Bluetooth 4.2: lo standard ideale per applicazioni IoT

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Sin dalla sua introduzione Bluetooth 4.0 è stata considerata la tecnologia più adatta per supportare quella che è divenuta la tendenza dominante dei nostri giorni: Internet of Things (IoT). Il protocollo Bluetooth 4.0 prevedeva una nuova modalità di funzionamento a basso consumo (“Low Energy”) nella banda di frequenza a 2,4 GHz, utilizzata dalle precedenti versioni di questo standard. Grazie a questa modalità a basso consumo, per la prima volta dispositivi Bluetooth, come ad esempio sensori wireless, potevano funzionare per mesi, se non addirittura anni, con una piccola batteria a bottone.

Fig. 1 – Schema di funzionamento classico di un collegamento in rete mediante Bluetooth Low Energy, dove un tablet o uno smartphone svolgono il ruolo di hub (Fonte: NXP Semiconductors)

Con questa versione del protocollo è stato possibile avere a disposizione una modalità per collegare dispositivi semplici e di piccole dimensioni in modalità wireless a una base installata formata da miliardi di tablet e smartphone abilitati alla tecnologia Bluetooth. La radio era robusta e affidabile, in grado di effettuare trasmissioni di brevi sequenze (burst) di piccole quantità di dati a una distanza fino a 100 metri (in campo aperto) e a distanze molto inferiori in ambienti chiuso (come ad esempio all’interno di palazzi o abitazioni).

Al giorno d’oggi, ogni nuovo modello di smartphone e tablet di larga diffusione (mainstream) è “Bluetooth Smart Ready”, ovvero è compatibile sia con i dispositivi Bluetooth Smart – cioè i nodi terminali che operano in modalità LE (Low Energy) – sia con i dispositivi che operano in modalità Bluetooth BR (Basic Rate) o EDR (Enhanced Data Rate), come ad esempio gli altoparlanti wireless, che ricevono i segnali audio in streaming e sono caratterizzati da consumi molto più elevati rispetto ai dispositivi Bluetooth LE.

Grazie a Bluetooth 4.0, gli oggetti “intelligenti” hanno avuto a disposizione un mezzo per connettersi con i dispositivi portatili e da questi a Internet. Ma l’obiettivo di Internet of Things non è permettere a una pluralità di oggetti di collegarsi a un altro dispositivo “intelligente”, bensì di consentire il collegamento diretto con un gateway Internet. Questa è proprio lo scopo che la release 4.2 del protocollo Bluetooth si prefissa di conseguire.

A questo punto, è utile porsi qualche domanda relative all’efficacia con la quale Bluetooth 4.2 è in grado di fornire connessioni a Internet, al tipo di applicazioni a cui si rivolge e alla capacità dei componenti conformi a questo protocollo di supportare la tipologia di funzionalità IoT che gli OEM vogliono implementare.

Due modalità per il collegamento a Internet

Nel caso di Bluetooth 4.0, lo schema utilizzato per collegare un dispositivo Bluetooth Smart a Internet prevede l’accesso (piggybacking) alla connessione di qualche altro dispositivo (Fig. 1). Nel campo del monitoraggio della salute personale, ad esempio, un braccialetto destinato al monitoraggio della frequenza cardiaca di un paziente solitamente si collegherà attraverso Bluetooth Smart a uno smartphone e un’app trasferirà i dati relativi alla frequenza cardiaca attraverso il collegamento dello smartphone (cellulare o Wi-Fi) ai Web server dell’ospedale dove verranno esaminati da personale qualificato.

Fig. 2 – La funzionalità IPv6 prevista da Bluetooth 4.2 consente ai dispositivi Bluetooth Smart di comunicare con altri nodi terminali Internet (Fonte: Bluetooth SIG)

Nel caso di Bluetooth 4.2, Bluetooth SIG (Special Interest Group) ha previsto due modalità per consentire a un dispositivo Bluetooth Smart di collegarsi direttamente a Internet in modo molto semplice.

La prima modalità contempla l’uso di un gateway: in ambito domestico, un dispositivo di questo tipo è solitamente il router wireless a larga banda. Un router compatibile con Bluetooth 4.2 che implementa le nuove API (Application Programming Interface) RESTful per i profili GAP (Generic Access Profile – accesso generico) e GATT (Generic Attribute Profile – attributo generico) fa in modo che i dispositivi Bluetooth Smart a esso collegati siano visibili a qualsiasi dispositivo autorizzato collegato a Internet.

