目前有兩個應用領域引起市場越來越濃厚的興趣——安全的頻外(OoB)配對,以及基於BLE物聯網(IoT)系統概念的近場應用。本文將針對這兩個領域進行探討,同時思考如何利用最新的半導體技術和支援工具簡化這兩個領域應用的建置。

藍牙低功耗技術&近場通訊

藍牙低功耗(BLE)技術是專為IoT開發的節能、友善應用版藍牙技術。藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)改善其低功耗技術,於2014年12月發佈了BT 4.2版,新增特點包括增強的資料加密性、支援網際網路協定(IP)以及較4.1版更快的速度。功能進一步增強的Bluetooth 5預計也將在2016年底推出。

傳統藍牙的優點在於通訊範圍、普遍性和低建置成本。BLE明顯提供了更低的功耗,對於主導IoT並以鈕扣電池供電的行動和穿戴式平台而言,這無疑是非常理想的解決方案。

諸如智慧型手機等現代裝置均已採用BLE技術作為標準配備。此外,也逐漸加入了NFC技術。NFC的應用領域包括支付、門禁,以及攸關安全而採用藍牙通訊可能會被第三方惡意攔截的領域,這就是所謂的「中間人」(Man in the middle,MITM)現象。

NFC提供了與藍牙非常不同的無線通訊途徑。首先,NFC涉及的距離最多為100mm。其次,可進行傳輸的資料量和類型有限且受到高度控制,具體取決於所嵌入的NFC安全方案。相形之下,藍牙可以傳輸距離達100m範圍內的各種資料類型。

OoB提供安全配對

結合NFC的安全性以及藍牙的開放式通訊,將帶來實質的好處。藍牙採用AES-128加密,能有效地防止竊聽或解密所截獲的封包。然而,利用NFC改善配對等活動,將同時提高安全性和使用便利性。

由於NFC要求裝置處於接近的位置,因而避免了MITM的問題,以及防止未經用戶認可或允許的裝置連接。其具體方法是傳送用於配對資訊的安全金鑰,即所謂的OoB配對,而且只在有限的NFC範圍內進行。NFC配對簡單且直接,通常只需將兩個裝置短暫接觸即可完成。

NFC標籤降低IoT功耗

例如,每隔幾週或幾個月進行人工讀取的智慧電錶。電錶的連接電路可能保持完全斷電狀態,直到操作人員將NFC讀取器或啟用NFC的行動裝置靠近‘標籤’時才通電。喚醒電錶的初始能量由NFC天線提供,意即BLE裝置可能一直處於深度睡眠模式,以確保盡可能降至最低功耗,因為在無需長時間操作的情況下,BLE IoT節點並不會檢查通訊請求‘廣播’。而當建立讀取裝置的可信度後,便可使用BLE建立連接。

OoB配對實作

雖然,這個操作過程給人的第一個感覺是可能很複雜,但事實上,配對和通訊相當簡單直觀。而且,NFC和藍牙都各自「發揮其優勢」。

首先,行動裝置放在靠近NFC裝置附近,例如,將智慧型手機或平板電腦輕觸一下支付終端或印表機(如果是在辦公環境中)。舉例來說,在配備東芝(Toshiba) TC35670 BLE + NFC標籤晶片的裝置中,由行動裝置中NFC天線而來的電能將‘喚醒’固定裝置,並透過NFC安全地傳送其藍牙認證。

當行動裝置偵測到周圍出現固定裝置時,即透過NFC發出配對請求。使用者就不必檢查並輸入數字串以確認配對中的裝置是否正確。這種安全傳輸機制防止安全密鑰被‘中間人’不經意或惡意地攔截。

配對完成後,兩個裝置就可以開始進行AES-128加密的安全藍牙通訊,以實現資料的傳輸。行動終端可能會根據NFC資料內容啟用應用程式。

20161118 Toshiba TA31P1 *圖1:結合BLE和NFC的設計,採用了東芝TC35670 BLC+NFC標籤晶片、藍牙和NFC天線 *

新的衍變應用:Beacon

使用NFC的近場偵測功能,然後透過BLE安全地傳輸資訊,可以衍生出全新的應用,其中之一就是信標(Beacon)。Beacon具有極低功率、低複雜度,而且能為近場裝置(以及使用者)提供簡單的資料。Beacon可用於推廣、導航、建築物管理和資產管理等眾多室內應用領域。當Beacon完成定位後,附近的應用程式(App)使用者在開啟該App時將從發送的微定位通知獲益。

