W wielu bezprzewodowych urządzeniach Internetu Przedmiotów kluczowym problemem jest obniżenie poboru mocy do minimum. Przykłady takich produktów to ubieralne urządzenia elektroniczne i czujniki zasilane z baterii lub wyposażone w samodzielne źródło zasilania. Najważniejsze obszary zastosowań Internetu przedmiotów (IoT) obejmują inteligentne mieszkania, zdalną opiekę zdrowotną, sprzedaż detaliczną, monitorowanie stanu otoczenia i śledzenie towarów. Aby umożliwić wykorzystanie tego typu urządzeń, muszą one być łatwe w obsłudze przez docelowego użytkownika i nie wymagać dodatkowego wyposażenia, takiego jak dedykowane bramy.
Niektóre technologie komunikacji bezprzewodowej, takie jak ZigBee, spełniają wymagania co do niskiego poboru mocy i zapewniają daleki zasięg oraz dostarczają profile przeznaczone do konkretnych zastosowań, takie jak ZigBee PRO lub ZigBee Home Automation (HA). Niestety, w tym przypadku podłączenie się z domeną użytkownika może być skompilowane i wymagać stosowania dodatkowych bram, które pozwolą użytkownikowi na interakcję za pomocą takiego urządzenia, jak zwykły smartfon lub tablet.
Bluetooth stanowi alternatywny standard ze swoimi atrakcyjnymi funkcjami, jednak nie sprawdził się dobrze w zastosowaniach IoT. Jego pobór mocy jest stosunkowo wysoki, szybkości transferu są za to wyższe, niż rzeczywiste potrzeby. Ponadto pierwsze specyfikacje Bluetooth były oparte na komunikacji punkt-punkt, nie umożliwiając komunikacji z wieloma urządzeniami jednocześnie.
Pojawienie się standardów Bluetooth Low Energy (BLE) w wersjach 4.0 / 4.1 / 4.2, które uzupełniły wersje BR oraz EDR (2.0 / 2.1), zmieniły postrzeganie Bluetooth w zastosowaniach IoT. W obsługę BLE jest wyposażony każdy smartfon, tablet, a nawet inteligentny zegarek wyprodukowany w roku 2012 lub później. Dzięki temu użytkownicy mogą łatwo i bezpośrednio nawiązywać interakcję z systemami IoT przy użyciu własnego urządzenia bez ograniczeń wynikających ze stosowania bramy.

Bluetooth podąża za wymaganiami IoT

Standardy BLE są przeznaczone do wymiany krótkich porcji informacji, pozwalając urządzeniom utrzymać pobór prądu na poziomie mikroamperów zamiast miliamperów, uzyskując przy tym większy zasięg komunikacji. Wersja Bluetooth 4.2 dodała ponadto nowe ważne funkcje, których celem jest w oczywisty sposób przystosowanie Bluetooth do realizacji urządzeń IoT.
Ważne funkcje wprowadzone w Bluetooth 4.2 obejmują profil obsługi protokołu internetu (IPSP), który pozwala urządzeniom na posiadanie własnego adresu IPv6. Dzięki temu mogą się one łączyć z Internetem bezpośrednio z urządzenia brzegowego bez potrzeby stosowania urządzeń pośrednich, takich jak smartfon pełniący rolę bramy lub koncentrator (hub). Umożliwienie urządzeniom Bluetooth wysyłania i odbioru pakietów IP dzięki ISPS sprawia, że mogą one komunikować się również z innymi urządzeniami, które nie obsługują Bluetooth, ale obsługują IP – na przykład z urządzeniami sieci 6LoWPAN. To znacząco zwiększa możliwości ich wykorzystania.
Ponadto standard ten zawiera wiele ważnych funkcji, które pozwalają urządzeniom korzystać z usług sieci internetowej przy użyciu standardowego protokołu HTTP. Funkcje te obejmują nowy interfejs aplikacji (API), dzięki którym użytkownik może bezpiecznie rozpoznać i wejść w interakcję z urządzeniami Bluetooth za pośrednictwem Internetu. Tymi urządzeniami mogą być na przykład czujniki lub układy wykonawcze inteligentnego domu, między innymi czujniki okienne lub zamki w drzwiach. Właściciel domu może rozpoznać te urządzenia, sprawdzić ich status i przeprowadzić ich regulację przy pomocy takich urządzeń jak ruter czy inteligentny telewizor. W ten sam sposób właściciel inteligentnego domu może kontrolować wszystkie urządzenia znajdujące się w obrębie domu za pomocą smartfonu, tabletu lub komputera PC z łącznością Bluetooth bez potrzeby wykorzystania dodatkowej bramy.
Nowa funkcjonalność HTTP Proxy Service (HPS) pozwala urządzeniom Bluetooth 4.2 pracować jako klienci HPS w celu współpracy z aplikacjami chmurowymi. W przypadku omawianego systemu inteligentnego domu czujniki Bluetooth 4.2 będą stanowić klientów HPS korzystających z usług HPS dostępnych w domowych ruterze, aby przesyłać dane do aplikacji chmurowej, na przykład usługi zarządzającej zużyciem energii (rys. 1).

