Sicher vernetzt mit Bluetooth 4.2 unterwegs

Die Bluetooth-Low-Energy-Spezifikation (BLE) wurde bereits vor einigen Jahren unter dem Namen WiBree entwickelt und wurde dann zu Bluetooth Ultra Low Power. Seit Version 4.0 ist BLE Teil des Bluetooth-Datenübertragungsstandards.

Die Kennung von BLE erfolgt mit dem Label „Smart“. Reine Smart-Geräte können lediglich mit anderen Smart-Geräten kommunizieren. Geräte, die sowohl Classic Bluetooth als auch BLE beherrschen (zum Beispiel Smartphones und Tablets), tragen die Kennung „Smart Ready“ (Bild 1).

Energiesparendes BLE-Protokoll

Standards zu BLE legt die Bluetooth Special Interest Group (SIG) fest. Aktuell ist die BLE-Version 4.2, Version 5.0 befindet sich in Arbeit. Die Classic-Versionen von Bluetooth eignen sich wegen des hohen Energieverbrauchs kaum für den Batteriebetrieb. Deshalb entstand das energiesparende BLE-Protokoll, das die Versorgung von Geräten mit Batterien über Zeiträume von Monaten oder Jahren ermöglicht.

Bei Bluetooth handelt es sich um ein Wireless Personal Area Network (WPAN), das im lizenzfreien 2,4-GHz-ISM-Band sendet. Bluetooth ist genau wie Bluetooth Classic für die Entfernungen des persönlichen Bereichs von 0,2 bis 50 m konzipiert. Verbindungen lassen sich mit BLE in weniger als 3 ms aufbauen und beenden. BLE nutzt 40 Funkkanäle mit jeweils 2 MHz. Die Datenrate beträgt 1 MBit/s bei einer maximalen Sendeleistung von 10 mW.

Bild 1: Ein Gerät mit Bluetooth Smart Ready entspricht einem normalen Bluetooth-Gerät, das zusätzlich Low Energy beherrscht. Ein Gerät mit Bluetooth Smart hingegen entspricht einem BLE-Funkmodul. Glyn

Haupteinsatzbereiche von BLE sind Gesundheitsvorsorge, Sport und Fitness (Wearables), Sicherheitsanwendungen, Home Entertainment, Home Automation, Automotive, Smart Energy und kleine Sender (Beacons).

Sicherheit beim Datendurchsatz

Während sich bei BLE nur jeweils 27 Byte pro Paket transportieren ließen, sind beim Bluetooth-Standard 4.2 jetzt 251 Byte pro Paket möglich. Dies ermöglicht einen etwa 2,6-fach höheren Datendurchsatz (bis 800 KBit/s). Weiterhin beinhaltet der Bluetooth-Standard 4.2 zusätzliche Sicherheitsmerkmale, darunter LE Privacy 1.2 und LE Secure Connections.

LE Privacy ist ein Sicherheitsmerkmal, das Angreifern das Verfolgen der Kommunikation zwischen Geräten erschwert. Bei aktivierter Privacy ändert ein Gerät mit BLE 4.2 jede Sekunde die Bluetooth-Adresse (bei BLE 4.1 nur alle 15 Minuten). Die Adressgenerierung erfolgt jetzt im Link Layer (Controller) und nicht mehr im Host, was die Leistungsaufnahme des Systems verringert.

Bild 2: Blockschaltung des PSoC-Chips. Beim Einsatz der PSoC-4-BLE-Chips beträgt die Stromaufnahme beim Senden und Empfangen 3,4 mA und lässt sich in verschiedenen Betriebsarten bis auf 60 nA senken (Deep Sleep 1,6 µA, Hibernate 150 nA). Glyn

Das Sicherheitsmerkmal LE Secure Connections nutzt beim Pairing zwischen den Geräten nur noch Algorithmen, die die US-Standardisierungsbehörde NIST als sicher betrachtet. Hierzu zählen ECC-Verfahren (Elliptische-Kurven-Kryptographie mit einer Schlüssellänge von 256 Bit) und AES-CMAC. Da das Austauschen der Schlüssel nicht über Funk erfolgt, sind sie auch nicht abhörbar. Die Sicherheitsstufe entspricht jetzt dem klassischen Bluetooth.

Hoher Datendurchsatz

Diese Verbesserungen machen Bluetooth 4.2 leistungsfähiger und schneller und somit zur idealen Funktechnologie für das Internet der Dinge (IoT). Der höhere Datendurchsatz von Bluetooth 4.2 ermöglicht im Gegensatz zum Vorläufer Mehrkanal-Audioverbindungen oder signifikant schnellere Over-the-Air (OTA) Firmware-Updates.

Cypress unterstützt alle aktuellen BLE-Leistungsmerkmale und stellt Entwicklern ein komplettes BLE-Entwicklungs- und Anwendungsportfolio zur Verfügung, das für Bluetooth 4.2 zertifiziert ist. Neben voll zertifizierten Modulen gibt es die kostenfreie Entwicklungsumgebung PSoC-Creator, die per einfaches Drag-&-drop sehr schnelle Programmentwicklung ermöglicht.

