Технологии ble bluetooth low energy
Bluetooth Low Energy (BLE) – зрелая технология, получившая в последнее время активную поддержку со стороны популярных брендов в умных устройствах массового сегмента, широко применяется на производстве и в медицине. Узнайте из нашей статьи больше о BLE и ее использовании, а также о том, каким образом можно применять технологию на практике при решении производственных и бытовых задач.
Bluetooth Low Energy (BLE) – зрелая технология, получившая в последнее время активную поддержку со стороны популярных брендов в умных устройствах массового сегмента, широко применяется на производстве и в медицине. Узнайте из нашей статьи больше о BLE и ее использовании, а также о том, каким образом можно применять технологию на практике при решении производственных и бытовых задач.
BLE (Bluetooth Low Energy) – технология беспроводной передачи данных, официально выпущенная в 2010 году и с тех пор снискавшая большую популярность во многих индустриях. Технология широко применяется при реализации концепции Интернета Вещей (IoT), поскольку низкое потребление энергии, отличающее BLE от классического Bluetooth, позволяет поддерживать связь с устройствами в течение длительного периода времени.
Помимо различия в уровне энергопотребления, BLE, в отличие от классического Bluetooth, использует меньше радиочастотных каналов (40 2-MHz вместо 79 1-MHz) и позволяет намного быстрее устанавливать соединение с другим устройством (15-30 мс против 100 мс). Обе технологии эксплуатируют одну и ту же радиочастоту (2.4 GHz) и применяются для контроля устройств. Однако BLE, не предназначенная для непрерывного сетевого соединения, задействуется для периодической передачи небольших пакетов данных, оставляя задачи потоковой передачи (например, прослушивание музыки) классической Bluetooth.
Для работы технологии BLE требуется два устройства – центральное (например, смартфон) и периферийное – BLE-маяк («beacons»), ограниченный в возможностях и погружающийся в режим сна, когда не происходит обмен данными. BLE-маяки могут выступать в качестве периферийного устройства, с которым устанавливается соединение, а могут служить передатчиками («broadcasters»), ответственными только за трансляцию данных без подключения. В обоих случаях BLE-маяк обнаруживается по так называемым «пакетам продвижения» данных («advertising packets»), транслируемым на трех радиочастотах, что позволяет снизить возможные помехи при передаче информации. Повторяющиеся данные отправляются по одному из трех каналов со случайными перерывами (до 10 мс), называемыми «интервалами продвижения» («advertising intervals»). Центральное устройство, попав в радиус BLE-маяка, может обнаружить сигнал и – либо запросить дополнительный пакет данных с помощью запроса о сканировании и ответа («scan request» / «scan response»), либо инициировать соединение. В зависимости от модели BLE-маяка, соединение с ним устанавливается стандартной процедурой подключения Bluetooth устройства или с помощью стороннего приложения, позволяющего обнаружить транслируемый сигнал. После инициации центральным устройством, соединение считается созданным, а установленным оно становится только после двунаправленного обмена данных между центральным и периферийным устройствами («ведущим», «master» и «ведомым», «slave»). Таким образом, к основным преимуществам технологии относятся: возможность быстрого обмена данными, обусловленная сменой радиочастот для избежания помех, и работа длительное время без подзарядки, обеспечиваемая режимом сна, в котором обмен данными не происходит или в данных отсутствуют изменения.
Благодаря своим уникальным характеристикам, BLE пользуется популярностью в самых разных сферах и позволяет открывать новые сценарии применения в зависимости от поставленных целей.
Протокол Bluetooth Low Energy: поддержка устройствами и специфика работы
Способов трансляции данных «по воздуху» создано и используется довольно много. Популярностью обзавелся протокол BLE, который внедрен в электронику различного типа и успешно используется и по сей день. Что из себя представляет данный протокол и в каких сферах применим — рассмотрено в этой статье.
Зачем разработали BLE
После изучения и успешного применения передачи информации без проводов, появилась потребность передавать данные, используя устройства с автономными источниками питания. Проблема состоит в том, что с этим устройством должно работать еще одно, которое постоянно передает данные либо слушает эфир.
Если у приемника и передатчика имеется батарейное питание, то наблюдаются проблемы со связью при разрыве постоянной передачи связи для экономии энергии, которые решили с новым протоколом передачи данных BlueTooth Low Energy (BLE).
BLE – это режим низкого энергопотребления, способствующий экономии заряда аккумулятора у сопряженных устройств.
Протокол стал частью Bluetooth 4.0. Операционная система Android поддерживает BLE с версии 4.3. В качестве пары, работающей с BLE, берется телефон с современной ОС, совместно с батарейной малой техникой (например, гарнитура). Но не исключены и взаимодействия иных гаджетов.
Чтобы принимать и передавать данные в необходимом объеме беспроводным способом, в стандарт Bluetooth LE включена скорость передачи информации, равная 1 Мбит/сек. Постоянный обмен данными затрачивает энергию, тем самым расходуя ее запасы. Поэтому протокол подразумевает разрыв постоянного эфира для экономии. Поэтому в протоколе не только важна скорость, а и то, что гаджеты умеют синхронизироваться друг с другом тогда, когда это необходимо.
