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DAI PRODOTTI ALLE SOLUZIONI, TRAMITE I SERVIZI
White Paper Tecnico
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Bluetooth®Smart/Bluetooth®LowEnergy
WhitePaperTecnico
Sommario
Bluetooth®LowEnergy:noteintroduttive..................................................................................2 BLE:letappeevolutive.........................................................................................................................2 BLE:tipologiediretieruoli................................................................................................................4 Broadcasting&Observing...........................................................................................................................................4 Broadcaster.............................................................................................................................................................................................5 Observer....................................................................................................................................................................................................5 Advertisingpacket................................................................................................................................................................................5
Connection.........................................................................................................................................................................6 Sicurezza.............................................................................................................................................................................8 Bluetooth®LowEnergyvsZigBee...........................................................................................................................9
BLE:frequenzeinuso.........................................................................................................................10 BLE:tipologiadeidatitrasmessi...................................................................................................11 AdvertisingChannelPDU...........................................................................................................................................11 AdvertisingChannelPDU‐Header........................................................................................................................11 AdvertisingPDUType......................................................................................................................................................................11 AdvertisingAddressType...............................................................................................................................................................11 AdvertisingPDUChannelLength...............................................................................................................................................12
AdvertisingChannelPDU‐Payload......................................................................................................................12 AdvertiserAddress(MACAddress)‐AdvA.............................................................................................................................12 AdvertisingData‐AdvData..........................................................................................................................................................12
BLEDeviceAddress:l’univocità,elementodistintivodelBLE..................................................................13
BLE:tipologiediBeacon...................................................................................................................14 BeaconBLE......................................................................................................................................................................14 AppleiBeaconBLE........................................................................................................................................................14 GoogleEddystoneBeaconBLE................................................................................................................................15
BLEunconventional:logicaedarchitettura.............................................................................16 …versolavisioneBLEunconventional...............................................................................................................16 BlueWaveBluetooth®SmartGateway&TagBeacon...................................................................................17 BlueWaveBluetooth®SmartGateway‐ConnettivitàIoT/Cloud................................................................................17 DatitrasmessieFiltering...............................................................................................................................................................18
AlcuniscenariapplicativideiGatewayReaderBlueWave..........................................................................19
Webgrafiaedapprofondimenti......................................................................................................20 Note............................................................................................................................................................20
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Bluetooth®LowEnergy:noteintroduttive
Bluetooth®LowEnergy(BLE),dettoancheBluetooth®Smart,nascecomeunapartedellaBlue‐tooth®4.0CoreSpecification;spessointerpretatocomeun’espressionedelBluetooth®Classic,ilrealtàilBLEhaundesigntotalmentedifferenteesiponeobiettividiversirispettoalBluetooth®Classic.BLEèprogettatoperessereunostandardradioconunconsumodienergiailpiùbassopossibile,uncostocontenuto,unaristrettaampiezzadibandaedunaridottacomplessità.QuestiobiettivisonoevidentianalizzandoleCoreSpecification4.0,dallequalisievincecheBLEèdefinitocomeunostandardimplementabiledaiproduttoridielettronicainquantoingradodifunzionaresudispositiviconscarserisorseenergeticheeconbudgetlimitati.Nonostanteladefinizionedellostandardsiarecente(2010),sièassistitoadunarapidadiffusio‐ne del BLE, essendo questa una tecnologiawireless nativamente ospitata in dispositivimobilicomesmartphone,mobilecomputeretabletdallacapillarediffusione(iBeacondiAppleeSam‐sung).Infine,BLEpuòessereutilizzatoneipiùsvariatiambitiadifferenzadelBluetooth®classico,cherestapiùlegatoadunaristrettacerchiadicasid’uso.
BLE:letappeevolutive
Sviluppato inizialmente da Ericsson, il Bluetooth® èstato in seguito standardizzato dal Bluetooth® SIG(SpecialInterestGroup),l’associazionecreatanel1999dadiversiattoritracuispiccanoSonyEricsson,Nokia,Toshiba,IBMedIntel.
DaallorailBluetooth®havissutocontinuistepevolutivi,partendodallaversione1.0finoaoggi,arricchendosinell’identikittecnicoe,quindi,nelleattitudiniperformanti:sonocosìstateaffron‐tateesuperatesfidequalil’incompatibilitànellecomunicazionitradevicedidiversiproduttori,lamodalitàdigestionedeidatiedinteroperabilità,lavelocitàditrasferimentodati,lacrittografiapermigliorarelasicurezzadellatrasmissioneegarantirel’anonimato,laquantitàdienergiane‐cessariaaldispositivoperricercarealtrideviceacuiconnettersi.Decisiva,inquestacrescitatecnologica,èlaversioneBluetooth®4.0(chiamataincodiceSeattle)del2010,cherispettoalpassatooffreunaconsistenteriduzionedeiconsumienergetici(dacuiderivailtermineBluetooth®LowEnergy,BLE),sfruttaperlatrasmissionemiglioratimeccanismidirilevazioneecorrezionedeglierroriedicriptaturadelsegnalegrazieall’algoritmoAES‐128(AdvancedEncryptionStandard,algoritmodicifraturaablocchididimensionefissaparia128bit).Unaltrofattorechecontribuisceadiminuireulteriormentel’energiarichiestaèillimitatoperio‐doditrasmissioneradio,moltopiùvelocenelBLEchenelBluetooth®Classic.
