Для передачи и приема данных необходима энергия, поэтому поднимают скорость передачи данных, что бы в единицу времени успеть передать больше информации. Для этого в BLE принята скорость передачи информации в 1 Mbit/c. Однако не только скорость передачи данных важна. Самым важным в BLE является то, что устройства связи умеют переходить в синхронный режим работы. Другими словами, устройства спят 99% времени, потом просыпаются на очень короткое время, обмениваются информацией и опять засыпают. Однако перед тем как войти в этот режим, необходимо пройти процедуру синхронизации. Для этого существует режим «advertising». Его мы рассмотрим позднее. А перед тем как погрузится в описание протокола BLE, хотелось бы затронуть тему инструментальных средств, для работы с протоколом BLE.
Сначала вкратце поговорим о том, как пользоваться нашими инструментами. Вставим в разъем USB наш донгл и запустим программу ble_sniffer_win. Мы увидим следующее окно.
У сниффера есть два режима работы. Если мы нажмем кнопку «w» на клавиатуре, то запустится программа «Wireshark». Сниффер будет сканировать три рекламных канала и выдавать информацию обо всех устройствах объявления. Если мы сначала нажмем цифру на клавиатуре, такую же, как напротив интересующего нас устройства, то включится другой режим работы. В нем сниффер будет отслеживать трафик только одного выбранного устройства, причем как на каналах объявления, так и на рабочих каналах
Рассмотрим теперь формат блока данных PDU. В самом начале пакета PDU идет заголовок длинной 16 бит. В нем содержится тип пакета, флаги TxAdd, RxAdd, а так же длина всего поля PDU в байтах. RFU – это зарезервированные поля. Для спецификации 4.0 это выглядит так:
ADV_NONCONN_IND – рекламные пакеты, которые рассылают не присоединяемые устройства. Это маяки (beacon). Обычно они служат для получения какой-либо справочной информации. Например, при входе в магазин могут информировать об акциях. Кроме того, измеряя уровень сигналов от маяков и зная карту их расположения, можно осуществить автоматическое позиционирование внутри помещений. Это актуально для автоматизированных складов.
SCAN_REQ, SCAN_RSP, CONNECT_REQ – пакеты, которыми обмениваются присоединяемое устройство и телефон в процессе установления синхронного соединения. Эти пакеты и сам процесс присоединения мы рассмотрим во второй части статьи.
ADV_SCAN_IND – эти пакеты рассылает не присоединяемое устройство, которое может предоставить дополнительную информацию в ответ на запрос при сканировании.
Во второй части статьи мы рассмотрим различные режимы работы BLE устройств, а так же механизм «присоединения» устройства к телефону и переход на рабочие частоты.
Печерских Владимир
Теги:
Провода, связывающие клавиатуру и компьютер, плеер и наушники, ноутбук и принтер, гарнитуру и мобильный телефон, теряют свою актуальность. Причем прямая видимость вовсе не является обязательным условием успешного соединения. Для связи двух устройств между собой достаточно, чтобы оба устройства имели встроенный Bluetooth-модуль или возможность подключения дополнительного модуля.
Bluetooth повсеместно используется для подключения периферийных устройств (он встраивается в смартфоны, телефоны, КПК, планшеты, навигаторы, ноутбуки, принтеры, наушники, мыши, клавиатуры и т.д.) и передачи небольших объемов информации (например, по Bluetooth вы запросто можете перекинуть в телефон друга мелодию или картинку). По сравнению с Wi-Fi Bluetooth потребляет гораздо меньше электроэнергии, но при этом и скорость его в десятки раз меньше
Bluetooth 1.0/1.1
Bluetooth 1.0/1.1 - разработан в 1998 году. Скорость первой версии стандарта была небольшой и составляла всего 150 Кбит/с (Bluetooth 1.0/1.1).
Bluetooth 2.0
Bluetooth 2.0 является эволюционным развитием стандарта 1.0/1.1, в результате которого значительно увеличилась скорость соединения (до 3 Мбит/с ) и повысилось энергосбережение. На сегодняшний день Bluetooth 2.0 является самым распространённым стандартом. Он используется в беспроводных гарнитурах, наушниках, клавиатурах и мышках, сотовых телефонах, смартфонах, ноутбуках и т.д.
