Bezpieczna sieć Bluetooth 4.2: Single-Chip IoT Cypress

Standard komunikacyjny Bluetooth Low Energy został opracowany przed kilkoma laty pod nazwą WiBree. Nazwa ta została zmieniona na "Bluetooth Ultra Low Power" i od wersji 4.0 BLE zalicza się do standardu Bluetooth.

BLE oznacza się często dopiskiem "Smart", co oznacza, że urządzenia "Smart" mogą się komunikować tylko z innymi "Smartami". Te rozpoznające zarówno "klasyczny" Bluetooth, jak i wersję BLE (np. smartfony, tablety itd.) mają oznaczenie "Smart Ready".

Główne ulepszenia to bezpieczeństwo i pobór mocy

Klasyczne wersje Bluetooth praktycznie nie nadają się do zastosowań w urządzeniach bateryjnych z uwagi na duży pobór mocy. Z tego powodu wprowadzono szczególnie energooszczędny protokół BLE. Umożliwia on pracę bateryjną na przestrzeni miesięcy albo nawet lat. Bluetooth pracuje w paśmie ISM 2,4 GHz i należy do tzw. sieci WPAN (Wireless Personal Area Network).

Został on opracowany, podobnie jak Bluetooth Classic, do realizacji komunikacji w zasięgu od 0,2 do 50 m. BLE umożliwia zestawienie połączenia w czasie poniżej 3 ms, wykorzystuje 40 kanałów po 2 MHz każdy. Szybkość transmisji wynosi tutaj do 1 Mb/s przy maksymalnej mocy nadajnika 10 mW.

Głównymi obszarami zastosowania BLE są: urządzenia medyczne, sport i fitness (wearables), instalacje alarmowe, home entertainment, home automation, motoryzacja, smart energy i beacony.

Siedziba firmy Glyn w Idstein, Niemcy

W najnowszym standardzie Bluetooth 4.2 wzrosła wielkość pola PDU (Packet Data Unit) z 27 bajtów do 251 bajtów. Umożliwiło to uzyskanie w przybliżeniu 2,6 razy większej szybkości transmisji danych (aż do 800 kbps). Ponadto zintegrowano dodatkowe funkcje bezpieczeństwa, takie jak LE Privacy 1.2 i LE Secure Connections:

• LE-Privacy - to funkcja związana z bezpieczeństwem, utrudniająca potencjalnemu agresorowi śledzenie komunikacji pomiędzy urządzeniami. Po aktywowaniu funkcji Privacy w BLE 4.2 adres urządzenia zmienia się co sekundę (w BLE 4.1 tylko co 15 min), a generowanie adresów prywatnych przebiega teraz w warstwie łącza (controller), a już nie w hoście. Dzięki temu zredukowano też pobór mocy.
• LE Secure Connections - służy do parowania urządzeń, gdzie wykorzystano algorytmy uznane za bezpieczne przez amerykański instytut standaryzacji NIST. Należą do nich ECC (kryptografia krzywych eliptycznych o długości klucza do 256 bitów) i AES-CMAC. Klucze nie są wymieniane radiowo i nie mogą zostać podsłuchane. Poziom bezpieczeństwa odpowiada teraz temu z klasycznego Bluetootha.

Te ulepszenia uczyniły standard Bluetooth 4.2 wydajniejszym i szybszym, przez co stał się on idealną technologią radiową dla aplikacji Internet of Things (IoT). Wyższa prędkość danych w Bluetooth 4.2 umożliwia teraz wielokanałową transmisję audio oraz znacząco szybszą aktualizację oprogramowania metodą Over-the-Air (OTA).