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Altratappadecisivanell’evoluzionedelBLEèl’update4.1nel2013:purmantenendoinalteraticoncettiedarchitetturarispettoallaprecedenteversione,larelease4.1innestamodificheemi‐glioriegraziesoprattuttoall’esperienzadirettadegliutenti,garantendol’interoperabilitàdeidi‐spositivitrapassatoepresente(laversione4.1èretro‐compatibileconquella4.0).Bluetooth®SpecificationcopreoralespecifichedelBluetooth®Classic(notoatuttiedutilizzatodamoltianniinvarietipologiedidispositivi)eilnuovoBluetooth®LowEnergy.E’benericordarechequestidueStandardBluetooth®nonsonodirettamentecompatibili:undi‐spositivoBluetooth®ClassicnonpuòcomunicareconundispositivoBLE.Sidefinisconoaquestopuntoduediversetecnologiewireless:BR/EDR (Classic Bluetooth®), i dispositivi Bluetooth® conformi allo standard precedenteall’introduzionedellaversione4.0BLE(Bluetooth®LowEnergy),idispositiviconformiallostandard4.0esuccessivi.Daquesteduetecnologiederivanopoiduediversetipologiedidispositivi:Dispositivisingle‐mode(BLE ,Bluetooth®Smart)implementanoBLEepossonocomunicareconapparatisingle‐modeedual‐mode,manoncondispositivichesupportanosoloBR/EDRDispositivi dual‐mode (BR/EDR/LE,Bluetooth® SmartReady) implementano sia BR/EDRcheBLEepossonocomunicareconognideviceBLE.
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BLE:tipologiediretieruoli
IdispositiviBLEpossonocomunicareconilmondoesternoinduemodidiversi:
Broadcasting&Observing
Connectionciascunoconcaratteristiche,vantaggielimitazionidiverse.
Broadcasting&ObservingUtilizzandolamodalitàdiinviodatisenzaconnessione(ConnectionlessBroadcasting),ildisposi‐tivoBLEtrasmetteidatiadunqualsiasiapparatoinascolto(scanningdeviceoreceiver)chesitroviadunadistanzautileperrecepireilsegnale.Ilpacchettoinviatodaldispositivocheoperainbroadcastingèdefinitoadvertisingpacket.Comemostratonellafiguradiseguito,questosistemapermettediinviaredatiinunasoladire‐zioneaqualsiasidispositivoingradodi‘raccoglierli’.
InquestamodalitàoperativadiBroadcastingidispositivisonodefinitiviBroadcasteredObser‐ver,ciascunoconunruolodifferentenell’invioericezionedeidati(advertisingdatapacket).
BLEObserver(BlueWaveGateway,Smartphone,
Tablet,otherBLEdevice)
BLEBroadcaster(TagBeacon,iBeacon,Smartphone,
Tablet,otherBLEdevice)
BroadcastingAdvertisingPacket
BLEBroadcaster(TagBeacon,iBeacon,Smartphone,
Tablet,otherBLEdevice)
BLEBroadcaster(TagBeacon,iBeacon,Smartphone,
Tablet,otherBLEdevice)
BLEBroadcaster(TagBeacon,iBeacon,Smartphone,
Tablet,otherBLEdevice)
BLEObserver(BlueWaveGateway,Smartphone,
Tablet,otherBLEdevice)
BLEObserver(BlueWaveGateway,Smartphone,
Tablet,otherBLEdevice)
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Broadcaster
IldispositivoBroadcasterinviaperiodicamenteidati(ditiponon‐connectable)achiunquesiaingradodiriceverli:sitrattaquindidiundeviceottimizzatoperleapplicazionidisolatrasmissioneadintervalliregolari(pingrate).Rientranoadesempio inquestacategoria iTagBLEBeaconche invianoperiodicamente i lorodatidiidentificazione(ProximityUUID,Major,Minor,…),oppureundispositivotermometrochetrasmettesaltuariamenteivaloriditemperaturarilevati.
Observer
IldispositivoObservereffettuaperiodicamentescansionisullefrequenzepredefiniteperriceve‐readvertisingpacketprovenientidall’apparatoBroadcaster:undispositivo,quindi,ottimizzatoperlaricezionedell’advertisingdatapacket.UnesempiodiapparatoObserverèrappresentatodaidispositivicondisplay(smartphoneeta‐blet)chepossonovisualizzarevaloriditemperaturaprovenientidaunsensoreBroadcasteregliidentificativiunivocidiTagBLE.UnaltroesempiodideviceObserverèilBlueWaveBluetooth®SmartGateway,cheèinascoltodeipacchettiadvertisingprovenientidaiTagBLE(odaaltridispositiviBLE)eliinviaadunser‐ver.LamodalitàdiBroadcastingrappresental’unicomodoperundispositivoBLE(oTagBLE)diin‐viaredaticontemporaneamenteapiùdispositivi.
Advertisingpacket
IldatoinviatodaldispositivoBroadcaster,l’advertisingdatapacket,èuninsiemedidaticostitui‐toalmassimoda31byte(Payload‐StandardAdvertisingPacket),utilizzatodalBroadcasterpersegnalarelapropriapresenzaedinviaredatiaidispositiviinascolto.
L’advertisingdatapacketcontieneinformazionistandard,codificatedalBluetooth®SIG(SpecialInterestGroup)erelativeaiservizicheildispositivo/TagBLEespone.Esempidiservizichepossonoessereespostinelpacchettodiadvertising:
Serviziodiimpostazionedelpingrate Serviziodiimpostazionedellapotenzadiemissione ServizioHeartRateMeasurement ServizioHealthThermometer
Ilpacchettodiadvertisingpuòancheospitareinformazioniadhoc,quindiliberamentecostruitedalproduttore;itagBLEiBeacon(Apple)contengonoperesempionelpropriopacchettodiad‐vertisingleseguentiinformazioni:
Manufacturerspecificdata:inquestocamposonocontenuteleinformazionidelproduttoredeldispositivoBLE(generalmentecontienel’identificativodiApple)
ProximityUUID:unvaloredi128bitcheidentificaunoopiùTagBLEiBeacondiuncertotipoe/odiunacertaorganizzazione.