Bluetooth 3.0
Для увеличения скорости передачи данных в 2009 году был принят стандарт Bluetooth 3.0, который сочетает в себе технологии Bluetooth и Wi-Fi . Bluetooth 3.0 позволяет работать в двух радиорежимах: в одном передача данных осуществляется со скоростью до 3 Мбит/с (как и у Bluetooth 2.0) и характеризуется пониженным энергопотреблением (что позволяет значительно экономить электроэнергию и увеличивать время работы мобильного устройства без дополнительной подзарядки), во втором скорость передачи достигает 24 Мбит/с , но значительно увеличивается энергопотребление. Выбор режима работы происходит автоматически в зависимости от размера передаваемого файла. Для передачи небольших файлов используется медленный канал, для больших – быстрый.
Важно помнить, что хотя Bluetooth 3.0 и использует технологию Wi-Fi стандарта 802.11, с Wi-Fi 802.11b/g/n он несовместим!
Bluetooth 4.0
Bluetooth 4.0 как стандарт был принят в июне 2010 года. Отличительной особенностью версии 4.0 является режим сверхнизкого энергопотребления и стабильная работа на расстоянии до 100 м. В первую очередь Bluetooth 4.0 рассчитан на использование в разнообразных миниатюрных датчиках, которые смогут работать до нескольких лет от одной батарейки. Особенность состоит в том, что в датчиках Bluetooth активируется только в момент приема/передачи информации. Для остальных устройств (телефоны, смартфоны, планшеты, ноутбуки) Bluetooth доступен для использования в классическом понимании – передача файлов, обмен фотографиями и музыкой, пересылка контактов. При этом максимальная скорость, как и в спецификации Bluetooth 3.0, составляет 24 Мбит/с .
Для удобства пользователей, введены два новых понятия: Bluetooth SMART и Bluetooth SMART READY .
Технология Bluetooth энергично пробивает себе место в сфере интернета вещей. Часть этой технологии, именуемая Bluetooth LE (Bluetooth Low Energy , она же Bluetooth Smart , она же BLE ) прямо позиционирует себя как идеальный выбор для IoT (Internet of things ). Трудно не согласится. BLE уже умеет маршрутизировать Internеt трафик, определять координаты в помещениях, подключать промышленные программируемые логические контроллеры, поддерживать WEB серверы, подключать весы, термометры, пульсометры, оксиметры, тонометры и массу других вещей. C BLE автоматически решается множество проблем присущих решениям с использованием Wi-Fi . Недолго осталось до момента, когда устройства с BLE смогут организовываться в MESH сети , по технологии схожей с ZigBee . Это уже отражено в спецификации Bluetooth 5.0
Поэтому при разработке своего IoT модуля я безусловное предпочтение отдал именно BLE в противоположность использованию Wi-Fi . Периферийную часть сети BLE я буду рассматривать на примере отладочного модуля K66BLEZ .
Здесь я хотел бы описать свой маршрут разработки от почти полного неведения о BLE до выпуска серийного изделия.
Знакомство с модулем K66BLEZ1
было начато в этих статьях:
Модуль K66BLEZ
в качестве приемо-передатчика BLE
использует чип MKW40Z160 (48 MHz Cortex-M0+, 160 KB Flash, 20 KB RAM
) производства копании NXP
. Чип интересен тем, что наряду с BLE может работать и как приемо-передатчик сигналов стандарта 802.15.4
. А стандарт 802.15.4
, как известно, является несущей в технологии ZigBee
. Непосредственно стек ZigBee
для MKW40Z
не выпущен, но уже предлагается фирмваре где 802.15.4
работает одновременно с BLE
.
Схема части модуля с чипом BLE приведена ниже.
(Кликнуть для увеличения)
На смену чипу MKW40 уже есть чип MKW41 с объёмом RAM 128 кБ, объёмом Flash 512 кБ и поддержкой всех популярных протоколов: BLE 4.2, BLE Mesh, ZigBee, Thread, IPv6 6LoBLE . На новый чип пока нет открытой документации, но он обещает быть pin совместимым с MKW40.
