Bluetooth Low Energy kostengünstig und energieeffizient

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1 Bluetooth Low Energy kostengünstig und energieeffizient Andreas Rüst Dozent für angewandte Computertechnik Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften Institute of Embedded Systems 8401 Winterthur

2 Institute of Embedded Systems InES FPGA-based systems for network communication Time synchronization and high availability Networks Real-Time-Ethernet, safe and dependable Systems Wireless Communication 2

3 InES Wireless Communication Solutions for Energy-Efficient and Autonomous Embedded Systems Energy harvesting Power management Low-power technologies Mesh network topologies RFID sensor networks (RSN) Standard and proprietary wireless protocols Wireless IP connectivity 3

4 Bluetooth Low Energy BLE Bluetooth SIG Special Interest Group Bluetooth Low Energy Seit 2009 Teil der Bluetooth Spezifikation BLUETOOTH SPECIFICATION Version 4.1 Bluetooth Smart Marketingbegriff für BLE Bluetooth Smart Ready Device Dual Mode Stack kann so wohl mit Bluetooth Classic (BR/EDR) als auch mit BLE Geräten kommunizieren 4

5 Inhalt Übersicht und Funktion Was ist BLE? Geräterollen BLE Schichten und ihre Funktion Umsetzung in der Praxis Peripherals Central Devices App-Entwicklung: Android / ios / Windows Praktische Erfahrungen Zertifizierung 5

6 Was ist BLE? Neue Technologie "blank sheet of paper design" Unterschiedlich zu Bluetooth Classic (BR/EDR) tiefere Datenraten << 230 kbit/s gleiche Antenne und RF Komponenten Einfache Peripherals optimiert für ultra low power und low cost Betrieb mit Knopfzellen Spitzenstrom < ma 'Erholungszeit' für Batterie Central Devices mehr Speicherplatz höhere Energieressourcen ~230 mah central peripheral 6

7 Was ist BLE? Konzepte Kurze Pakete kleine Pufferspeicher einfachere TX Kalibration; RX nur kurz einschalten Verbindungslose Kommunikation möglich Verbindungen schneller Aufbau und Abbau keine Verbindungen auf Vorrat einfache Sterntopologie Einfaches Client Server Protokoll zustandslos client wants data server has data Einfache, atomare Services Baublöcke für aufwendigere Anwendungen 7

8 Geräterollen: Broadcaster Observer Einfacher, verbindungsloser Betrieb Beacons Broadcaster sendet (Advertising) Observer als Empfänger eingeschränkter Rückkanal möglich O B O B B O 8

9 Geräterollen: Peripheral Central Verbindungsorientierte Anwendungen Peripheral einzelne Verbindung Slave i.d.r. Server stellt Daten zur Verfügung Beispiel Datenlogger Central mehrere gleichzeitige Verbindungen Sterntopologie Master i.d.r. Client P P C P P source: MSR / Colourbox 9

10 BLE Schichten Controller und Host HCI Standardisierte Schnittstelle zwischen den Stack-Teilen OS specific API Application GAP Generic Access Profile Host Controller Interface (HCI) GATT Generic Attribute Profile Attribute Protocol Security Manager L2CAP Logical Link Control Link Layer Physical Layer Host Controller 10

11 BLE Schichten Physical Layer Lizenzfreies 2.4 GHz ISM Band - Industrial Scientific Medical GFSK Modulation mit Frequency Hopping 3 Advertising Kanäle und 37 Data Kanäle Nominale Bitrate von 1 Mbit/s Output Power von 0.01 mw (-20 dbm) bis 10 mw (10 dbm) source: Bluetooth SIG 11

12 BLE Schichten Link Layer Device Discovery und Verbindungsaufbau Slave sendet periodische Advertisement Pakete Master scannt Kanäle Master sendet Connection Request mit Verbindungsparametern Master beginnt Verbindung S M connected S connection request S connectable, bondable? available services Zeiten sind Beispiele source: Nordic 12