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MajorValue:unvaloredi16bitchepuòraggruppareTagBLEiBeaconconlostessoProxi‐mityUUID.
MinorValue:unvaloredi16bitchedifferenziaiTagBLEiBeaconconlostessoProximityUUIDestessoMajorValue.
RSSI Value: questo valore (pre‐programmato all’interno del pacchetto di advertising delTagBLEiBeacon)indical’intensitàconcuisiriceveilsegnaledeltagBLEad1metrodidi‐stanza;questainformazionefacilitailcalcolodelladistanzadeldispositivodiricezionedaltagBLE.
Oltreall’advertisingpacketèpossibilericevereunulteriorepacchetto,definitoscanresponseda‐ta,dellostessoformatodelprecedenteconunacapacitàmassimadi31byte.Lo scan response può essere richiesto dal dispositivo BLE Observer effettuando una scan re‐quest:seildispositivoBroadcasterèabilitato,inviaancheilpacchettodiscanresponse,raggiun‐gendocosìunmassimodi62bytedidatiinviati.
Quandol’Observerricevesoloilprimopacchettosenzarichiedereilsecondo,siparladi‘passivescanning’;quandoinvecel’Observer,dopoaverricevutoilprimopacchetto,richiedeancheilse‐condosiparladi‘activescanning’.
ConnectionSerisultanecessariomandaredatiinentrambiledirezioni,ossiareciprocamentetraduedispo‐sitivi,oppuresei62bytedisponibiliconipacchettidiadvertisingnonsonosufficienti,intervie‐ne lamodalitàoperativaconnection, affinché si instauriuno scambiodatiperiodicoeperma‐nentetraduedispositivi.Inquestocasoloscambiodeidatiavvienesolotraiduedispositiviconnessi,pergarantirelari‐servatezzadeldato:mentrel’advertisingdatapacketèintercettatodatuttiidispositiviinascol‐to,inmodalitàconnectionidatitrasmessicoinvolgonosolamentei2dispositivi,chiamatiCen‐tralePeripheral.
Central(Master)Il dispositivo BLE Central scansiona periodicamente le frequenze predefinite per individuarepacchettidiadvertisingcheaccettanoconnessioni(ConnectableAdvertsingPacket)e,unavoltariconosciuti,iniziaunaconnessioneconildispositivo/tagBLEchelihaemessi.Stabilitalaconnessione,ilCentralgestisceitempiel’invioperiodicodeidati.
Peripheral(Slave)IldispositivoBLEPeripheralinviaperiodicamenteadvertising,informandodiaccettareconnes‐sioni(connectableadvertisingpacket),edacconsenteadeventualirichiestediconnessionepro‐venientidaidispositiviCentral.Unavoltaattivatalaconnessione,siattienealleregoledettatedalCentralinmeritoaitempieal‐lemodalitàdiinvioperiodicodeidati.Duranteilperiodoincuilaconnessioneèattiva,ildisposi‐tivoPeripheralinterrompel’inviodeipacchettidiadvertising.
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Diseguitoschemadellatipologiaconnessione:
NonostantesiailCentralarichiedereestabilirelaconnessione,idatipossonoessereinviatiin‐dipendentementedaentrambiidispositivi.Dallaversione4.1sonostateeliminateunaseriedilimitazionisuiruoli,rendendocosìpossibilileseguenticombinazioni:
UndispositivopuòesseresiaCentralchePeripheralnellostessotempo
UnCentralpuòessereconnessoapiùPeripheral
UnPeripheralpuòessereconnessoapiùCentralUnodeivantagginell’usodella connessioneè che idatipossonoessereorganizzati in campioproprietà,definitiserviziecaratteristiche.L’organizzazionediquestidatièstabilitodaunostratodelprotocolloGenericAttributeProtocol(GATT).Leconnessionihannoanchelacapacitàdiutilizzaremenoenergiadellamodalitàbroadcasting,perchépermettonodimodificare,estendendolooriducendolo,iltempocheintercorretraicon‐nectionevent.Peresempio,quandononvièlanecessitàdiinviarecontinuamentedati,l’intervallotraconnec‐tioneventpuòessereesteso; viceversa,quandoènecessario inviaredatipiù frequentemente,l’intervallotraiconnectioneventpuòessereridotto(l’advertisingpacketinviainveceidaticon
BLECentral(BlueWaveGateway,Smartphone,
Tablet,otherBLEdevice)
BLECentral(BlueWaveGateway,Smartphone,
Tablet,otherBLEdevice)
BLECentral(BlueWaveGateway,Smartphone,
Tablet,otherBLEdevice)
BLEPeripheral(TagBeacon,iBeacon,Smartphone,
Tablet,otherBLEdevice)
BLEPeripheral(TagBeacon,iBeacon,Smartphone,
Tablet,otherBLEdevice)
BLEPeripheral(TagBeacon,iBeacon,Smartphone,
Tablet,otherBLEdevice)
BLEPeripheral(TagBeacon,iBeacon,Smartphone,
Tablet,otherBLEdevice)
Connection
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unintervalloditempostabilitoenonsoloquandocisononuovidatidisponibili).Iduedispositivicoinvoltinellaconnessionericonosconoquandoèinattounconnectioneventepossono intraprendere politiche di risparmio energetico (es. spegnere il trasmettitore radioquandononsiverificaalcunconnectionevent)Sonopossibiliconnessionidivariatipologiacheprevedonolasolaricezionedipacchettidiad‐vertisinge/olaconnessione.Questisonoesemplificatinell’immagineseguente:
SicurezzaLefunzionidisicurezzasonosvoltedalSecurityManager,uninsiemediprotocolliedalgoritmidisegnatiperfornirealBluetooth®ProtocolStacklacapacitàdicreareescambiarechiavidisi‐curezza;sonoquestechiavichepermettonoaduedispositividicomunicare inmodalitàsicuraattraversounlinkcriptato(AES),verificanol’identitàdeldispositivoremotoe,serichiesto,oscu‐ranoilBluetooth®DeviceAddressperimpedireadispositiviconintenzionalitàmalevoleditrac‐ciare/individuareunparticolaredispositivo.Laconnessionee lacreazionediun linkcriptatoavvengonoattraverso leprocedurediPairinge/oBonding.LaproceduradiPairingcreadellechiavi,cheiduedispositivisiscambianoechehannovitasoloperladuratadellaconnessione,poidevonoesserericreate.LaproceduradiBondingcreadellechiavicheidispositivipossonomemorizzareedutilizzarean‐cheinconnessionisuccessive.Unaltrodegliaspetti inerenti lasicurezzariguarda l’identificazionecertadiduedispositivi traloro:questafunzioneèsvoltaattraversoi‘ResolvablePrivateAddress’(sivedapermaggioridet‐taglilasezionelegataagliindirizziinquestodocumento).