BLE чип MKW40 на модуле соединяется с главным микроконтроллером MK66 интерфейсами SPI и I2C. Интерфейс I2C также соединяет чип с микросхемой зарядника. Главный канал связи реализован на интерфейсе SPI со битовой скоростью 6 Мбит/сек.
Отладка программы в чипе MKW40 может выполняться через SWD интерфейс с помощью JTAG адаптера и через отладочный интерфейс UART0 также выведенный на разъем отладчика X4.
Фирма NXP предоставляет более двух десятков примеров реализации различных приложений на чипе MKW40 среди которых: измерители давления, уровня глюкозы, температуры, датчики приближения, измерители частоты сердечных сокращений и т.д. Есть приложения для беспроводного UART и беспроводного загрузчика.
Мной был проделан глубокий рефакторинг фреймворка от NXP для этих чипов и созданы новые профили с демонстрационными программами на Windows PC не требующими отдельного адаптера на стороне PC. Но об этом позже.
Bluetooth LE трудно изучать. Причина - объёмная спецификация и большое количество её кратких пересказов в документации производителей, сразу начинающихся с непривычной терминологии. Поэтому начнём с неё.
Кроме этого предлагается пакет nrf5 IoT SDK . В него входят исходники протоколов MQTT, COAP, TLS (взятый из проекта MBED), cJSON, lwip (свободный стек протоколов TCP/IPv4/IPv6), интерфейс сокетов, адаптер к IPv6. Есть и 6LoWPAN , но без исходных текстов.
Три частоты (на рисунке выше обозначены номерами каналов 37,38,39) выделены для широковещательных безадресных посылок, а остальные для передачи пакетов при установлении логических каналов связи между устройствами. Известной особенностью Bluetooth является то, что при передаче пакетов каждый следующий пакет передаётся на другой частоте выбираемой псевдослучайно из списка разрешённых.
Все данные в пакетах BLE могут шифроваться и удостоверяться. Также применяются динамическая случайная генерация адресов устройств и их идентификация с использование хеширования, т.е. перехватив в эфире адрес устройства мы не сможем его использовать дольше 15 мин, поскольку адрес за это время изменится по неизвестному для нас алгоритму.
Модули BLE могут работать как однонаправленные передатчики, т.е. без установки двунаправленного соединения, просто транслировать в эфир какие-то данные в форме пакетов объявлений, например, температуру. Для этого может использоваться тип данных в Advertising
пакетах обозначенный как Manufacturer Specific Data
. Компьютер или планшет могут принимать данные с сотен таких передатчиков без лишних предварительных действий по поиску, установлению соединения, вводу пинкода и проч.
Другой возможностью передать данные без установки канала связи является передача в режиме запрос-ответ (запрос - пакет ScanRequest
, ответ модуля - пакет ScanResponce
). Этим BLE
существенно отличаются от Wi-Fi
, где даже для простейшего термометра надо устанавливать соединение, отнимающее ресурсы роутера.
Большинство существующих устройств пока поддерживают версию BLE 4.1, несмотря на существование версии 4.2.
Все отличия версии 4.2 от предыдущей касаются именно улучшений в части BLE: увеличение скорости, возможность передачи IP протокола и HTTP трафика, усиление криптографической защиты и неопознаваемости для внешних наблюдателей.
Важной особенностью BLE по сравнению с Wi-Fi является специфицирование не только канала связи, но и самих прикладных приложений его использующих. Это называется профилями и сервисами. Профили с сервисами описывают роли устройств, предназначение данных, состав и формат данных, защиту данных, порядок, типы и события обмена, а не только то, как передаются данные. Это позволяет не изобретать велосипед из протоколов при разработке, например, датчика температуры тела или измерителя пульса. Спецификации уже даны, остаётся на стороне устройства только заполнить нужные поля для отправки результатов измерений. Клиенты таких устройств в виде смартфонов, планшетов, ПК или кухонной техники распознают эти данные автоматически и отобразят их или используют соответствующим образом. Все благодаря тому, что все производители руководствуются одними и теми же спецификациями BLE по поводу того, как представлены данные о температуре или пульсе и как с ними работать. Но остаётся место и для фантазии разработчика, так как профили имеют механизмы для расширений функциональности.