13 BLE Schichten Link Layer Connection Event Alternierende Pakete Master Slave und Slave Master Anzahl Pakete variabel Pakete max. 31 Octets plus 10 Octets overhead Connection Interval zwischen 7.5 ms und 4 s source: Bluetooth SIG 13

14 BLE Schichten L2CAP Logical Link Control and Adaptation Protocol Protokoll Multiplexer Segmentation und Reassembly von Paketen von Bluetooth Classic übernommen BLE Protokolle Attribute Protocol (ATT) LE L2CAP Signaling Protocol Security Manager Protocol 14

15 BLE Schichten Security Manager AES-128 Encryption Engine Pairing Authentication mit temporären Schlüsseln Just Works Passkey Entry 6-stellige Zahl Out Of Band z.b. NFC 1) Generierung und Austausch von Schlüsseln Nutzung der Schlüssel für Authorization Integrity Confidentiality Privacy Zugang zu gewissen Attributen Nachricht nicht modifiziert Abhörsicherheit Anonymität der Geräte Bonding Speichert Schlüssel und zugehörige Identität für späteren Gebrauch 1) Near Field Communication 15

16 BLE Schichten Attribute Protocol (ATT) Server stellt seine Daten über Attribute zur Verfügung Client write read find notify / indicate Handle 0x0108 0x0117 0x0136 0x013A Server Type Value Battery Level 53 % Tx Power -8 dbm Device Name "My Sensor" My Value 117 Attribute Protocol Einfach und zustandslos Gewisse Anfragen erfordern Antwort oder Bestätigung Auf andere Anfragen erfolgt keine Antwort oder Bestätigung Eine Anfrage aufs Mal 16

17 BLE Schichten Attribute Protocol (ATT) Attribute Handle eindeutige ID/Adresse des Attributes Type codiert als 16-bit UUID 1) Value Wert des Attributes Bytes lang Attribute Access Permissions readable writeable readable & writeable Handle 0x0108 0x0117 0x0136 0x013A Server Type (UUID) Value Battery Level 53 % Tx Power -8 dbm Device Name "My Sensor" My Value 117 Zugriff auf Attribute Values kann zusätzliche Rechte erfordern Authentication Authorization Encryption / pairing 1) Universally Unique Identifier bezogen auf 128-bit Bluetooth Base UUID 17

18 BLE Schichten GATT Generic Attribute Profile Strukturiert Menge der Attribute auf Server Hierarchischer Aufbau Definiert Prozeduren für Zugriff durch Client z.b. Discovery: Was bietet der Server an? Characteristic Value mit optionalen Descriptors (z.b. Einheit) Service Gruppe verschiedener Characteristics Erfüllt atomare Basisfunktionalität Beispiel 'Current Time Service' Profile umfasst einen oder mehrere Services realisiert einen 'use case' Profile Service A Characteristic (properties) Value Descriptor Characteristic (properties) Value Descriptor Service B Service C 18

19 BLE Schichten GATT Services Bluetooth SIG Standard Services (Auswahl) Jeder Service enthält Characteristics 'Assigned Numbers' ab 0x1800 Eigene Services können definiert werden Alert Notification Service Battery Service Blood Pressure Bond Management Current Time Service Device Information Generic Access (GAP) Generic Attribute (GATT) Heart Rate Link Loss Immediate Alert Scan Parameters Tx Power Device Information Service Device Information Service 19

20 BLE Schichten GATT Profile Mehrere Services bilden ein Profile Beispiel Proximity Profile GATT Discovery Client stellt fest, welche Services/Characteristics Server anbietet GATT Client GATT Server GATT 20

21 BLE Schichten GATT Profile Beispiele von Standard Profilen Liste wird laufend erweitert Eigene Profile können erstellt werden Alert Notification Profile Health Thermometer Profile Heart Rate Profile Proximity Profile My own Profile 1 My own Profile 2 Find Me Profile Phone Alert Status Profile Time Profile Health Thermometer Profile 21