BLEObserver(BlueWaveGateway,Smartphone,
Tablet,otherBLEdevice)
BLEBroadcaster(TagBeacon,iBeacon,Smartphone,
Tablet,otherBLEdevice)
BLEObserver+Central(BlueWaveGateway,Smartphone,
Tablet,otherBLEdevice)
BLEPeripheral(TagBeacon,iBeacon,Smartphone,
Tablet,otherBLEdevice)
BLEPeripheral+Central(Smartphone,Tablet,BLEdevice)
BLEPeripheral(TagBeacon,iBeacon,Smartphone,
Tablet,otherBLEdevice)
BLEBroadcaster(TagBeacon,iBeacon,Smartphone,
Tablet,otherBLEdevice)
Scanning
Broadcasting
Connection
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Bluetooth®LowEnergyvsZigBeeLa tecnologiaBLEnon rappresenta l’unica sceltaquando siprogetta un sistemadi comunicazione e scambiodatiwire‐lesselowenergy.Per esempio, ANT (wireless sensor network che opera a2,4GHzsullabandaISM‐Industrial,ScientificandMedical)eZigBee offrono possibilità comparabili a quelle tipiche delBLE;tuttavia,afrontedialcuniparametridiparagone,BLri‐sultapiùconveniente,oltrechepoggiaresuprotocolloaper‐to.Il principale “antagonista” del BLE è ZigBee, basato sullostandardIEEE802.15.4econvelocitàditrasmissioneridotta(data‐ratemassimodi250Kb/s,mentrequellodelBLEèdi
1Mb/s).AncheseletecnologieBLEeZigBeeconsentonoscenarid’applicazioneeperformancecompara‐bili,sipossonoindividuarealcunedifferenzechegiocanoafavoredelladiffusionedellatecnolo‐giaBluetooth®Smart:
IlBLEèstatoprogettatoperrealizzarePAN/BAN(PersonalAreaNetwork/BodyAreaNet‐work: reti di estensione ridotta e numero limitato di dispositivi connessi) con consumienergeticicontenutisiaperilTagBeaconcheperl’Observer(smartphone,tablet,gateway).ZigBeeinveceèunaLAN(LocalAreaNetwork)abassapotenza.
IlBLEèideatonell’otticadiunareteastellaattornoaldispositivoricevente:unastrutturadi rete leggera, in cui l’aggiunta di nuovi nodi è un’operazione semplice ed immediata.ZigBeeèprogettatoperrealizzareretiMeshamagliaWLANpiùcomplessedaimplementa‐reepiùadattoaretirelativamentefisse.
Intemaconsumi, ilBLEutilizzaunaconnessionesincrona, incuisia ildispositivomasterchequelloslavesisveglianosimultaneamenteconunaridottalapotenzaenergetica.ZigBeeutilizzainveceunoschemaasincrono,cherichiedel’accensionedeirouterpertuttoiltempo,conunconsumodienergiapiùelevato.
Sel’obiettivoèrealizzareunaretediestensionecontenutaedifacileconnessionefradifferentidispositivi(smartphone,tablet,ecc),lasceltaottimalericadequindisull’utilizzodelBLE,imple‐mentabileancheinversionedualmode(Bluetooth®Classic+Smart).LatecnologiaZigBeehainveceilvincolodimercatodallaconnettività,poichénonèimplementa‐tanativamentePCotelefonicellulari.
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BLE:frequenzeinuso
Lacomunicazioneradioutilizza labanda2.4GHz(definitaISM:Industrial,ScientificandMedi‐cal).Diseguitocomevengonoimpegnatiicanaliperlacomunicazione:
Sonodisponibili40canalida2.4000GHza2.4835GHz
3canali(37,38,39)utilizzatiperadvertising,stabilirelaconnessioneeinviaredatibroad‐casting,
37utilizzatiperleconnessioni.Per lacomunicazionevieneutilizzataunatecnicadefinita frequencyhoppingspreadspectrum,nellaqualelacomunicazioneradiosaltadaunafrequenzaadun’altraadogniconnectionevent.Perdefinirecomeeffettuarequestisaltivieneutilizzatalaformulaseguente:
channel=(curr_channel+hop)mod37
Ilvaloredihopvienecomunicatoognivoltacheunaconnessioneèstabilitaedèquindidiversodaconnessioneaconnessione:scopodiquestatecnicaèridurrealminimoleinterferenzeradioche possono manifestarsi in questa banda di trasmissione, dove operanoWi‐Fi e Bluetooth®Classic.LamodulationrateperBluetooth®LowEnergyèfissaa1Mbit/s:questoèquindiancheillimitefisicodithroughputperquestatecnologia.