Ниже приведена грубая иерархия атрибутов в BLE устройстве.
(Кликнуть для увеличения)
Ниже чуть более подробное типовое дерево атрибутов. Это не полное дерево, большинство опущено поскольку заняло бы слишком много места. Цветами выделяются уровни дерева, каждый атрибут имеет уникальный номер - UUID. Запись стандартных номеров сокращается до 16-и бит. На данном рисунке все номера стандартные. Профили GAP и GATT тоже представлены как сервисы со своими стандартными характеристиками. У каждого сервиса может быть своя модель защиты и авторизация. Все дерево целиком в устройстве хранится как база данных называемая базой GATT, обычно в виде простой таблицы с перекрёстными ссылками.
BLE это серьёзная технология, поэтому многое сделано для обеспечения безопасности и максимальной формализации, что должно в свою очередь облегчить достижение совместимости.
Обмен данными между BLE устройствами производится записью и чтением значений характеристик. Потоковых каналов таких как TCP или UART здесь нет. А если устройства их имеют, то значит их организуют программные надстройки более высокого уровня.
На сайте главной организации стандартизации - Bluetooth SIG предлагаются следующие полезные инструменты:
Другим результатом работы инструмента может быть исходный код для устройства работающий с базой данных BLE
. Но для этого пользователю нужно написать свой плагин на JavaScript
. Программа же предоставит плагину пользователя доступ к базе данных через специальное API
на JavaScript
.
Есть , формирующих на выходе различные исходные текстовые файлы пригодные для компилирования в средах и программных фреймворках сторонних производителей.
Для решений на основе фреймворка NXP Kinetis KW40Z Connectivity Software плагинов пока нет.
Выше приведён скриншот единственного демонстрационного приложения для Windows - BLEServiceBrowser .
При работе с адаптерами также есть ограничения в анализе, вызванные шифрованием трафика в BLE.
Однако даже от триальной версии программы можно получить много пользы. Программа сопровождается демонстрационными записями перехватов обмена реальных устройств. Эти записи после загрузки в программу дают подробнейшую картину работы всего стека протоколов BLE. Просмотр одного такого перехвата заменяет изучение всей спецификации Bluetooth.
На скриншоте ниже виден поток принимаемых пакетов адвертайзинга. Хорошо заметна неравномерность интервалов времени приема пакетов. Это говорит о значительных потерях пакетов. Интервал адвертайзинга у BLE устройства был установлен равным 20 мс.
Скриншоте ниже показывает представление BLE устройства в окне Bus Hound после пайринга с PC. Для каждого сервиса устройства после пайринга появляется свой логический канала связи. Здесь же можно увидеть UUID устройства и сервисов.
Сниффер разработан фирмой NXP (вернее бывшей Freescale) и его можно недорого приобрести в популярных on-line магазинах радиодеталей: Mouser, Digi-Key, Farnell… Он предлагается фирмой NXP как инструмент наблюдения за радио-пакетами, посылаемыми BLE устройствами.
С помощью этого устройства можно изучать структуру пакетов, вести их запись в лог, анализировать плотность трафика. Схема снифера открыта для изучения, однако программа микроконтроллера поставляется в виде двоичного файла. Сниффер позволяет фильтровать пакеты по значению адреса.
Скачать программное обеспечение для PC к снифферу можно по следующему поисковому запросу на сайте www.nxp.com - Kinetis_Protocol_Analyzer_Adapter.exe
Поскольку сниффер кроме основной функции может быть ещё и отладочной платформой для разных приложений, то к нему прилагаются бинарные файлы базовой прошивки, с помощью которых можно восстановить функциональность снифера после экспериментов. Файлы идут с пакетом KW40Z Connectivity Software , который скачивается с сайта www.nxp.com по поисковому запросу KW40Z_Connectivity_Software. Файлы будут называться Sniffer_processing_core_usbkw40z_k22f.bin (для микроконтроллера MK22FN512 на плате сниффера) и Sniffer_radio_core_usbkw40z_kw40z.bin (для микроконтроллера MKW40Z на плате сниффера). Файлы программируются с помощью SWD отладчиков: JLink, STLink, OpenSDA…
Со стороны ПК устройство воспринимается как композитное USB устройство с одним COM портом и одним отладочным портом согласно спецификации, OpenSDA с прошивкой CMSIS-DAP. Таким образом в среде IAR можно свободно программировать и отлаживать чип MKW40Z снифера используя другой его чип MK22FN512 в качестве носителя функциональности отладочного адаптера. Но оба чипа на плате имеют стандартные разъёмы SWD для внешнего отладочного адаптера.
