月或更長時間另一方面，配對藍牙設(shè)備被消費者廣泛認為是一個困難的過程，可能既耗時又有點“命中或錯過”。嘗試將附件連接到手機的用戶通常需要參考手冊以了解如何使新設(shè)備可被發(fā)現(xiàn)。配對通常需要多次嘗試，安全性可能會受到影響，因為很少有用戶將出廠默認密鑰更改為潛在黑客無法輕易猜到的數(shù)字。

當(dāng)設(shè)備有自己的用戶輸入時，這個過程很難像按鈕或開關(guān)這樣的設(shè)備，無論這些都是基本的。在像物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器這樣可能完全無頭的設(shè)備中，它可能更加困難。

與無頭物體配對

為了幫助克服配對困難，Bluetooth SIG推出從藍牙2.0開始安全簡單配對(SSP)。 SSP指定了四種關(guān)聯(lián)模型，包括工作，數(shù)字比較，密鑰輸入和帶外(OOB)。密鑰輸入和數(shù)字比較要求用戶輸入代碼或確認兩個代碼是相同的。 OOB是最適合連接沒有用戶界面的無頭設(shè)備的模型。 Just Works配對使用與數(shù)字比較相同的協(xié)議，但不需要用戶確認。雖然這可以用于配對沒有用戶界面密鑰或顯示器的設(shè)備，但它在中間安全攻擊中不提供對人的保護。 OOB配對使用先前已安全共享的信息代替密鑰輸入密鑰。

近場通信(NFC)可用于共享OOB配對所需的數(shù)據(jù)，因此提供了建立藍牙連接的方便且安全的方法。 NFC配對已經(jīng)在流行的移動操作系統(tǒng)中得到支持，并且通過在向智能手機引入耳機或揚聲器等新配件時允許“輕敲配對”的便利性大大簡化了消費者的使用。

利用內(nèi)置安全設(shè)備，NFC可用于輔助智能傳感器的藍牙配對，而不會消除智能手機和平板電腦上廣泛的原生BLE支持帶來的普遍存在的任何優(yōu)勢。

除了幫助安全地將新設(shè)備引入網(wǎng)絡(luò)，NFC可以幫助促進與無頭物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的其他交互。一些示例包括從網(wǎng)絡(luò)中移除設(shè)備，用新設(shè)備替換舊設(shè)備，以及在藍牙連接未激活時發(fā)送配置數(shù)據(jù)或檢索信息。 NFC還提供喚醒已完全斷電的設(shè)備以最大化電池壽命并幫助其連接到藍牙網(wǎng)絡(luò)的方法。

用NFC啟動配對過程

因為當(dāng)主機系統(tǒng)斷電時，無源NFC標(biāo)簽可以與讀取器通信，安全連接設(shè)備所需的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和密鑰等數(shù)據(jù)可以在第一次上電之前傳輸?shù)皆O(shè)備。這可以通過在支持NFC的智能手機或網(wǎng)關(guān)設(shè)備(如家庭自動化中心)上點擊新設(shè)備來完成。當(dāng)對象隨后通電時，它可以使用密鑰與網(wǎng)絡(luò)連接并建立安全通信。然后，出于安全目的，將密鑰從標(biāo)簽中刪除，以防止第三方攔截。同樣，在設(shè)備上注冊的支持NFC的智能手機可用于通過點擊將無頭設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)。其他命令(例如從網(wǎng)絡(luò)重置或停用設(shè)備)可以通過相同的方式完成，也可以通過點擊，幫助更換或更新舊設(shè)備將配置設(shè)置從一個設(shè)備復(fù)制到另一個設(shè)備。

NFC的短通信范圍有助于提高安全性和選擇性。當(dāng)未授權(quán)方需要實際存在于設(shè)備的幾厘米內(nèi)時，竊聽非常困難，并且竊聽允許用戶確信只有要連接的設(shè)備已經(jīng)接收到網(wǎng)絡(luò)密鑰。

藍牙技術(shù)聯(lián)盟和NFC聯(lián)盟已經(jīng)為兩種技術(shù)提供了互操作性，例如配對設(shè)備和啟動通信以建立藍牙連接。當(dāng)前的藍牙標(biāo)準(zhǔn)不僅支持OOB配對以利用NFC等標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢，而且NFC規(guī)范還包括將設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)(如藍牙或Wi-Fi)的功能。還有一個用于連接切換的協(xié)議，允許在配對后立即正常傳輸?shù)剿{牙。