ADVERTISING CONNECTION
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BLE:tipologiadeidatitrasmessi
L’Air Interface Packet (figura sottostante), ha un solo formato utilizzato sia per AdvertisingChannelPacketoAdvertisingChannelPDUcheDataChannelPacketoDataChannelPDU.
AdvertisingChannelPDUL’AdvertisingChannelPDUcontieneunHeaderdi2byteedunPayloaddi37byte.
Header Payload
2Byte max37Byte
AdvertisingChannelPDU‐HeaderL’headerècompostodaduebytecontenentileseguentiinformazioni:
AdvertisingPDUType
AdvertisingPDUAddressType
AdvertisingPDUChannelLength
AdvertisingPDUType
Lunghezza4bit (campoPDU type), indica la tipologiadelpacchettodi advertising inviato:unpacchettopuòessere,adesempio,ditipoconnectable(inquestocasoildispositivochelohain‐viatoaccettaconnessioni)oppurenon‐connectable;ilprofilo“scannable”indicainvececheildi‐spositivochelohainviatoaccettaancherichiestediscan.
AdvertisingAddressType
Lunghezza 2 bit (campi TxAdd, RxAdd), determina la tipologia dell’indirizzo contenutonell’AdvertisingChannelPDUchepuòessereditipo:
PublicDeviceAddress
RandomDeviceAddressL’indirizzoditipoPublicDeviceAddressèpre‐programmatoneldispositivoBLE,deveesserere‐gistratotramiteIEEERegistrationAuthorityenoncambiadurantelavitadeldispositivo.L’indirizzodi tipoRandomDeviceAddresspuòessere siapre‐programmatoall’internodeldi‐spositivochegeneratodinamicamente(ulterioriinformazioninelseguito).
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AdvertisingPDUChannelLength
Lunghezza6bit(campoLength)contienelalunghezzadell’AdvertisingChannelPDU.
AdvertisingChannelPDU‐PayloadL’advertisingChannelPDUPayloadcontienel’AdvertiserAddressAdvAdi6byteè l’AdvertiserDataAdvDatadi31byte.
Advertiser Address AdvA
Advertising Data AdvData
6Byte max31Byte
AdvertiserAddress(MACAddress)‐AdvA
Contienel’indirizzodeldispositivoBLEchehaemessoilpacchetto,ècostituitoda6byte(48bit)epermettedidistinguereundispositivoBLEdaunaltro.
AdvertisingData‐AdvData
Ospita idatidell’AdvertisingChannelPDUepuòesserealmassimodi31byte;ècompostodaunasequenzadistrutturedati,ognunadellequaliècostituitadaiseguentielementi:
Campo1:Lunghezzadellastrutturainbyte(1byte)
Campo2:ADType‐AdvertisingDataType(1byte)
Campo3:Dati(lunghezzavariabile)Ognistrutturadaticontieneunproprioinsiemediinformazioni.Campo1:LunghezzadellastrutturainbyteQuestoèilprimocampodiogniconfigurazioneecontienelalunghezza(inbyte)dellastrutturadaticheseguiràilcampostesso.Campo2ADTypeIlcampoADTypeèunvaloredefinitodaBluetooth®SIGedindicalatipologiadidatocontenutanelcamposuccessivo.AlcuniesempidipossibiliADtype:
LocalName‐Sel’ADTypeèditipoLocalName,ilcamposuccessivocontieneilnomedeldispositivo(informacompletaobreve)
ServicesUUIDs‐Sel’ADTypeèditipoServicesUUIDs,nelcamposuccessivosonoconte‐nutigliUUIDsdeiservizicheildispositivoespone.Unavoltaricevutoilpacchettodiadvertisingperaccedereaidatieffettivimessiadisposi‐zionedataliservizi,sidovràeffettuareunaconnessionealdispositivo.Peresempio,undi‐spositivo BLE che effettua un servizio di Thermometer esporrà nel proprio pacchetto diadvertisingl’UUIDsdelThermometerServicecheequivalealvalore0x0918;gliObserver,trovandonelpacchettoquestovalore,saprannocheildispositivoesponequestatipologiadiservizioe,seinteressatiaidati,dovrannoeffettuareunaconnessionealdispositivo.
Flag‐Sel’ADTypeèditipoFlag,ilcamposuccessivoècostituitodaunbyteilcuicontenu‐to indica ulteriori informazioni sullamodalità in cui il dispositivo si trova. Talimodalitàpossono essere, per esempio, General Discoverable Mode (il dispositivo è individuabilesenzalimitazioniditempo),LimitedDiscoverableMode(ildispositivoèindividuabilesoloperunperiodo limitatodi tempo),BR/EDRNotSupported(ildispositivononsupporta il
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Bluetooth®Classicoprecedenteallaversione4.0),etc.
ManufacturerSpecificData‐Sel’ADTypeèditipoManufacturerSpecificData,significachenelcamposuccessivosonopresentidaticustomcreatidalproduttoredeldispositivo.
Campo3datiInquestocamposonocontenutiidatieffettiviinbaseallatipologiadefinitadalcampopreceden‐teADType.EsempiodiAdvertisingDatacontenenteilcampoFlag:[02][01][01](2caratterirappresentano1byte)
Ilprimobyteèilcampodellalunghezzaecontiene02adindicarechenellastrutturadaticisaranno2byteaseguire.
Ilsecondobyte(ADType=01)indicacheilcampodatisuccessivoèditipoflag.
Ilterzobytecontieneilflag,cheinquestocasohavalore01edindicacheildispositivoBLEèditipolimiteddiscoverable.