Сниффер не гарантирует приём всех пакетов, передающихся в эфире. Его легко зафлудить, после чего он перестаёт принимать какие-либо пакеты, поэтому рекомендуется включать фильтрацию по адресу, чтобы получать только пакеты от интересующего узла с достаточно редким трафиком.
Ниже показано окно программы анализатора пакетов. В окне включён перехват по всем трём каналам:
При инсталляции ПО анализатора на ПК, оно создаёт виртуальный Ethernet адаптер, который конвертирует пакеты, снятые через виртуальный COM порт снифера в вид Ethernet пакетов. В моем случае такой виртуальный адаптер автоматически получил незатейливое название - Ethernet.
Чтобы увидеть пакеты дополнительно нужно инсталлировать программу сниффер Ethernet пакетов Wireshark.
Добавить метки
В индустрии хайтека очень важно, чтобы пользователь понимал преимущества тех или иных технологий. Простой пример - Wi-Fi 802.11n. Благодаря умелому маркетингу производителям удалось донести до клиентов, что устройства стандарта 802.11n передают данные быстрее своих предшественников. И этого достаточно - увидев магическую букву “n” на коробке с роутером, счастливый покупатель его с руками оторвёт. С технологией Wi-Fi разобрались, переходим к Bluetooth .
Что такое Bluetooth 4.0, о котором мы так часто говорим в последнее время? Дойдя до этого вопроса, любознательные полезут за ответом в Википедию. И будут правы, но это совсем не то, чего хотят производители. Им нужно обеспечить узнаваемость технологии. Им хочется, чтобы вы прыгали от восторга, увидев новую версию Bluetooth в списке характеристик очередного iPhone. Что мешает? Мешают, как ни странно, цифры. “Четыре ноль”, “два один” - для пользователя всё едино. Пользователь скажет: “Моя гарнитура работает с любым телефоном, какая мне разница, что там за версия?”
А ведь смысл-то в том, что Bluetooth 4.0 разрабатывался вовсе не под гарнитуры. Он хорош для небольших электронных датчиков: спортивных, медицинских и многих других. Иными словами, четвёртая версия - это не совсем общепринятый Bluetooth, это другая технология, другая по своей направленности . С её названием Bluetooth Special Interest Group (сокращённо Bluetooth SIG) села в лужу. Если уж разрабатываете что-то инновационное, не ставьте новинку в один ряд с привычными понятиями. Придумайте новое название.
Что Bluetooth SIG и сделали! Встречаем Bluetooth Smart . Ничего нового, это просто имя для технологий, заложенных в стандарт Bluetooth 4.0.
Устройства Bluetooth Smart предназначены для сбора определённых видов информации (Все ли окна в моём доме закрыты? Каков мой уровень инсулина? Сколько я сегодня вешу?) и их отправки на совместимое устройство.
Среди основных примеров - кардиомониторы, глюкометры, “умные” часы, датчики безопасности для окон и дверей, брелки автомобильной сигнализации, тонометры… Возможности применения безграничны.
Из официального пресс-релиза Bluetooth Smart
Таким образом, через годик-другой вы сможете напичкать свой дом, свои вещи и самого себя разнообразными датчиками, которые будут дружно посылать информацию на ваше устройство. Благодаря энергосберегающим алгоритмам четвёртого Bluetooth любой такой датчик проработает долгие годы от одной-единственной батарейки. Вы сможете спросить у Siri: “Закрыта ли моя машина?” - и она вам ответит!