Rys. 1. Urządzenia zgodne ze standardem Bluetooth 4.2 mogą wykorzystać funkcje HPS, aby przesłać dane bezpośrednio do chmury

Bluetooth 4.2 definiuje również większe rozmiary pakietów wiadomości, które pozwalają na uzyskanie szybkości transmisji do 2,5 raza większej, niż wcześniejsze wersje BLE.
Jednym z najbardziej kontrowersyjnych aspektów specyfikacji BLE jest obsługa beaconów, które korzystają z automatycznej interakcji między urządzeniami BLE. Beacony Bluetooth, które łączą się z telefonami komórkowymi pojawiającymi się w zasięgu, pozwalają na realizację takich aplikacji, jak lokalizacja, przekazywanie informacji o promocjach w sklepie lub śledzenie klienta poruszającego się na terenie sklepu w celach marketingowych. Również galeria czy muzeum sztuki może opublikować aplikację przeznaczoną do pobrania przez użytkowników, którzy dzięki niej będą automatycznie otrzymywać informację o każdym eksponacie w miarę poruszania się po wystawie.
W przypadku przedsiębiorstw beacony mogą być niezwykle użyteczne. Przykładowo, mogą służyć do wskazywania drogi osobom zwiedzającym dużą wystawę, szybko lokalizować sprzęty, które zostały przestawione, czy zgłaszać potrzebę obsługi technicznej urządzenia.

Bezpieczeństwo i prywatność

Możliwość śledzenia użytkowników smartfonów dzięki rozpoznawaniu urządzeń Bluetooth budzi wątpliwości z uwagi na ochronę prywatności. Jako odpowiedź na te zarzuty standard Bluetooth 4.2 wprowadził funkcje prywatności, która regularnie generuje nowy adres urządzenia przy użyciu bezpiecznego klucza kryptograficznego. Klucz ten jest znany zaufanym urządzeniom, dzięki czemu są one w stanie rozpoznać nowe adresy. W ten sposób użytkownik może zadecydować, kiedy pozwolić na śledzenie i wybrać na przykład pomiędzy korzyściami z otrzymywania ofert sprzedaży czy wskazówek na temat poruszania się a ochroną prywatności i zabezpieczeniem przed nieuzasadnionym niepokojeniem.
Nowa funkcja prywatności jest jedną z wielu funkcji bezpieczeństwa dostępnych w Bluetooth 4.2, które są zgodne z normami instytutu NIST lub zatwierdzone przez organizację FIPS. Wśród nich znajdują się również lepiej zabezpieczone techniki generacji klucza, szyfrowania i podpisywania danych, które eliminują luki w zabezpieczeniach wcześniejszych wersji BLE. Również proces parowania został udoskonalony w stosunku do modelu Secure Simple Pairing z Bluetooth 4.0 i 4.1 – dodano dodatkową metodę parowania, która wykorzystuje porównywanie liczb z szyfrowaniem za pomocą krzywych eliptycznych do wymiany klucza, zapewniając lepsze zabezpieczenie.
Połączenie zalet Bluetooth 4.2 z usprawnioną łącznością z Internetem i chmurą sprawia, że łączność Bluetooth dostępna powszechnie w smartfonach może stać się najczęściej stosowaną technologią Internetu Przedmiotów.