Nell’esempioseguentel’AdvertisingDatahaunADTypeconvalore09adindicarecheilpacchet‐tocontieneil‘CompleteLocalName’deldispositivo;aseguireinfattisonocontenutiivaloriAsciidelLocalNamedeldispositivoequivalentea‘Pedometer’[0A][09][5065646F6D65746572]
BLEDeviceAddress:l’univocità,elementodistintivodelBLEL’elementochepermettedidistinguereunivocamenteunTagoundispositivoBLEdaunaltroèrappresentatodalBluetooth®DeviceAddress:similealMACAddressdeidispositiviEthernetecostituitoda48bit(6byte),ilBluetooth® Device Address può essere:
Pubblico,ossiapre‐programmatoall’internodeldispositivo,noncambiapertuttalasuavi‐ta(Registratoall’IEEERegistrationAuthority).
Random,pre‐programmatooppuregeneratodinamicamentedurantel’utilizzodeldisposi‐tivo.All’internodiquestacategoriaesistonoduesotto‐categorie: Indirizzi statici: tipicamente utilizzati al posto degli indirizzi pubblici, per evitare
l’onere della registrazione. In questo caso l’address può essere un numero generatorandomicamenteadogniavviodeldispositivo,oppurepre‐programmatoefissopertut‐taladuratadellostesso;inognicaso,nonpuòesseremodificatodall’utente.
Indirizziresolvable:sonoutilizzatiperfunzionidisicurezza.Inquestocasogliindirizzivengonogeneraticontinuamente(tramiteunachiaveedunnumerorandom)epossonocambiarespessoancheduranteladuratadiunaconnessione.Soloidispositiviacono‐scenzadellachiavepossonorisolverel’indirizzo:ciòimpedisceadispositivisconosciutiinscanningdirilevarel’apparatoBLE.
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BLE:tipologiediBeacon
BeaconBLEIltermineBeacon(faro)indicaundispositivocheinviaperiodicamenteunsegnaleradio,utiliz‐zatodaapparatiriceventiperpermettereaglistessidideterminarelapropriaposizionerispettoaidispositiviemettenti.UndispositivoBeaconBLEinviaquindiperiodicamenteunpacchettodiadvertising,ricevutodadispositiviObserveredelaboratoperpermettereaquest’ultimidicalcolarelapropriaposizioneinrelazioneaidispositiviBLEemettenti.Ilcalcolodellapropriaposizionerispettoaldispositivocheemetteilsegnalepuòessereeffettuatoanalizzandol’intensitàconcuil’Observerriceveilse‐gnale(RSSI=ReceivedSignalStrengthIndication).Inoltrel’Observer,analizzandoilpacchettodiAdvertisingricevuto,èingradodirecepireulterioriinformazionisuldispositivoBLEBeaconchelohaemesso,tracuil’identitàediserviziesposti.Sullabasediquesteinformazioni,puòpoiintraprendereazionicomesegnalareall’utentechesitrovainprossimitàdiunpuntodiinteresse,attivareunmessaggiopubblicitario,etc.
AppleiBeaconBLEAppleha creatounapropria strutturadipacchettodiAdvertising, conunaformattazionebenprecisa,perilposizionamentoindoordeipropridisposi‐tivibasatisuiOS.IdispositiviBLEcheemettonounquestotipodipacchettosonochiamatiBLEiBeacon.LatecnicadiposizionamentoindoorsiavvaledellalogicaBeaconpreceden‐tementedescritta: i dispositivi iBeaconemettonoperiodicamentepacchetti
di advertising (con formattazione iBeacon)destinati a dispositiviBLEdi ricezione (Observer),qualiadesempioSmartphoneoTablet; idispositiviObserver,dopoaverricevutotalipacchettiedanalizzatoilvalorediRSSIconcuivengonorecepiti,sonoingradodideterminarelapropriaposizionerispettoaiBLEiBeaconemettenti.Il pacchettodiAdvertisingdegli iBeacon contiene inoltre il valorediRSSI con cui il pacchettostessovienericevutoinviateoricaadunmetrodidistanzadaidispositiviObserver;questain‐formazioneagevolal’Observernelcalcolodellapropriaposizionerispettoall’iBeaconemettente.IlpacchettodiadvertisingBLEiBeaconcontieneinoltreicampiProximityUUID,MajoreMinorutili al raggruppamento dei BLE iBeacon ed al posizionamento indoor comemeglio descrittonell’esempioseguente.Immaginiamoloscenarioindoordiunarchiviodocumentaledispostoinunedificioapiùpiani.I BLE iBeacon possono essere inizializzati attribuendo al Proximity UUID il valore del pianoall’internodell’edificio,alMajorilnumerodistanzaall’internodelpianoedalMinorilnumerodiscaffaleall’internodellastanza.IldispositivomobileBLEdeterminainprossimitàdiqualescaffalesitrova,analizzandoilvalorediRSSIeffettivoedidaticontenutinelpacchettodiAdvertising(edificio,piano,scaffale).Questosistema,essendobasatosustandardBLE,nonèlimitatoaisolidispositiviApple,maèuti‐lizzabiledatuttiideviceBLEingradodiricevereunpacchettodiAdvertisingstandardBLE.UndispositiviBLEiBeaconèquindiunparticolaretipodiBLEBeacon.
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GoogleEddystoneBeaconBLEGoogle ha rilasciato a luglio 2015 il nuovo formato Eddystone, in grado diampliarelefunzionalitàdeiBeacone,diconseguenza,anchelaloropossibili‐tàdiutilizzo.Eddystone, altra particolare tipologia di dispositivo BLE Beacon, possiedeunabendefinitaformattazionedelpacchettodiAdvertisingDataepuòesse‐reinterpretatocomelarispostaopensourceagliiBeacondiApple.