Grundsätzlich basieren alle BLE-Systeme von Cypress auf zwei Chips: PRoC-BLE (Programmable Radio-on-Chip) und PSoC-4-BLE (Programmable System-on-Chip). Beim PRoC-BLE handelt es sich um einen Bluetooth-Smart-Mikrocontroller, der die kapazitive Berührungserkennung Capsense unterstützt.

Erweiterter Funktionsumfang

Der PSoC-4-BLE (Bild 2) verfügt über einen erweiterten Funktionsumfang und enthält gegenüber dem PRoC-BLE zusätzliche intelligente Analogkomponenten sowie programmierbare digitale Blöcke. Diese ermöglichen die Integration von Sensoren und Aktoren ohne zusätzliche externe aktive Bauelemente.

Bild 7: Den schnellen Einsteig in das Thema BLE soll das Entwicklungskit CY8CKIT-042-BLE ermöglichen. Glyn

Im Prinzip entspricht der PRoC-BLE dem PSoC-4-BLE, enthält jedoch keine Operationsverstärker, Komparatoren, IDACs und UDBs (Universal Digital Blocks). Beide Lösungen verfügen über ein Bluetooth Smart Radio, einen 32-Bit-ARM-Cortex-M0-Core, 256 kByte Flash-Speicher, 32 kByte SRAM, DMA, 36 GPIOs sowie konfigurierbare serielle Kommunikationsblöcke, Timer und Zähler.

Hardware per Drag-&-drop konfigurieren

Bei der PSoC-Familie lässt sich die Hardware per Drag-&-drop im PSoC-Creator konfigurieren. Auch bei BLE müssen Entwickler lediglich das Bluetooth-BLE-Modul auf das Arbeitsblatt ziehen und mit der Maus nach eigenen Vorstellungen konfigurieren. Der BLE-Stack wird automatisch eingebunden und ist kostenfrei. Alle von der SIG definierten Profile sind vorhanden und nutzbar. Entwickler können auch benutzerspezifische Custom Profiles erstellen. Diese müssen die Verantwortlichen allerdings bei der SIG anmelden.

Bild 3: Größenoptimierte EZ-BLE PRoC-Module (10 mm x 10 mm), voll zertifiziert und mit bis zu 256 KB Flash und 32 KB SRAM. Glyn

Bild 4: Kostenoptimierte EZ-BLE PRoC-Module, voll zertifiziert und mit bis zu 256 KB Flash und 32 KB SRAM. Glyn

Zertifizierte Module

Für eine schnelle Markteinführung stehen voll integrierte, zertifizierte und frei programmierbare Module in extrem kleiner Bauform zur Verfügung (Bild 3, Bild 4).

EZ-BLE-PRoC-Module entsprechen den Funkbestimmungen der USA sowie von Kanada, Japan, Korea und Europa. Anwender sparen hiermit hohe Kosten gegenüber einer eigenen Zulassung (Entwicklungszeit, Testgeräte und Gebühren).

Schnellstart in die BLE-Welt

Mit BLE-Lösungen von Cypress können Entwickler Bluetooth und ihre Schaltung in einem Chip vereinen. Da der Stack nur etwa 100 KB Flash-Speicher belegt, verbleiben im Chip mit 256 KB Flash-Speicher noch 156 KB für eigene Programme. Eigene Hardwareschaltungen der digitalen und analogen Blöcke belegen zudem keinen Speicherplatz im Programm-Flash-Speicher. Da die BLE-Lösungen ohne Betriebssystem arbeiten, läuft die Anwenderapplikation sozusagen in Echtzeit.

Die kostenlose Entwicklungsumgebung PSoC-Creator ermöglicht grafische Konfigurationen und sorgt somit für kurze Programmentwicklungs- und Einarbeitungszeiten. Hardwarefunktionen lassen sich programmieren, ohne eine einzige Zeile Software zu schreiben. Cypress pflegt die Entwicklungsumgebung und ihre Tools regelmäßig und hält sie per Update Manager auf dem neuesten Stand.

Bild 5: Voll zertifizierte EZ-BLE PSoC Module mit 11 mm x 11 mm verfügen über bis zu 256 KB Flash und 32 KB SRAM. Glyn

Bild 6: Voll zertifizierte EZ-BLE PSoC Module mit Leistungsverstärker, geeignet für den erweiterten industriellen Temperaturbereich. Glyn

Zur Unterstützung von Entwicklungen auf Systemebene steht das Entwicklungskit CY8CKIT-042-BLE zur Verfügung (Bild 7). Es enthält ein Basisboard im Arduino-Format mit integriertem Debugger sowie jeweils ein PRoC-BLE- und PSoC-BLE-Board. Zum Kit gehört außerdem ein BLE-USB-Dongle, mit dem sich über das Programm Cysmart die BLE-Daten überwachen lassen. Zusätzlich gibt es technische Unterstützung in Form von Workshops zu allen PSoC- und PRoC-Lösungen sowie den Entwicklungsumgebungen.

(hb)