22 BLE Schichten GAP Generic Access Profile GAP definiert die schichtübergreifende Grundfunktionalität aller Bluetooth Geräte Rollen und zugehörige Prozeduren Central Peripheral Observer Broadcaster Discovery Prozeduren für das Auffinden von BLE Geräten Verbindungsarten Prozeduren für Auf- und Abbau Sicherheit Prozeduren für Bonding GAP Service 22

23 BLE Schichten GATT Generic Attribute Profile Beispiel 'Attributes of Peripheral My_BLE_dev' Battery Level 53 % Handle UUID Value 0x0001 0x2800 GATT Primary Service Declaration 0x1800 0x0002 0x2803 GATT Characteristic Declaration 0x0003 0x2A00 Device Name My_BLE_dev 0x0004 0x2803 GATT Characteristic Declaration 0x0005 0x2A01 Appearance Generic Tag 0x0006 0x2803 GATT Characteristic Declaration 0x0007 0x2A04 Preferred Connection Parameters 0x0008 0x2800 GATT Primary Service Declaration 0x1801 0x0009 0x2800 GATT Primary Service Declaration 0x180F 0x000A 0x2803 GATT Characteristic Declaration 0x000B 0x2A19 Battery Level 53 0x000C 0x2904 Characteristic Presentation Format uint8, percentage 0x000D 0x2902 Client Characteristic Configuration notification enabled GAP service 0x1800 GATT service 0x1801 Battery service 0x180F 23

24 Peripherals Chips Beispiele von Evaluationsboards Chips Stück TI Keyfob ST BlueNRG Nordic PCA10001 source: Texas Instruments Dialog EM Microelectronic 24

25 Peripherals Module Zertifizierte Module mit BLE Stack und GATT-basierten Profilen Beispiel Bluegiga eigene Applikation auf Modul möglich SDK oder Script Sprache API über UART Definition eigener Profile Master und Slave Mode Beispiel Stollmann vorgegebene Profile mit AT Kommandos steuerbar Punkt-zu-Punkt als Kabelersatz 15 Euro Einzelpreis 25

26 Central Devices Smart Phones Verbreitung in Smart Phones ist ein entscheidender Vorteil für BLE Gleiche RF Komponenten wie Bluetooth Classic Tablets / Smart Phones ios z.b. Apple ipad 3 Android 4.4 KitKat, z.b. Nexus 7, generation 2013 Windows 8 / 8.1 source: geek4share.com source: Objective-C Java C++, C#, VB, JavaScript 26

27 Central Devices Dongles HW-Module mit BLE Stack BLE Controller / BLE Host Dongles Applikation auf Desktop-PC, Laptop, Embedded PC, etc. API über Virtual COM Port TI dongle CC2540 Bluegiga dongle BLED112 Konfigurationen und Profile auf Dongle speicherbar Diverse Anbieter ~20 CHF / Einzelpreis Virtual COM Port Host application development with API 27

28 App-Entwicklung Beispielapplikationen für alle Betriebssysteme Application Accelerator (Bluetooth SIG) https://developer.bluetooth.org/pages/bluetooth-smartdevelopers.aspx Registration notwendig 28

29 App-Entwicklung Android Google Play Developer einmalig 25 $ SDK Eclipse IDE (BETA Android Studio based on IntelliJ IDEA) Android Virtual Device (Simulator für Nexus Geräte) Android SDK Manager Test Environment Distribution über Play Store Android 4.4 Central und Observer werden unterstützt Keine Unterstützung für Peripheral / Broadcaster Android 5 Beispiele BLE Methoden mbluetoothadapter = bluetoothmanager.getadapter(); mbluetoothadapter.startlescan(mlescancallback); mbluetoothgatt = device.connectgatt(this, false, mgattcallback); 29

30 App-Entwicklung Android Android Developers https://developer.android.com/guide/topics/connectivity/bluetooth-le.html 30