IlpacchettodiAdvertisingformatoEddystonecontienetraglialtriiseguenticampi: UUID(0xFEAA)assegnatodaBluetooth®SIG,identificalatipologiaEddystone EddystoneTypeFrame(TipologiadipacchettodiAdvertising) Datidipendentidallatipologiadelframe(campoEddystoneTypeFrame)
CampoUUID0xFEAAQuestoèilnumerodiservizioassegnatoaGoogledaBluetooth®SIGcheidentificaappuntolati‐pologiaEddystone.CampoEddystoneTypeFrameQuestocampoindical’EddystoneTypeFrame,ossialatipologiadelpacchettodiAdvertisingtraletretipologieadoggipossibiliperilformatoEddystonequali:
Eddystone‐UID Eddystone‐URL Eddystone‐TLM
Campodati(Ilcontenutovariaasecondadellatipologiadelpacchetto):CampodatipertipologiaEddystone‐UIDQuandolatipologiadiframeèditipoEddystone‐UID,ilpacchettocontieneunidentificativouni‐vocodi16byte,denominatoBeaconUID;questoècompostodaduecampidiversi,unoda10by‐tedenominatonamespaceedunodi6bytedenominatoinstance.IlcampoBeaconUID(simileaicampidiiBeaconProximityUUID,Major,Minor)èutilepercodi‐ficareildispositivoall’internodiunabasedati.Lapartenamespacepuòessereutilizzataperco‐dificare un particolare gruppo di Beacon, mentre il campo instance può essere utilizzato peridentificareundeviceparticolareall’internodelgruppo.CampodatipertipologiaEddystone‐URLQuandolatipologiadiframeèditipoEddystone‐URL,ilpacchettocontieneunURLincompres‐sedencoding formatperpermetteredimemorizzaremaggiori informazioninel limitatospaziodisponibileinunpacchettodiadvertising.Unavoltadecodificato,l’URLpuòessereutilizzatodaqualsiasiclientperaccedervitramiteinternet.CampodatipertipologiaEddystone‐TLMLatipologiadi frameèdi tipoEddystone‐TLMecontiene informazionidi telemetriarelativealdispositivocheemetteilpacchetto,comeadesempioillivellodellebatterieelatemperaturain‐terna.
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BLEunconventional:logicaedarchitettura
…versolavisioneBLEunconventionalNatonellacornicedelmarketingdiprossimità,ilBLEpoggiasuunaclassicaarchitetturatecno‐logica, in cui il tagBeacon (Broadcaster)èposizionato inprecisipuntidiun’area (locale com‐merciale, sia esso retail, di ristorazione,didivertimentoo cultura) e, quandouno smartphoneconunaappappositamentedisegnataentranelraggiod’azionedelBeacon,riceveunanotifica,ossiaunmessaggio(advertising).Ispiratidallanostraesperienza inambitoRFID,abbiamo implementato la tecnologiaBLEsullabasediun“reverseconcept”rispettoallavisionetradizionale,conl’obiettivodirealizzareinmodosempliceeconcostiridottiunsistemaRFIDattivoperl’identificazioneautomaticaelalocaliz‐zazione(RTLS)dipersoneedoggetti:ideviceBlueWavebyRFIDGlobalconsentono,contem‐pi di istallazione emanutenzionemolto contenuti, di realizzare simili architetture inmodalitàuserfriendlyenoninvasiva,facendolevasututtiiplusapplicatividiquestatecnologia.
In una simile visione gli apparati BLE operano con una logica speculare rispetto alla concezione tradizionale del Bluetooth® Smart, invertendo così l ’architettura tecnologica tradizionale: è la persona o l ’oggetto da rilevare ad essere dotato del tag Bea‐con, mentre nell’area da monitorare sono installati gateway rea‐der BLE per rilevarne il movimento, il tutto ispirato alla logica dell’RFID attivo.
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BlueWaveBluetooth®SmartGateway&TagBeaconNellavisione‘unconventional’diRFIDGlobal,idispositiviBLEchesegnalanoperiodicamentelapropriapresenzasonodefinitiTagBLEBeacon,mentre idispositiviBLEObserver(eCentral)sonochiamatiBlueWaveBluetooth®SmartGateway.I Tag BLE Beacon possono emettere un pacchetto di Advertising in qualsiasi formato tra cuiiBeaconedEddystone.IlBlueWaveBluetooth®SmartGatewayvieneutilizzatoperrilevareinanti‐collisioneipacchettiprovenientidaiTagBeaconBLE(oaltridispositiviBLE)cheentranonelsuoraggiodiazione:ildispositivoè ingradodiricevereipacchettidiadvertising,estrarne le informazionirilevantienotificarleadunserverTCPinascolto.Leinterfaccedicomunicazioneversoilserverhostsono:Ethernet,Wi‐FioGPRS.
BlueWaveBluetooth®SmartGateway‐ConnettivitàIoT/Cloud
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DatitrasmessieFiltering
LeinformazionicheilBlueWaveBluetooth®SmartGatewayinviaalserverinascoltosono: InformazioniestrattedalpacchettodiAdvertising:
o AddressdeltagBLEBeacono Pacchettodiadvertisingcompleto.
InformazionirilevatedalGateway:valorediRSSIeffettivoconcuiilpacchettoèstatori‐cevuto.