Около 99% всего времени гаджеты спят и экономят энергию. Потом просыпаются на короткий период для обмена данными и снова засыпают. Но чтобы пребывать в данном режиме, устройства сперва между собой необходимо синхронизировать. Этот режим и называется advertising.
В каких сферах применяется
Протокол BLE используется по сценарию: редко передавать данные и обрабатывать долгое время. В частности, возможно использование двухрежимных гаджетов BLE в смартфонах, планшетных ПК, ноутбуках. Однорежимные могут использоваться во множестве сфер деятельности. Под эти сферы попадают устройства из разделов здоровья, автоматизации, анализа, управления.
Множество задач могут решаться, когда в радиусе двухуровневого модуля определяются иные одноуровневые BLE-приборы. К этим приборам относятся приборы-сигнализаторы, что уведомляют владельца об удалении от сумки, барсетки, кошелька, переносной тары и иных персональных вещей, оснащенных BLE-модулем. Отличное применение данным брелкам с BLE находят в качестве маячков для ребенка, чтобы не потерять его в достаточно людных местах.
Устойчивая работа и низкое энергопотребление протокола BLE позволяют рассматривать его в качестве замены NFC, а именно RFID-меток. Но вариант совмещенной работы BLE + NFC выглядит более привлекательно. BLE дает большой радиус, сопряженный с устойчивой работой, второй отвечает за логическое сопряжение пары, плюс обеспечивает надежную защиту за счет малого радиуса действия.
Не обходят стороной данную спецификацию в системах умных домов. Работа приборов через блютуз с низким энергопотреблением позволяет открывать удаленно двери, ворота и приводить в действие прочие механизмы с большого расстояния, подолгу не меняя аккумулятор в беспроводном и компактном органе управления.
Кроме того, внедрение в смартфон, который всегда под рукой, BLE-модуля позволит на приличном удалении через сопряженные каналы управлять любыми приборами и аксессуарами умного дома. Или подключаться к сенсорной панели для удаленного управления с другой комнаты.
Поддерживаемые устройства
Протокол BLE содержится в модулях со встроенным программным обеспечением. Модулями оснащаются конечные устройства. В качестве модулей можно выделить:
- BT111 – создан для приложений, где нужна работа со стандартными протоколами Bluetooth и BLE.
- BLE112 – однорежимный BLE-модуль для сенсорных систем и прочих аксессуаров с батарейным питанием.
- USB BLED112 – аналогичный однорежимный BLE-модуль со всеми свойствами BLE112, но выполнен в форм факторе USB-флешки.
- Спортивные аксессуары по типу шагомеров, пульсометров, ритмометров, которые имеют форму часов для руки или браслета.
- Различные сенсоры для определения движения, температуры, влажности.
- Системы чтения и отображения информации с автономным источником питания.
- Бытовая медтехника по типу измерителей глюкозы, тонометров, температурных измерителей.
- Гаджеты для удаленного вызова, по типу радио-няня.
- Приборы бытовой электроники, по типу беспроводной периферии (клавиатуры, мышки), панелей и пультов.
- Устройства для автоматизации в жилом доме по типу шлюзов между соединенной к Smart House сенсорной сетью и смартфонами с Блютуз.
- Устройства безопасности, по типу тревожных кнопок, бесконтактных ключей и прочее.
Определение поддержки
Множество таких «определителей» находится в Play Market и доступны для использования бесплатно. Модели телефонов, выпущенные до 2015 года включительно, могут не поддерживать данную опцию.
Вопросы безопасности BLE
Защита канала передачи данных между парой устройств в протоколе BLE обусловлена двумя режимами LE Секьюрити мод 1 и LE Секьюрити мод 2. Первый режим работает на Data Link layer (DLL), второй на AT&T.
На DLL в протоколе Bluetooth LE присутствует шифрование и аутентификация с помощью технологии построения аутентификационного кода сообщения из блочного алгоритма шифрования (CCM) и шифра AES-128. При работе CCM и AES-128, добавляется к ним Protocol Data Unit и дополнительное сообщение для идентификации целостности, размером 4-байта, после которого PDU и сообщение шифруются.
В некоторых случаях аутентификацию можно провести поверх нешифрованного соединения на канальном уровне. Но в таком случае на AT&T -уровне к PDU плюсуется двенадцати байтная сигнатура.
Режимы безопасности включают в себя несколько уровней, используемых в зависимости от типа соединения.
- Первый – на канальном уровне два модуля обмениваются информацией о доступных возможностях ввода-вывода, а после принимают решение, по какому из обнаруженных произойдет взаимодействие.
- Второй – создание ключа для третьего этапа, который называется «временный ключ краткосрочного значения». Он послужит для надежной передачи данных о временном ключе. Ключ может быть передан тремя способами: с использованием альтернативного канала NFC, с введением шестизначного кода, вводимого пользователем, или без проверки аутентификации, если первый и второй способ организовать невозможно.
- Третий – конечные точки соединения обмениваются тремя 128 битными ключами и, если нарушений не замечено, пара успешно синхронизируется.