藍(lán)牙低功耗（BLE）技術(shù)透過(guò)支援超低功耗作業(yè)的無(wú)線應(yīng)用，為設(shè)計(jì)者創(chuàng)造了許多全新的應(yīng)用機(jī)會(huì)，特別是結(jié)合近場(chǎng)通訊（NFC）技術(shù)的諸多優(yōu)勢(shì)。

　　目前有兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域引起市場(chǎng)越來(lái)越濃厚的興趣——安全的頻外（OoB）配對(duì)，以及基于BLE物聯(lián)網(wǎng)（IoT）系統(tǒng)概念的近場(chǎng)應(yīng)用。本文將針對(duì)這兩個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行探討，同時(shí)思考如何利用最新的半導(dǎo)體技術(shù)和支援工具簡(jiǎn)化這兩個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的建置。

　　藍(lán)牙低功耗技術(shù)&近場(chǎng)通訊

　　藍(lán)牙低功耗（BLE）技術(shù)是專為IoT開(kāi)發(fā)的節(jié)能、友善應(yīng)用版藍(lán)牙技術(shù)。藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth SIG）改善其低功耗技術(shù)，于2014年12月發(fā)布了BT 4.2版，新增特點(diǎn)包括增強(qiáng)的資料加密性、支援網(wǎng)際網(wǎng)路協(xié)定（IP）以及較4.1版更快的速度。功能進(jìn)一步增強(qiáng)的Bluetooth 5預(yù)計(jì)也將在2016年底推出。

　　傳統(tǒng)藍(lán)牙的優(yōu)點(diǎn)在于通訊范圍、普遍性和低建置成本。BLE明顯提供了更低的功耗，對(duì)于主導(dǎo)IoT并以鈕扣電池供電的行動(dòng)和穿戴式平臺(tái)而言，這無(wú)疑是非常理想的解決方案。

　　諸如智慧型手機(jī)等現(xiàn)代裝置均已采用BLE技術(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)配備。此外，也逐漸加入了NFC技術(shù)。NFC的應(yīng)用領(lǐng)域包括支付、門(mén)禁，以及攸關(guān)安全而采用藍(lán)牙通訊可能會(huì)被第三方惡意攔截的領(lǐng)域，這就是所謂的“中間人”（Man in the middle，MITM）現(xiàn)象。

　　NFC提供了與藍(lán)牙非常不同的無(wú)線通訊途徑。首先，NFC涉及的距離最多為100mm。其次，可進(jìn)行傳輸?shù)馁Y料量和類型有限且受到高度控制，具體取決于所嵌入的NFC安全方案。相形之下，藍(lán)牙可以傳輸距離達(dá)100m范圍內(nèi)的各種資料類型。

　　OoB提供安全配對(duì)

　　結(jié)合NFC的安全性以及藍(lán)牙的開(kāi)放式通訊，將帶來(lái)實(shí)質(zhì)的好處。藍(lán)牙采用AES-128加密，能有效地防止竊聽(tīng)或解密所截獲的封包。然而，利用NFC改善配對(duì)等活動(dòng)，將同時(shí)提高安全性和使用便利性。

　　由于NFC要求裝置處于接近的位置，因而避免了MITM的問(wèn)題，以及防止未經(jīng)用戶認(rèn)可或允許的裝置連接。其具體方法是傳送用于配對(duì)資訊的安全金鑰，即所謂的OoB配對(duì)，而且只在有限的NFC范圍內(nèi)進(jìn)行。NFC配對(duì)簡(jiǎn)單且直接，通常只需將兩個(gè)裝置短暫接觸即可完成。

　　NFC標(biāo)簽降低IoT功耗

　　例如，每隔幾周或幾個(gè)月進(jìn)行人工讀取的智慧電表。電表的連接電路可能保持完全斷電狀態(tài)，直到操作人員將NFC讀取器或啟用NFC的行動(dòng)裝置靠近‘標(biāo)簽’時(shí)才通電。喚醒電表的初始能量由NFC天線提供，意即BLE裝置可能一直處于深度睡眠模式，以確保盡可能降至最低功耗，因?yàn)樵跓o(wú)需長(zhǎng)時(shí)間操作的情況下，BLE IoT節(jié)點(diǎn)并不會(huì)檢查通訊請(qǐng)求‘廣播’。而當(dāng)建立讀取裝置的可信度后，便可使用BLE建立連接。

　　OoB配對(duì)實(shí)作

　　雖然，這個(gè)操作過(guò)程給人的第一個(gè)感覺(jué)是可能很復(fù)雜，但事實(shí)上，配對(duì)和通訊相當(dāng)簡(jiǎn)單直觀。而且，NFC和藍(lán)牙都各自“發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)”。

