通過近場通信解決智能傳感器與藍(lán)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(lán)牙規(guī)范中。藍(lán)牙低功耗(BLE)設(shè)計(jì)用于支持?jǐn)?shù)據(jù)速率高達(dá)1 Mbit/s的通信，距離最遠(yuǎn)約50米，比典型的藍(lán)牙范圍大約10 - 30米，藍(lán)牙低功耗(BLE)具有強(qiáng)大的連接設(shè)備的憑據(jù)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)。

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

　　自2011年底推出的所有智能手機(jī)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(shí)。這些可以是消費(fèi)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(jī)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(jìn)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(jī)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(shí)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(fèi)的時(shí)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(yùn)行幾個月或更長時(shí)間另一方面，配對藍(lán)牙設(shè)備被消費(fèi)者廣泛認(rèn)為是一個困難的過程，可能既耗時(shí)又有點(diǎn)“命中或錯過”。嘗試將附件連接到手機(jī)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?yàn)楹苌儆杏脩魧⒊鰪S默認(rèn)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(shí)，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(lán)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(rèn)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(rèn)。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(hù)。 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(lán)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(jī)引入耳機(jī)或揚(yáng)聲器等新配件時(shí)允許“輕敲配對”的便利性大大簡化了消費(fèi)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(lán)牙配對，而不會消除智能手機(jī)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(jìn)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(lán)牙連接未激活時(shí)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(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的方法。

　　用NFC啟動配對過程

　　因?yàn)楫?dāng)主機(jī)系統(tǒng)斷電時(shí)，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(jī)或網(wǎng)關(guān)設(shè)備(如家庭自動化中心)上點(diǎn)擊新設(shè)備來完成。當(dāng)對象隨后通電時(shí)，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(jī)可用于通過點(diǎn)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(diǎn)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(shí)際存在于設(shè)備的幾厘米內(nèi)時(shí)，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(lán)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(lán)牙連接。當(dāng)前的藍(lán)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(lán)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{(lán)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(lán)牙設(shè)備，啟動與藍(lán)牙設(shè)備的安全連接，或在藍(lán)牙設(shè)備上啟動應(yīng)用程序。

　　NFC通過消除藍(lán)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(lán)牙地址。

　　當(dāng)使用SSP OOB配對連接藍(lán)牙設(shè)備時(shí)，NFC可用于傳送BLE設(shè)備所需的臨時(shí)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(lán)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(shí)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(lán)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(lán)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(lán)牙之間的切換機(jī)制的深入信息。

　　一體化模塊簡化了設(shè)計(jì)

　　實(shí)現(xiàn)NFC配對和NFC觸發(fā)主機(jī)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(dú)的IC實(shí)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(lán)牙和NFC功能。該器件具有零功耗待機(jī)模式，使應(yīng)用程序可以從長電池壽命中受益。必要時(shí)可以使用NFC掃描儀重新激活它，并自動啟動藍(lán)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(lán)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(shí)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(lán)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(jì)工具“Panasonic NFC設(shè)計(jì)導(dǎo)航器”可用于幫助工程師開發(fā)天線設(shè)計(jì)并確保正確的路徑和PCB布局。

　　圖2：PAN1761簡化了電路設(shè)計(jì)，節(jié)省了電路板空間和BOM成本。提供布局和天線設(shè)計(jì)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(lán)牙的幾乎沒有或沒有用戶界面的挑戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)。藍(lán)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。