A questo punto, da qualsiasi browser Internet o app Internet per dispositivi mobili, gli utenti possono visualizzare lo stato di qualunque dispositivo Bluetooth Smart collegato a un gateway Bluetooth 4.2 (gli stessi dispositivi Bluetooth Smart possono far girare Bluetooth 4.0, 4.1, 4.2). Se il gateway supporta il nuovo servizio HPS (Http Proxy Service) del protocollo, i dispositivi Bluetooth Smart possono essere configurati per trasmettere dati in modo attivo ai Web server. Nel settore dell’automazione domestica, ad esempio, i monitor di una casa “intelligente” possono trasmettere la temperatura di ogni stanza a un Web server per il monitoraggio domestico che ogni abitante della casa può visualizzare da remoto, utilizzando qualsiasi browser Web.

La seconda modalità che è possibile utilizzare per collegare direttamente un dispositivo Bluetooth Smart è l’implementazione del profilo IPSP (Internet Protocol Support Profile) nel dispositivo terminale. Ciò permette di sfruttare funzionalità 6LoWPAN, che consentono la connettività IPv6 (ovvero conforme alla versione 6 del protocollo Internet) su reti PAN (Personal Area Network) a basso consumo come Bluetooth. Una volta abilitato il profilo IPSP, il dispositivo Bluetooth ha un proprio indirizzo IPv6 unico, in modo tale da poter inviare e ricevere pacchetti IP direttamente da ogni altro indirizzo IPv6. Nell’ambito dell’automazione domestica, ad esempio, un interruttore della luce “intelligente” potrebbe inviare un’istruzione sotto forma di un pacchetto IP a una lampada, sempre “intelligente” che non era compatibile con Bluetooth (Fig. 2).

Uno sviluppo chiave di Bluetooth 4.2 è l’aggiunta di funzionalità di sicurezza avanzate, in grado di proteggere la connessione a Internet dei dispositivi Bluetooth Smart da tentativi di acquisizione di informazioni personali (snooping) o da attacchi informatici di vario genere. Le nuove funzionalità di sicurezza native di Bluetooth 4.2 sono:

• LE Privacy 1.2, una caratteristica che assicura che un dispositivo per il tracciamento della posizione (tracker) Bluetooth Smart possa essere seguito dal possessore o da un gruppo “fidato”.
• LE Secure Connections, che fornisce una cifratura conforme allo standard FIPS per garantire la confidenzialità dei dati privati. FIPS è lo standard per la sicurezza informatica adottato dal governo degli Stati Uniti che definisce i requisiti per la crittografia.

Il protocollo Bluetooth 4.2 rappresenta dunque un passo in avanti di notevole entità; esso di fatto permette la connessione a Internet di oggetti (dando quindi senso compiuto al concetto di Internet of Things) all’interno di un framework Bluetooth che, grazie alla sua diffusione, è divenuta una tecnologia standard di tutti i dispositivi consumer connessi.

In un’abitazione dove sono presenti serrature per finestre e porte Bluetooth Smart e un gateway Bluetooth 4.2, gli occupanti possono verificare lo stato di ciascuna di esse da qualunque località del globo che possa consentire l’accesso a Internet. Allo stesso modo, un occupante della casa può controllare in modo remoto qualsiasi dispositivo Bluetooth 4.2 con l’IPSP abilitato mediante la trasmissione di pacchetti IP.

Fig. 3 – La scheda di sviluppo RN-4870-SNSR PICtail per il modulo RN4870 di Microchip (Fonte: Microchip)

Modalità di integrazione della funzionalità Bluetooth 4.2

Poiché Bluetooth 4.2 è un protocollo di introduzione relativamente recente, è utile verificare la gamma di componenti a disposizione dei progettisti di sistemi che vogliono implementare questo protocollo in un nuovo dispositivo per applicazioni IoT.

Sul mercato è già stato introdotto un certo numero di prodotti Bluetooth 4.2 – transceiver, controllori e moduli – e la scelta del componente da utilizzare dipende, come sempre, dalle priorità dei team di progettazione. Nel seguito dell’articolo saranno descritti tre fra i più diffusi componenti per Bluetooth 4.2. I team di sviluppo che hanno già maturato competenze specifiche nel campo della progettazione RF potrebbero optare per il primo, un microcontrollore Bluetooth, che permette di ottimizzare il rapporto tra prestazioni, caratteristiche e costo del sistema.

Gli altri due componenti sono invece moduli che, a fronte di un maggior costo della BOM (Bill of Material), hanno il vantaggio della semplicità e rapidità di integrazione nel progetto del prodotto finale.