20161118 Toshiba TA31P2 圖2:Beacon可實現定位行銷以及許多其它有價值的商業用途

一般而言,Beacon是極低功率的裝置,通常由小型的鈕扣電池供電,且必須能連續使用數週、數月甚至是數年的時間。在零售店內,客戶可經由App選擇特定商品並取得引導而直接找到商品,或者是向客戶推送店中的特價商品。在雜貨店內,Beacon可指引客戶以最有效率的方式獲取清單上的物品。而在商業環境中,配備Beacon的資產可以輕鬆進行追蹤或定位,從而實現安全高效率的作業和維護。

Beacon應用幾乎是無限制的。行銷團隊每天都夢想著開發出使用這種技術的新方法。例如,在體育場或大型劇院中,Beacon可以引導消費者找到座位或場館內的任何位置。潛在的應用還包括支援銷售服務,例如提供相關的商品和促銷推廣活動,以及協助購買商品的退稅流程等。

BLE和NFC提供了新應用的可能性。Beacon通常是簡單發佈URL或位置等資訊的單向裝置。然而,另一種應用場景可以是透過BLE空中更新Beacon的軟體和內容、透過NFC配對機制進行觸發和保護。透過NFC標籤連接至Beacon的步驟比透過藍牙配對更簡單,同時,由於得以阻擋安全資訊被截取,而使其更具潛在安全性。

Beacon技術的發展與落實

正如大多數的新興技術一樣,快速向市場提供功能硬體和軟體的競賽也正展開中,其目標是在使用者採納新技術的早期階段迅速搶攻市佔率。其中最大的挑戰之一是許多工程團隊在建置新技術時所面臨的陡峭學習曲線。

為了協助設計團隊快速向市場提供功能完整的Beacon技術,最新的半導體技術以及支援工具有助於簡化設計建置。例如東芝基於超低功耗BLE IC (TC35667)和BLE + NFC結合標籤晶片(TC35670)的參考設計。該參考設計是尺寸僅17mm x20mm的小型模組,其中包括TC35667FTG、振盪器、EEPROM、內建天線以及1.27mm間距的測試連接。使用TC35670時,也提供對於外部NFC天線的連接。而在廣播時,其峰值功耗只有5.9mA;深度睡眠模式的模組功耗極低,僅為0.1μA。平均功耗則取決於所選擇的廣播週期。在1秒週期時,其典型平均功耗不超過30uA。

20161118 Toshiba TA31P3 圖3:基於TC35667FTG的開發套件,尺寸約17mm x 20mm

該參考設計套件提供了各種以客戶為導向的選擇。其中包括為應用程式改變IC以支援BT 4.1(TC35676)或BT 4.2(TC35678),以及內建快閃記憶體(以取代外部EEPROM)。同時提供了全面的支援和檔案記錄,包括原理圖、物料清單、佈局指南、Gerber檔案和天線方向圖等。此外,還提供了模組化解決方案以及編程開發套件等。

東芝還提供了藍牙軟體開發套件(SDK),該完整的解決方案簡化了東芝藍牙LSI的使用,同時也顯著縮短了上市時間。它可支援多個晶片組和平台,包括基於主機的獨立式BLE系統、SPPover BLE設定檔、BLE + NFC組合功能。軟體API支援BLE GATT伺服器和用戶端,以及GAP中心&週邊功能。

20161118 Toshiba TA31P4 圖4:SDK是基於現有技術的多功能工具

如今無需進行太多設計任務,即可完成Beacon的配置以搭配任何標準。設計者簡單規定了資料陣列中的資料格式,然後編製一個單獨的函式呼叫程式以配置信標。接著編譯標準C++除錯環境、執行SDK程式碼,最後即可執行該Beacon技術。例如透過結合東芝的SDK,即可輕鬆地整合任何可用的Beacon標準,包括蘋果(Apple)的iBeacon、Radius Networks的AltBeacon,以及Google Eddystone等。