В ассоциации Bluetooth SIG состоят несколько крупных производителей, но из всех них только Apple активно внедряет чипы Bluetooth 4.0 в свои устройства. Первыми двумя “ласточками” стали летние . Теперь подоспел ещё . А вот линейку MacBook Pro, несмотря на вчерашний , пока оставили “за бортом”. Заменить процессоры при неизменной структуре чипсета - это одно дело. Внедрить новую технологию - совсем другое. [macrumors ]
сайт В индустрии хайтека очень важно, чтобы пользователь понимал преимущества тех или иных технологий. Простой пример - Wi-Fi 802.11n. Благодаря умелому маркетингу производителям удалось донести до клиентов, что устройства стандарта 802.11n передают данные быстрее своих предшественников. И этого достаточно - увидев магическую букву “n” на коробке с роутером, счастливый покупатель его с руками оторвёт. С технологией...
Провода, связывающие клавиатуру и компьютер, плеер и наушники, ноутбук и принтер, гарнитуру и мобильный телефон, теряют свою актуальность. Причем прямая видимость вовсе не является обязательным условием успешного соединения. Для связи двух устройств между собой достаточно, чтобы оба устройства имели встроенный Bluetooth-модуль или возможность подключения дополнительного модуля.
Bluetooth повсеместно используется для подключения периферийных устройств (он встраивается в смартфоны, телефоны, КПК, планшеты, навигаторы, ноутбуки, принтеры, наушники, мыши, клавиатуры и т.д.) и передачи небольших объемов информации (например, по Bluetooth вы запросто можете перекинуть в телефон друга мелодию или картинку). По сравнению с Wi-Fi Bluetooth потребляет гораздо меньше электроэнергии, но при этом и скорость его в десятки раз меньше
Bluetooth 1.0/1.1
Bluetooth 1.0/1.1 - разработан в 1998 году. Скорость первой версии стандарта была небольшой и составляла всего 150 Кбит/с (Bluetooth 1.0/1.1).
Bluetooth 2.0
Bluetooth 2.0 является эволюционным развитием стандарта 1.0/1.1, в результате которого значительно увеличилась скорость соединения (до 3 Мбит/с ) и повысилось энергосбережение. На сегодняшний день Bluetooth 2.0 является самым распространённым стандартом. Он используется в беспроводных гарнитурах, наушниках, клавиатурах и мышках, сотовых телефонах, смартфонах, ноутбуках и т.д.
Bluetooth 3.0
Для увеличения скорости передачи данных в 2009 году был принят стандарт Bluetooth 3.0, который сочетает в себе технологии Bluetooth и Wi-Fi . Bluetooth 3.0 позволяет работать в двух радиорежимах: в одном передача данных осуществляется со скоростью до 3 Мбит/с (как и у Bluetooth 2.0) и характеризуется пониженным энергопотреблением (что позволяет значительно экономить электроэнергию и увеличивать время работы мобильного устройства без дополнительной подзарядки), во втором скорость передачи достигает 24 Мбит/с , но значительно увеличивается энергопотребление. Выбор режима работы происходит автоматически в зависимости от размера передаваемого файла. Для передачи небольших файлов используется медленный канал, для больших – быстрый.
Важно помнить, что хотя Bluetooth 3.0 и использует технологию Wi-Fi стандарта 802.11, с Wi-Fi 802.11b/g/n он несовместим!
Bluetooth 4.0
Bluetooth 4.0 как стандарт был принят в июне 2010 года. Отличительной особенностью версии 4.0 является режим сверхнизкого энергопотребления и стабильная работа на расстоянии до 100 м. В первую очередь Bluetooth 4.0 рассчитан на использование в разнообразных миниатюрных датчиках, которые смогут работать до нескольких лет от одной батарейки. Особенность состоит в том, что в датчиках Bluetooth активируется только в момент приема/передачи информации. Для остальных устройств (телефоны, смартфоны, планшеты, ноутбуки) Bluetooth доступен для использования в классическом понимании – передача файлов, обмен фотографиями и музыкой, пересылка контактов. При этом максимальная скорость, как и в спецификации Bluetooth 3.0, составляет 24 Мбит/с .
Для удобства пользователей, введены два новых понятия: Bluetooth SMART и Bluetooth SMART READY .