31 App-Entwicklung ios ios Developer Program 99 USD / Jahr SDK Xcode Development Environment ios Simulator ios Developer Library Test Environment Distribution über App Store Erfordert Apple MAC Tutorials von Apple ios 7 unterstützt Central/Peripheral sowie Observer/Broadcaster Beispiele BLE Methoden scanforperipheralswithservices:options: 31

32 ios Reference Documents ios Developer Library https://developer.apple.com/library/ios/documentation/networkinginternetweb/c onceptual/corebluetooth_concepts/aboutcorebluetooth/introduction.html 32

33 App-Entwicklung Windows Windows IDE: Visual Studio 2013 (Windows 8.1) C++, C#, VB, JavaScript Windows (Phone) Store, Developer Account 90 CHF (Firma) Windows 8.1 / Windows RT 8.1 / Windows Phone 8.1 Keine APIs für BLE Device Discovery und Pairing Muss vorgängig über OS Settings erfolgen Nur Central Role (GATT Client) Windows Dev Center Windows 10?? 33

34 Praktische Erfahrungen Entwicklungshilfe Sniffer Aufzeichnen aller Protokollbits einer Verbindung z.b. mit 'CC2540 USB Dongle' von Texas Instruments und zugehöriger PC Software 34

35 Praktische Erfahrungen Erreichbare Datenraten Nominal 1 Mbit/s Protokoll erlaubt bis zu 230 kbit/s Payload Von Evaboard zu Evaboard bis 180 kbit/s gemessen Android kurze CI möglich 60 kbit/s ungleiche Datenraten Beispiel N = 5 ios erlaubt keine kurzen CI 30 kbit/s Peak gleichzeitig auf bis zu 5 Verbindungen erreichbar Connection Interval (CI) [ms] erreichte Datenrate Peripheral zu Central [kbit/s] N: Anzahl gleichzeitiger Verbindungen Nexus 7 Android ipad3 ios N=1 N=5 N=1 N= Messungen mit TI Keyfobs 35

36 Praktische Erfahrungen Energieverbrauch Beispiel Erreichbarkeit kostet viel Energie Advertising pro Intervall 20 nwh auf 3 Kanälen 400 Byte Daten (P -> C) 360 nwh mit Discovery CRC V = 675 mwh entspricht 400 Tage Advertising bei 1s Intervall oder 2 Millionen Mal Daten übertragen Advertising GATT Discovery Data (notification) Leistung Peripheral 36

37 Zertifizierung Regionale Regulatorische Anforderungen Funk Europa (CE) EN Data transmission equipment operating in the 2,4 GHz ISM band and using wide band modulation techniques EMV Europa (CE) EN &17 ElectroMagnetic Compatibility (EMC) standard for radio equipment and services Diverse andere Funk und EMV Standards für USA, Kanada, Japan, South Korea, Australien, China Plus Sicherheitsanforderungen 37

38 Zertifizierung Bluetooth SIG Qualifikation Basierend auf Referenzdesign und Profile eines Herstellers source: 38

39 Zertifizierung Bluetooth SIG Qualifikation erlaubt Tragen des Bluetooth Logos Bedingung Firmenmitgliedschaft bei Bluetooth SIG Adopter Gebührenfrei erlaubt Registrierung einzelner Mitarbeiter Zugang zu technischen Infos Associate 7'500 USD bis 100 M USD Firmenumsatz Listing Fee (Declaration ID) 8'000 USD Adopter 4'000 USD Associate 2'500 USD für Umsätze kleiner als 1M USD Qualification and Listing Process https://www.bluetooth.org/en-us/test-qualification/qualification-overview/listingprocess-updates 39

40 Schlussfolgerung BLE Verbindungslos Broadcaster - Observer Verbindung (Sterntopologie) Central - Peripheral Peripherals / Broadcaster ultra low power und low cost Central / Observer mehr Speicher und Energie; Riesige Verbreitung in Smart Phones Einfaches Client Server Protokoll zustandslos peripheral Einfache, atomare Services Baublöcke für aufwendigere Anwendungen (Profiles) central 40

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