這兩個規(guī)范中包含的這些功能允許NFC用于多種用途，包括選擇藍牙設(shè)備，啟動與藍牙設(shè)備的安全連接，或在藍牙設(shè)備上啟動應(yīng)用程序。

NFC通過消除藍牙發(fā)現(xiàn)程序簡化了設(shè)備選擇，這可能要求用戶從包含范圍內(nèi)任何其他設(shè)備的列表中手動選擇所需設(shè)備。在這種情況下，NFC允許直接從分接設(shè)備捕獲藍牙地址。

當(dāng)使用SSP OOB配對連接藍牙設(shè)備時，NFC可用于傳送BLE設(shè)備所需的臨時密鑰。這個過程。密鑰包含在標(biāo)準(zhǔn)NDEF(NFC數(shù)據(jù)交換格式)消息的有效載荷中。在交換OOB數(shù)據(jù)之后，開發(fā)人員可以利用藍牙規(guī)范中包含的其他功能來最小化完成連接設(shè)置的時間。一個示例是對快速連接建立的支持，其包括在通用訪問配置文件(GAP)中。 GAP定義了藍牙設(shè)備通告，發(fā)現(xiàn)彼此，連接和處理安全性的程序。

NFC論壇和藍牙SIG聯(lián)合發(fā)布的應(yīng)用文檔Bluetooth?安全簡單配對使用NFC關(guān)于設(shè)備之間的交互以及NFC和藍牙之間的切換機制的深入信息。

一體化模塊簡化了設(shè)計

實現(xiàn)NFC配對和NFC觸發(fā)主機喚醒該設(shè)備必須具有NFC標(biāo)簽和BLE功能。雖然這些可以作為單獨的IC實現(xiàn)，但是結(jié)合了適用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的BLE和NFC的集成解決方案提供了更小且可能更具能耗意識的解決方案。松下PAN1761 BLE/NFC組合模塊就是一個例子，它將單模BLE芯片和NFC Forum 3型兼容標(biāo)簽結(jié)合在一個小型的表面貼裝封裝中。該模塊具有板載的ARM?Cortex?-M3微控制器和512 KBit EEPROM，可以執(zhí)行智能傳感器應(yīng)用等代碼，以及執(zhí)行藍牙和NFC功能。該器件具有零功耗待機模式，使應(yīng)用程序可以從長電池壽命中受益。必要時可以使用NFC掃描儀重新激活它，并自動啟動藍牙連接。

該模塊使用東芝的組合BLE/NFC IC構(gòu)建，并包含支持GAP和的GASH的Toshiba藍牙堆棧。芯片上的BLE通用屬性(GATT)配置文件。 GAP支持中央和外圍角色，允許PAN1761在網(wǎng)關(guān)設(shè)備或智能對象中使用以連接到網(wǎng)關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)BLE配置文件可用于集成到應(yīng)用程序代碼中。

注冊Toshiba Bluetooth開發(fā)人員專區(qū)可訪問支持軟件開發(fā)工具包(SDK)，其中包括Toshiba配對NFC封裝。這通過為板載Cortex-M3處理器提供應(yīng)用程序源代碼和“通過NFC配對”庫來簡化使用NFC的OOB配對。還有一個帶有源代碼的Android演示應(yīng)用程序，以及關(guān)于帶外配對概念的應(yīng)用程序說明。提供所有模塊功能驅(qū)動程序的高級BLE API(圖1)有助于實現(xiàn)設(shè)置，連接和數(shù)據(jù)傳輸。

圖1：高級API可幫助開發(fā)人員使用PAN1761。

PAN1761模塊將BLE/NFC IC和EEPROM與26 MHz晶振和藍牙天線和濾波器相結(jié)合，如圖所示圖2.需要外部NFC天線。在線設(shè)計工具“Panasonic NFC設(shè)計導(dǎo)航器”可用于幫助工程師開發(fā)天線設(shè)計并確保正確的路徑和PCB布局。

圖2：PAN1761簡化了電路設(shè)計，節(jié)省了電路板空間和BOM成本。提供布局和天線設(shè)計指南。

結(jié)論

NFC可以幫助解決將微型，低功耗工業(yè)智能傳感器連接到藍牙的幾乎沒有或沒有用戶界面的挑戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)。藍牙SIG和NFC論壇已經(jīng)合作提供NFC輔助配對，包括支持NFC規(guī)范中的連接切換和BLE規(guī)范中的OOB配對。組合的BLE/NFC標(biāo)簽?zāi)K通過在一個設(shè)備中組合這兩種技術(shù)來簡化該解決方案。支持SDK為軟件開發(fā)人員提供了開始快速配對無頭設(shè)備所需的功能。