Oferta firmy Cypress

Firma Cypress wspiera wszystkie dostępne funkcje BLE. Oprócz w pełni certyfikowanych modułów Bluetooth 4.2 dostępne jest również bezpłatne środowisko programistyczne PSoC Creator, które umożliwia szybkie tworzenie oprogramowania za pomocą prostej techniki "drag and drop". Zasadniczo wszystkie układy BLE z firmy Cypress bazują na dwóch chipach:

• PRoC BLE - Programmable RadioonChip - to niskomocowy mikrokontroler (ARM Cortex-M0) integrujący technologie Bluetooth Low Energy oraz CapSense (kontroler dotykowy).
• PSoC 4 BLE - Programmable SystemonChip - to zasadniczo PRoC BLE z dodatkowymi peryferiami takimi jak programowalne układy analogowe oraz bloki cyfrowe. Umożliwiają one prostą integrację czujników i elementów wykonawczych bez posiłkowania się zewnętrznymi komponentami aktywnymi. PRoC BLE jest zatem tańszą wersją PSoC 4 BLE, tyle że bez wzmacniaczy operacyjnych, komparatorów, iDAC i UDB (Universal Digital Blocks). Zredukowano również liczbę szeregowych portów SCB (Serial Communication Block). Oba rozwiązania dysponują Bluetooth Smart Radio, niskomocowym rdzeniem ARM Cortex-M0, pamięcią Flash 256 KB, 32 KB SRAM, kontrolerem DMA, 36 GPIO i konfigurowalnymi szeregowymi blokami komunikacyjnymi.

Konfigurowanie hardware techniką "drag and drop".

Szczególną cechą rodziny PSoC jest konfigurowanie peryferii jako bloków funkcjonalnych metodą "drag and drop" w darmowym oprogramowaniu PSoC Creator. Również w przypadku BLE konfiguracja polega na dodaniu modułu Bluetooth BLE do arkusza roboczego i ustawieniu odpowiednich parametrów. W pełni bezpłatny stos BLE zostanie dołączony automatycznie. Konstruktor ma do dyspozycji wszystkie zdefiniowane przez SIG profile. Możliwe jest też utworzenie swojego profilu, ale należy to zgłosić w SIG.

Warto dodać, że w nowych chipach PSoC 4 BLE II pobór prądu podczas przesyłania i odbierania danych drogą radiową wynosi tylko 3,4 mA i może być obniżony w różnych trybach do 60 nA (Deep-Sleep 1,6 µA, Hibernate 150 nA).

Dla szybkiego wprowadzenia na rynek gotowego produktu ma się do dyspozycji w pełni zintegrowane i certyfikowane moduły w najmniejszej obudowie. Są one programowalne i konkurencyjne cenowo:

Moduł EZ-BLE PRoC
Wielkość 10×10mm, w pełni certyfikowany, aż do 256 KB Flash, 32 KB SRAM
Zoptymalizowany cenowo, w pełni certyfikowany, aż do 256 KB Flash, 32 KB SRAM

Moduł EZ-BLE PSoC
W pełni certyfikowany, 11x11 mm aż do 256 KB Flash, 32 KB SRAM
W pełni certyfikowany, long-range, rozszerzony przemysłowy zakres temperatur.

Moduły EZ-BLE PRoC sa zgodne z przepisami o podziale częstotliwości radiowych obowiązującymi w USA, Kanadzie, Japonii, Korei i Europie. Biuro konstrukcyjne oszczędza dzięki temu pieniądze i czas z tytułu samodzielnego uzyskania certyfikacji (czas rozwoju, testy oraz związane z tym odpowiednie opłaty).

Podsumowanie i szybki start do świata BLE od Cypressa

Rozwiązania BLE firmy Cypress zapewniają użytkownikowi wyjątkową korzyść w postaci Bluetootha i innych układów peryferyjnych w formie jednego chipa. Ponieważ stos zajmuje ok. 100 KB pamięci Flash, to do własnego wykorzystania pozostaje jeszcze 156 z 256 KB ogólnie dostępnej pamięci. Konfigurowalne bloki cyfrowe i analogowe nie zajmują pamięci Flash. Ponieważ nie jest używany system operacyjny, to aplikacja użytkownika jest uruchamiana "w czasie rzeczywistym".

Bezpłatne środowisko programistyczne PSoC Creator dzięki graficznej metodzie konfiguracji zapewnia szybki czas rozwoju oprogramowania i wdrożenia. Bloki funkcyjne mogą zostać skonfigurowane bez napisania jednej linijki kodu. Środowisko programistyczne i narzędzia są regularnie uaktualniane poprzez aplikację Update Manager. Na stronie Cypressa zamieszczono ponadto krótkie filmiki instruktażowe, które wyjaśniają również programowanie aplikacji iOS BLE.

GLYN GmbH & Co. KG
www.glyn.pl