Das Internet der Dinge wird die traditionelle Nutzung des Internets durch Desktop-PCs und tragbare Geräte übertrumpfen. Derzeit sind mehr als elf Milliarden Geräte online. Das IoT könnte laut Goldman Sachs bis zum Jahr 2020 an die 28 Milliarden Dinge vernetzen, Cisco erwartet sogar 50 Milliarden Installationen. In Smart Homes, Smart Factories, Wearables und vernetzten oder gar autonomen Fahrzeugen wird die drahtlose Datenanbindung immer wichtiger.

Eckdaten

Bluetooth Smart wurde als besonders energieeffiziente Bluetooth-Variante entwickelt; doch viele IoT-Anwendungen haben ein Energiebudget, das den dauerhaften Einsatz von BLE verbietet. Hier hilft eine Kombination mit NFC: Das Device kann dauerhaft stromlos bleiben. Das NFC-Tag wartet auf einen Gegenstelle, die das Tag sogar mit Energie versorgt. Sie handeln per NFC die BT-Kopplungsdaten aus und erst dann weckt das NFC-Tag das restliche System auf. Mit dem TC35670 bietet Toshiba ein IC, das diese beiden Funktionen in einem Baustein vereint.

Für IP-adressierbare Anbindungen in der Nähe eines Internet-Backbones eignet sich Wi-Fi. Für lokalen Zugriff auf Sensoren und Aktoren am Rand des IoT (Edge Devices) sind andere Standards gefragt, etwa Bluetooth Low Energy (BLE; auch Bluetooth Smart genannt) oder Protokolle auf IEEE-802.15.4-Basis.

Die Bluetooth-Welt

Bluetooth-Standards haben sich längst in der Entwicklergemeinde etabliert und sind für Anwender leicht verständlich. Da praktisch jedes Smartphone auch Bluetooth unterstützt, steht ein Sensor-Hub beim Nutzer millionenfach und weltweit zur Verfügung. Dieser Hub im Smartphone eignet sich für verschiedene Consumer- oder professionelle Anwendungen und Smart-Building- oder Personal-Area-Netzwerke. Die Omnipräsenz von Bluetooth ist ein großer Vorteil: ABI Research geht davon aus, dass im Jahr 2014 an die drei Milliarden Bluetooth-Geräte ausgeliefert wurden. Bis zum Jahr 2018 soll diese Zahl auf jährlich 4,6 Milliarden steigen. Mobiltelefone machen davon nur noch die Hälfte aus, der Rest ist dem IoT-Zuwachs geschuldet.

Bluetooth Smart wurde als Version 4.0 eingeführt, bietet derzeit als Version 4.2 eine Reihe von Sicherheitsupdates und unterstützt IP-Protokolle. Es ist für die Anforderungen des IoT ausgelegt, vor allem wenn ein geringer Stromverbrauch und ein schneller Verbindungsaufbau gefordert sind, die Datenmengen aber klein bleiben. Bluetooth Smart optimierte dazu die Datenrate, die Paketlängen und die Verbindungs-/Trennungszeiten. Im Gegensatz zum klassischen Bluetooth kann BLE den Verbindungsaufbau und die Bereitschaft zur Datenübertragung des Geräts wesentlich schneller abschließen – im Millisekundenbereich.

Die Spezifikationen von Bluetooth Smart senken den Stromverbrauch von einigen Milliampere bei Classic Bluetooth auf wenige Mikroampere. Bluetooth-Smart-IoT-Knoten können über Monate oder Jahre mit einer Knopfzelle auskommen. Zu den gängigen Bluetooth-Smart-Anwendungen zählen Sensorknoten, die Messwerte übermitteln; intelligente Ventile in einer Fabrik, die Statusmeldungen senden; persönliche medizinische Geräte, die Vitalfunktionen eines Patienten aktualisieren; Biosensoren in Fitnessgeräten oder intelligenter Sportkleidung, die Daten über Aktivitäten oder die Herzfrequenz übertragen; oder vielleicht nur eine Tastatur, die Eingaben sendet.

Bild 1: Bluetooth-Smart-Ready-Geräte kommunizieren sowohl mit Bluetooth-Smart- als auch mit Classic-Bluetooth-Geräten.

Bild 1: Bluetooth-Smart-Ready-Geräte kommunizieren sowohl mit Bluetooth-Smart- als auch mit Classic-Bluetooth-Geräten. Toshiba

Smarte Devices

Geräte, die Bluetooth Low Energy unterstützen, werden von der Bluetooth Special Interest Group (SIG) als Bluetooth-Smart-Devices bezeichnet. Bluetooth-Smart-Ready-Geräte können sowohl Classic Bluetooth als auch Bluetooth Low Energy unterstützen. Dazu zählen Smartphones oder Tablets, die als Hubs fungieren und eine Verbindung zu Einrichtungen wie Sensoren aufbauen können (Bild 1), als auch einen Daten-Backbone oder ältere Geräte über Bluetooth Classic bedienen. Das künftige Bluetooth 5.0 soll höhere Datenraten über längere Strecken unterstützen, bei gleicher Stromaufnahme wie Bluetooth Smart.

