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:

1. BT111 – создан для приложений, где нужна работа со стандартными протоколами Bluetooth и BLE.
   
2. BLE112 – однорежимный BLE-модуль для сенсорных систем и прочих аксессуаров с батарейным питанием.
   
3. USB BLED112 – аналогичный однорежимный BLE-модуль со всеми свойствами BLE112, но выполнен в форм факторе USB-флешки.

К BLE-устройствам можно отнести:

1. Спортивные аксессуары по типу шагомеров, пульсометров, ритмометров, которые имеют форму часов для руки или браслета.
2. Различные сенсоры для определения движения, температуры, влажности.
3. Системы чтения и отображения информации с автономным источником питания.
4. Бытовая медтехника по типу измерителей глюкозы, тонометров, температурных измерителей.
5. Гаджеты для удаленного вызова, по типу радио-няня.
6. Приборы бытовой электроники, по типу беспроводной периферии (клавиатуры, мышки), панелей и пультов.
7. Устройства для автоматизации в жилом доме по типу шлюзов между соединенной к Smart House сенсорной сетью и смартфонами с Блютуз.
8. Устройства безопасности, по типу тревожных кнопок, бесконтактных ключей и прочее.

Определение поддержки

Чтобы определить, работает ли ваш аксессуар с протоколом-BLE, следует изучить информацию об устройстве на сайте производителя или в инструкции по эксплуатации. Для устройств, работающих на Android, можно проверить поддержку с помощью приложений:

1. BLE Checker.
2. LightBlue.
3. Bluetooth LE Scanner.

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.

Соединение пары происходит в три так называемых этапа:

1. Первый – на канальном уровне два модуля обмениваются информацией о доступных возможностях ввода-вывода, а после принимают решение, по какому из обнаруженных произойдет взаимодействие.
2. 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.
3. Третий – конечные точки соединения обмениваются тремя 128 битными ключами и, если нарушений не замечено, пара успешно синхронизируется.

Различия протоколов Bluetooth

Так как Блютуз с низким энергопотреблением вошел в спецификацию Bluetooth 4.0, то технические сравнения проведены с классической версией.

Также нельзя не отметить большое сходство протоколов BLE с BR / EDR – первым созданным Блютуз-протоколом:

1. Работа в едином диапазоне ISM 4 ГГц.
2. Модуляция GFSK.
3. Скачкообразное перестроение частоты.
4. Схожая схема канала с демодуляцией аналогового сигнала и преобразованием в цифровой.

Различия между BR / EDR и BLE-модулями в том, что первый делит полосу пропускания на 79 каналов с разносом в 1 МГц, а второй работает с передатчиком и приемником для разделения полосы на 40 каналов, с разбросом в 2 МГц.

Заключение

Bluetooth Low Energy – это протокол, специально разработанный для устройств с ограниченным источником автономной энергии, нуждающихся в отправке информации на протяжении нескольких дней или недель без подзарядки. Двухрежимными модулями BLE оснащаются смартфоны, планшетные ПК, ноутбуки. Однорежимные модули BLE используются в мелкой электронике и аксессуарах, типа измерителей пульса или бесконтактных ключей.