Potrzebny jest nowy sprzęt

Niektóre udoskonalenia wprowadzone w Bluetooth 4.2, takie jak funkcje zabezpieczeń, można dodać do istniejących produktów BLE poprzez aktualizację oprogramowania. Inne jednak, na przykład wyższa szybkość transmisji, wymagają również odpowiednich układów sprzętowych. Dostępnych jest obecnie wiele modułów Bluetooth 4.2, które pozwalają .szybko wdrożyć nowszy standard.
Moduły firmy Microchip RN4870 oraz RN4871 są kompletnymi i gotowymi do implementacji rozwiązaniami, które zawierają układ BLE IS187x Microchip wraz ze wszystkimi potrzebnymi dodatkowymi komponentami i zintegrowaną anteną (rys. 2). Układ scalony zawiera kontroler pasma podstawowego Bluetooth 4.2, stos protokołów Bluetooth 4.2, cyfrowe i analogowe wejścia/wyjścia i wzmacniacz mocy RF. Moduł łączy się z systemem hosta za pośrednictwem prostego interfejsu UART i wygodnego interfejsu aplikacji obsługiwanego komendami ASCII. Moduły NT4870/71 można zamówić w wersji z wbudowaną anteną ceramiczną lub w wersji nieekranowanej, która ma złącze dla zewnętrznej anteny. Oznacza to mniejszą zajmowaną powierzchnię w przypadku urządzeń o ograniczonych wymiarach.

Rys. 2. Ten moduł zapewnia komplet funkcji wymaganych przez łączność Bluetooth i łatwo łączy się z kontrolerem hosta

Alternatywnym modułem jest model BGM 113 od Silicon Labs oparty na układzie SoC EFR32BG, który zawiera mikrokontroler z rdzeniem ARM Cortex-M4. Pozwala on na uruchomienie aplikacji użytkownika bez wykorzystania zewnętrznego mikrokontrolera, co przekłada się na oszczędność powierzchni i kosztów urządzenia. Moduł zawiera ponadto wiele układów peryferyjnych, takich jak komparatory i przetwornik analogowo-cyfrowy, jak też interfejsy cyfrowe i wejścia GPIO pozwalające na podłączenie dodatkowych komponentów oraz czujników.

Podsumowanie
Standardy komunikacji bezprzewodowej potrzebowały pewnego czasu, aby dostosować się do gwałtownego rozwoju Internetu Przedmiotów w codziennych zastosowaniach. Wiele istniejących dotychczas standardów nie pozwala na wykorzystanie pełnego potencjału IoT w zastosowaniach użytkowych bądź komercyjnych. Ulepszenia i specjalne profile, takie jak ZigBee HA, są przykładami prób podejmowanych po to, aby wykorzystać szanse dawane przez szybko rozwijający się Internet Przedmiotów.

Bluetooth Low Energy ma zdecydowaną przewagę nad innymi standardami łączności bezprzewodowej, ponieważ oprócz niskiego poboru mocy, niewielkiej przepustowości i odpowiedniego zasięgu gwarantuje też dostępność w niemal wszystkich obecnie wykorzystywanych urządzeniach przenośnych. Dodatkowe zalety wprowadzone w wersji standardu Bluetooth 4.2 to łatwa łączność przez IP, ulepszone zabezpieczenia i ochrona prywatności, jak też szybsze transfery. Dzięki niemu Internet Przedmiotów jest w stanie wykorzystać w pełni swoje możliwości.