Bluetooth-Smart- und Smart-Ready-Geräte lassen sich mit Modulen und kompakten ICs mit eingebautem und vorzertifiziertem Bluetooth-Stack recht einfach realisieren. Welcher Ansatz sich für ein Projekt besser eignet hängt zum Beispiel von der Schaltkreisgröße und der Zahl der Bauelemente ab, sowie vom Entwicklungs- und Zertifizierungsaufwand und der Time-to-Market.

Bild 2: Mithilfe von NFC (Near-Field Communication) lässt sich eine sichere Kopplung zwischen Geräten herstellen, die aus Benutzersicht sehr einfach abläuft.

Bild 2: Mithilfe von NFC (Near-Field Communication) lässt sich eine sichere Kopplung zwischen Geräten herstellen, die aus Benutzersicht sehr einfach abläuft. Toshiba

NFC für mehr Komfort und Sicherheit

Bluetooth Smart bietet AES-128-Verschlüsselung, die schon sehr sicher gegen das Abhören und Entschlüsseln abgefangener Datenpakete ist. Die Sicherheit und der Komfort lassen sich noch verbessern, wenn man NFC (Near-Field Communication) für die Kopplung einsetzt (Bild 2). NFC setzt voraus, dass sich die Geräte in unmittelbarer Nähe zueinander befinden. Der Abstand darf dabei nur wenige Zentimeter betragen. NFC kann damit das Man-in-the-Middle-Problem umgehen: Durch die räumliche Nähe verhindert NFC, dass Hacker den Datenstrom über unerwünschte Geräte umleiten und dabei den Inhalt auslesen oder manipulieren.

NFC überträgt die Kopplungsinformationen wie Bluetooth-Device-Adressen außerhalb des Bluetooth-Funkbandes und in einem begrenzten 5…10-cm-Radius. Dieses NFC-Pairing ist einfach und unkompliziert und erfolgt über einen räumlich nahen Kontakt beider Geräte zueinander. NFC vereinfacht auch das Hinzufügen von Knoten in ein Bluetooth-Low-Energy-Mesh-Netzwerk, zum Beispiel bei der Erweiterung eines Funksensornetzes oder beim Hinzufügen neuer LED-Lampen in eine funkgesteuerte Beleuchtungsanlage. Praktischerweise ist auch die NFC-Technik nach dem NFC-Forum-Standard in den meisten modernen Smartphones integriert.

Dornröschenschlaf

Bei Anwendungen wie Smart Meter (intelligente Zähler), die in Abständen von mehreren Wochen oder Monaten manuell abgelesen werden, kann der Zähler so lange im Standby-Zustand verbleiben bis er über NFC ausgelesen wird. Dazu muss der Betreiber/Versorger ein NFC-fähiges Lesegerät in die Nähe des Zählers bringen. Die anfängliche Energie zum Einschalten und sicheren NFC-Datenaustausch wird über die NFC-Antenne bereitgestellt; das Bluetooth-Smart-Gerät kann dabei im Deep-Sleep-Modus verbleiben, um so minimalen Energieverbrauch zu garantieren. Erst wenn die Anmeldeinformationen des Geräts vorliegen, kann es eine Bluetooth-Smart-Verbindung herstellen und die Zählerdaten auslesen.

Mit NFC steht eine bequeme, kontaktlose Authentifizierung mit hoher Sicherheit und Flexibilität zur Verfügung. Anbieter elektronischer Zugriffssteuerungen implementieren heute Sicherheitsplattformen wie SEOS über Bluetooth Smart und NFC: Sie speichern elektronische Schlüssel auf Smartphones statt auf Smartcards. Auf der Basis entstehen neue Anwendungen zum Beispiel für die Hotelbranche: Hotelgäste können direkt an der Zimmertür einchecken, ohne an der Rezeption auf ihre Keycard warten zu müssen. Das Smartphone des Gastes koppelt sich über NFC mit dem Türschloss, und das System deaktiviert den Schlüssel nach dem Auschecken automatisch. Während des Aufenthalts können Bluetooth-Smart-Beacons hilfreich sein, zum Beispiel um Benachrichtigungen oder Angebote direkt auf das Smartphone des Gastes zu senden. Auch die laufenden Ausgaben und die Abrechnung lassen sich damit überprüfen.

Bluetooth Smart und NFC in der Praxis

Um die Entwicklung von Smartphones, intelligenten Sensoren, Schlössern, Zählern und anderen Einrichtungen zu vereinfachen, die eine Netzwerkanbindung über BLE mit der einfachen und sicheren NCF-Kopplung kombinieren, bietet Toshiba den TC35670FTG an. Der Chip kombiniert Bluetooth Smart mit einem NFC-Tag; er basiert auf einem ARM-Core und kann im Host-freien Modus (ohne zusätzlichen Mikrocontroller) oder als Slave zusammen mit einem Applikationsprozessor arbeiten. Das IC zählt zu einer Serie von Bausteinen, zu der auch das Bluetooth-Smart-IC TC35667 gehört (ohne NFC-Tag). Derselbe Bluetooth-Controller lässt sich damit auch in Projekten ohne NFC-Funktion wiederverwenden. Die Serie wird durch Embedded- und zertifizierte Bluetooth-Firmware und ein portierbares, benutzerfreundliches SDK (Software Development Kit) unterstützt. Toshiba arbeitet auch mit Partnern zusammen, um zertifizierte Bluetooth-Module zu fertigen.