Il microcontrollore Bluetooth è il modello KW31Z di NXP Semiconductors. Questo dispositivo integra molte caratteristiche che un progettista aspetta di trovarsi in una MCU basata sul core ARM Cortex-M0+, tra cui interfacce I²C, SPI (Serial Peripheral Interface) e UART, un convertitore A/D e uno D/A, oltre a diversi clock e temporizzatori. Questo microcontrollore, che prevede anche una radio Bluetooth LE e un balun, dispone di funzionalità di sicurezza avanzate: un acceleratore di cifratura AES-128 e un generatore di numeri casuali (TRNG – True Random Number Generator).

KW31Z è corredato da uno stack di protocollo Bluetooth Low Energy completamente certificato. Dotato di un massimo di 512 kbyte di Flash on-chip e 128 kbyte di SRAM, questa MCU dispone di capacità di memoria sufficienti sia per le applicazioni dell’utente sia per lo stack del protocollo.

Nel caso si utilizzi questa MCU, il progettista deve sviluppare il sistema radio, antenna compresa. Un modulo, per contro, è un circuito completo subito disponibile. Un esempio è RN4870 di Microchip, un modulo Bluetooth 4.2 LE con un’interfaccia UART standard (Fig. 3). Questo modulo è disponibile in versione schermata e non schermata: la prima ha un’antenna miniaturizzata (chip antenna) ceramica integrata e viene fornita con un insieme completo di certificazioni di conformità.

Il modulo RN4870 è fornito con uno stack di protocollo Bluetooth 4.2 completamente integrato: esso supporta i profili GAP, GATT, SM, L2CAP e pubblici dello standard. Il progettista può utilizzare i comandi di interfaccia ASCII per la comunicazione con il microcontrollore host, mentre la disponibilità di funzionalità di scripting consente di automatizzare le operazioni base senza ricorrere alla MCU host.

Nei nuovi moduli di Cypress Semiconductor, la MCU integrata mette a disposizione un’ampia gamma di risorse per far girare sia le applicazioni dell’utilizzatore sia le funzioni Bluetooth 4.2 LE.

Fig. 4 – La scheda di valutazione CYBLE-224110-EVAL EZ-BLE PSoC include il modulo CYBLE-214015-01 (Fonte: Cypress Semiconductor)

Cypress propone moduli Bluetooth LE basati sulle proprie soluzioni della linea PSoC (Programmable System on Chip) e PRoC (Programmable Radio on Chip). CYBLE-214015-01 di Cypress è un modulo completamente certificate e qualificato che include oscillatori a quarzo, un’antenna implementata direttamente sulle piste della scheda (trace antenna), componenti passivi e PSoC 4 BLE, un controllore programmabile basato sul core ARM Cortex-M0 e dotato di un transceiver radio Bluetooth 4.2 (Fig. 4).

CYBLE-214015-01 è fornita con uno stack Bluetooth 4.2 esente da royalty che supporta l’insieme di caratteristiche Bluetooth Low Energy. Il dispositivo PSoC 4 BLE, sul quale è basato questo modulo, integra la tecnologia di rilevamento capacitivo CapSense che permette di implementare interfacce utente sensibili al tocco come ad esempio touchpad, 256 kbyte di Flash e 32 kbyte di SRAM, oltre a vari blocchi analogici e digitali programmabili. Ospitato in un package di dimensioni pari a soli 11x11x1,8 mm, il modulo prevede un massimo di 25 I/O di tipo general purpose.

L’altro modulo di Cypress è CY5676A, basato su PRoC BLE, un controllore Bluetooth 4.2 LE simile a PSoC 4 BLE, rispetto al quale offre una minore flessibilità in fase di progetto in quanto integra un numero inferiore di risorse analogiche e digitali programmabili.

Grazie all’implementazione delle più recenti specifiche di Bluetooth 4.2, ciascuno dei dispositivi descritti poco sopra si propone come una soluzione che permette di collegare direttamente sensori, azionamenti e molti altri dispositivi embedded di piccoli dimensioni e con consumi ridotti a Internet attraverso Bluetooth. Come spiegato in questo articolo, i produttori di circuiti integrati e moduli hanno già messo a disposizione dei progettisti di sistemi numerose opzioni per implementare Bluetooth 4.2. La scelta del progettista dipende solamente dalle loro priorità che possono essere basso costo della BOM, riduzione del time to market oppure tipo di funzionalità previste dall’applicazione.

Ozgur Caparoglu, Field applications engineer, Future Electronics – Turkey

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