RSSIFilteringTralecapacitàprestazionalidelBlueWaveBluetooth®SmartGatewayfiguranoanchelepolitichedifiltering,affinchéildispositivoprendainconsiderazionesoloTagBLEBeacondipropriointe‐resse.AttraversoilsettaggiodelvalorediFilteringRSSIècosìpossibilediscriminareipacchettidiad‐vertisingricevutiinbaseall’intensitàdellorosegnale:impostandoundeterminatovalore,ildi‐spositivoprendeinconsiderazionesolo ipacchettidiadvertisingchehannoun’intensitàdise‐gnalemaggioreougualealvalore impostatonelparametrodi filteringRSSI, scartandoglialtripacchetti.Questa funzionalità presente nel dispositivo permette per esempio la definizione di areeall’internodellequaliipacchettidiadvertisingvengonoconsiderativalidimentre,aldifuoridiqueste,vengonoignorati.AdvertsingMaskPacketFilteringSuognidispositivoBlueWaveBluetooth®SmartGatewayèinoltrepresentelapossibilitàdiim‐postareunfiltro(omaschera)daapplicareaipacchettidiadvertisingprovenientidaiTagBLEBeacon,perriceveresoloipacchettidipropriointeresse.Lamascheraèunvalorealfanumericoche,unavoltasettatoneldispositivo,fainmodocheque‐stoconsiderisoloipacchettidiadvertisingchecorrispondonoatalevalore,scartandoglialtri.Grazieallasuaflessibilità,BlueWaveBluetooth®SmartGatewaypuòessereutilizzatoinvaricon‐testiapplicativi,comeadesempiol’identificazioneedilmonitoraggiodiitemsdotatidiTagBLEBeacon.InquestocasoilBlueWaveBluetooth®SmartGatewaypresidiaunadeterminataareaincuisonopresentipersone/oggetti(fissiomobili)equipaggiaticonTagBLEBeacon,rilevandolicontinua‐tivamenteedinviandoidatiall’hostdiback‐endperlaloroelaborazione.Ilsistemaèdunqueingradodiconoscereintemporealelaposizionedipersone/oggettieracco‐gliereinformazionisullapresenza/movimento.Loscenariodel controlloaccessibenesprime lepotenzialitàdelgatewaydi selezionare,attra‐versopolitichedifilteringdiRSSIodimascheraturadeipacchetti,qualitagBLEBeaconelabora‐reequaliinvecescartare.DopoaverconsegnatoallepersoneTagBLEBeaconopportunamenteconfigurati,l’apparatoga‐tewaynericeveipacchettie,seinlineaconlamaschera,lielaboraegeneraun’azione(esempio:abilitazionediunrelècollegatoadunaportaoadunasbarra)oppureliinviaalback‐endperabi‐litarel’accessoall’area.Naturalmente è possibile configurare ed installare più dispositivi BlueWaveBluetooth® SmartGateway,ognunoconunapropriamascheraperconsentirel’accessoallediversearee.
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AlcuniscenariapplicativideiGatewayReaderBlueWave.
Il vantaggio nell’uso unconventionaldella tecnologia BLE consiste in unsapientemixdeipregidell’RFIDpas‐sivoediquelloattivo,bypassandoneperòalcunilimititecniciodeconomi‐cidelleduetecnologie:larilevazionedell’identità del tag Beacon avvieneadunadistanzamaggiore rispettoaltagRFIDpassivo,senzaperòsoffriredellapresenzadi liquidi emetalli edoperandosullobasediunostandard
worldwide(adifferenzadell’RFIDattivo,chepoggiasuunprotocolloproprietario),quindiaper‐toalconcettobasedell’IoT,l’interoperabilità.IdeviceBlueWavediRFIDGlobalsonolarispostatecnologicavincenteinalternativaall’RFIDattivograzieaicostiinferioridirealizzazione,oltrecheallamaggioreflessibilitàtipicadelBlue‐tooth®, che consente, ad esempio, dimodulare l’intensità e i tempidella trasmissionedei dati(pingrate).SimiliconsiderazioniapronoalBluetooth®Smartdanoiinterpretatomolteplicisbocchiapplica‐tivi,tracui:
Safety&Securityo AziendeManifatturiere ed in particolareOil&Gas (Atex): controlloDPI; sicurezza am‐
bientedilavoro(uomo/impianti/mezzi,etc);gestioneasset;etc.o Sanità: tracciabilità pazienti, personale ed apparecchiature medicali; controllo pazienti
conproblemicognitivi;nursery(controllomamme/bambini);etc.
SmartCityo Ticketing(BiBo–BeIn/BeOut:tariffazionetrasportoperl’esattapercorrenza).o Gestioneservizialcittadino(gestionerifiuti,ZTL,smartparking,etc…).
FacilityManagemento Gestione ed ottimizzazione degli spazi, degli ambienti e delle risorse per ottimizzare
l’erogazionediservizi(riscaldamento,refrigerazione,energia,etc).o Accessoaservizie/oambienti(controllopresenzeedaccessipedonalieveicolari).o Hospitality(alberghi,residence,camping,crociere,darseneemarina,etc).
Manufacturing&Maintenanceo Controllofasiproduttiveecontrollopersonaleo Movimentazionemerci,controlloegestioneasset,manutenzioniimpianti
Turismoetempoliberoo Esperienzeimmersiveinmusei,mostre,eventi,parchi,città,etc…o Bike&Carsharing.
Trasportio Sicurezza,tracciamentoemanutenzioneautomezzi.o Tracciabilitàeverifica(anti‐effrazione)dicontainer.o Controllotrasportovalori(es.vigilanza/banche,opered’arte,valoripostali)o Controllotrasportofarmacieprodottialimentari(catenadelfreddo).
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Webgrafiaedapprofondimenti
https://www.bluetooth.org/en‐ushttp://www.bluetooth.com/https://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth_low_energyhttps://en.wikipedia.org/wiki/IBeaconhttps://developer.android.com/guide/topics/connectivity/bluetooth‐le.htmlhttps://github.com/google/eddystone/blob/master/protocol‐specification.mdhttps://developer.apple.com/ibeacon/http://www.rfidglobal.it/bluetooth‐smart/
Note
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