Bild 3a: Der TC35670 unterstützt drei Betriebsmodi. Im Funkmodus arbeiten NFC und Bluetooth unabhängig voneinander. Der NFC-Block weckt den BT-Controller bei Bedarf auf.

Bild 3a: Der TC35670 unterstützt drei Betriebsmodi. Im Funkmodus arbeiten NFC und Bluetooth unabhängig voneinander. Der NFC-Block weckt den BT-Controller bei Bedarf auf. Toshiba

Der TC35670 enthält einen 2,4-GHz-Bluetooth-Funk- und Basisbandschaltkreis, der Bluetooth HCI (Host Control Interface) und Bluetooth Low Energy unterstützt. Ebenfalls integriert sind ein kompletter Bluetooth-Smart-4.1/4.2-Protokollstack und ein GATT-Profil (Generic Attribute). Hinzu kommt ein NFC-Forum-kompatibles Typ-3-Tag, das Funk- und verdrahtete I2C-Schnittstellen sowie die NFC-Forum-kompatible kontaktlose Chipkartentechnik unterstützt. Der Benutzer kann ein Gerät mit diesem IC und ein zweites Gerät, das Bluetooth Smart und NFC unterstützt (etwa ein Smartphone), aneinander halten um die Bluetooth-Sicherheitsschlüssel und -Device-Adresse über den NFC-Tag zu übertragen. Die Bluetooth-Kopplung erfolgt damit vollautomatisch.

NFC-Tag-Modus hat Zugriff auf das EEPROM des Tags

Bild 3b: Im verdrahteten Übertragungsmodus greifen das Bluetooth-Modul des TC35670 oder ein externer Host-Controller direkt auf die Daten im EEPROM des RFID-Blocks zu.

Bild 3b: Im verdrahteten Übertragungsmodus greifen das Bluetooth-Modul des TC35670 oder ein externer Host-Controller direkt auf die Daten im EEPROM des RFID-Blocks zu. Toshiba

Es besteht Zugriff Im NFC-Tag-Modus auf das EEPROM des Tags – entweder über die NFC-Funkschnittstelle oder die verdrahtete Tag-Schnittstelle. Das integrierte RAM unterstützt einen speziellen Through-Modus zwischen NFC-Antenne und Bluetooth-Controller. Damit stehen Daten, die das IC über die NFC-Funkschnittstelle empfängt, dem Prozessor über I2C zur Verfügung, oder der Host kann Daten über diese Schnittstelle der NFC-Seite zur Verfügung stellen. Die Bilder 3a, 3b und 3c vergleichen die drei Modi Verdrahtet, Drahtlos und Through. Um in den Through-Modus zu gelangen, empfängt das Gerät einen entsprechenden Schreibbefehl über die Funkschnittstelle. Die Daten speichert es im RAM, bevor es eine Antwort über die NFC-Antenne zurücksendet. Beim Eintritt in den Through-Modus wird die Funkschnittstelle deaktiviert und die Daten stehen dann über die verdrahtete Schnittstelle dem Bluetooth-Controller zur Verfügung.

Bild 3c: Im Through-Modus sendet der RFID-Block des TC35670 seine Informationen direkt an den Bluetooth-Controller.

Bild 3c: Im Through-Modus sendet der RFID-Block des TC35670 seine Informationen direkt an den Bluetooth-Controller. Toshiba

Ein integrierter DC/DC-Wandler und ein LDO verringern die Anzahl externer Bauteile. Mit einem Spitzenstromverbrauch von 5,9 mA und einer Deep-Sleep-Stromaufnahme von 0,1 µA ist der Baustein äußerst stromsparend. Die interne Stromversorgung wird erst dann aus dem Zero-Power-Modus aktiviert, wenn entweder ein entferntes Bluetooth-Gerät eine Verbindung anfordert, oder über die NFC-Antenne die Elektronik aktiviert wird.

Fit fürs IoT

Bluetooth Smart wurde für das IoT-Zeitalter entwickelt und beseitigt die Probleme hinsichtlich des hohen Stromverbrauchs, die Classic Bluetooth bisher daran hinderten, über den Consumer- und Automotive-Markt hinaus zur Anwendung zu kommen. Zusammen mit NFC wird Bluetooth Smart eine noch leistungsfähigere Lösung für Anwendungen, die eine sofortige Kopplung erfordern, ohne dabei die Sicherheit zu beeinträchtigen. Bluetooth-Smart- und Smart-Ready-Geräte werden bei der Vereinheitlichung des IoT und des herkömmlichen Internets zum Internet of Everything eine entscheidende Rolle spielen.