　　首先，行動(dòng)裝置放在靠近NFC裝置附近，例如，將智慧型手機(jī)或平板電腦輕觸一下支付終端或印表機(jī)（如果是在辦公環(huán)境中）。舉例來(lái)說(shuō)，在配備東芝（Toshiba） TC35670 BLE + NFC標(biāo)簽晶片的裝置中，由行動(dòng)裝置中NFC天線而來(lái)的電能將‘喚醒’固定裝置，并透過(guò)NFC安全地傳送其藍(lán)牙認(rèn)證。

　　當(dāng)行動(dòng)裝置偵測(cè)到周圍出現(xiàn)固定裝置時(shí)，即透過(guò)NFC發(fā)出配對(duì)請(qǐng)求。使用者就不必檢查并輸入數(shù)字串以確認(rèn)配對(duì)中的裝置是否正確。這種安全傳輸機(jī)制防止安全密鑰被‘中間人’不經(jīng)意或惡意地?cái)r截。

　　配對(duì)完成后，兩個(gè)裝置就可以開(kāi)始進(jìn)行AES-128加密的安全藍(lán)牙通訊，以實(shí)現(xiàn)資料的傳輸。行動(dòng)終端可能會(huì)根據(jù)NFC資料內(nèi)容啟用應(yīng)用程式。

　　*圖1：結(jié)合BLE和NFC的設(shè)計(jì)，采用了東芝TC35670 BLC+NFC標(biāo)簽晶片、藍(lán)牙和NFC天線 *

　　新的衍變應(yīng)用：Beacon

　　使用NFC的近場(chǎng)偵測(cè)功能，然后透過(guò)BLE安全地傳輸資訊，可以衍生出全新的應(yīng)用，其中之一就是信標(biāo)（Beacon）。Beacon具有極低功率、低復(fù)雜度，而且能為近場(chǎng)裝置（以及使用者）提供簡(jiǎn)單的資料。Beacon可用于推廣、導(dǎo)航、建筑物管理和資產(chǎn)管理等眾多室內(nèi)應(yīng)用領(lǐng)域。當(dāng)Beacon完成定位后，附近的應(yīng)用程式（App）使用者在開(kāi)啟該App時(shí)將從發(fā)送的微定位通知獲益。

　　圖2：Beacon可實(shí)現(xiàn)定位行銷以及許多其它有價(jià)值的商業(yè)用途

　　一般而言，Beacon是極低功率的裝置，通常由小型的鈕扣電池供電，且必須能連續(xù)使用數(shù)周、數(shù)月甚至是數(shù)年的時(shí)間。在零售店內(nèi)，客戶可經(jīng)由App選擇特定商品并取得引導(dǎo)而直接找到商品，或者是向客戶推送店中的特價(jià)商品。在雜貨店內(nèi)，Beacon可指引客戶以最有效率的方式獲取清單上的物品。而在商業(yè)環(huán)境中，配備Beacon的資產(chǎn)可以輕松進(jìn)行追蹤或定位，從而實(shí)現(xiàn)安全高效率的作業(yè)和維護(hù)。

　　Beacon應(yīng)用幾乎是無(wú)限制的。行銷團(tuán)隊(duì)每天都?jí)粝胫_(kāi)發(fā)出使用這種技術(shù)的新方法。例如，在體育場(chǎng)或大型劇院中，Beacon可以引導(dǎo)消費(fèi)者找到座位或場(chǎng)館內(nèi)的任何位置。潛在的應(yīng)用還包括支援銷售服務(wù)，例如提供相關(guān)的商品和促銷推廣活動(dòng)，以及協(xié)助購(gòu)買商品的退稅流程等。

　　BLE和NFC提供了新應(yīng)用的可能性。Beacon通常是簡(jiǎn)單發(fā)布URL或位置等資訊的單向裝置。然而，另一種應(yīng)用場(chǎng)景可以是透過(guò)BLE空中更新Beacon的軟體和內(nèi)容、透過(guò)NFC配對(duì)機(jī)制進(jìn)行觸發(fā)和保護(hù)。透過(guò)NFC標(biāo)簽連接至Beacon的步驟比透過(guò)藍(lán)牙配對(duì)更簡(jiǎn)單，同時(shí)，由于得以阻擋安全資訊被截取，而使其更具潛在安全性。

　　Beacon技術(shù)的發(fā)展與落實(shí)

　　正如大多數(shù)的新興技術(shù)一樣，快速向市場(chǎng)提供功能硬體和軟體的競(jìng)賽也正展開(kāi)中，其目標(biāo)是在使用者采納新技術(shù)的早期階段迅速搶攻市占率。其中最大的挑戰(zhàn)之一是許多工程團(tuán)隊(duì)在建置新技術(shù)時(shí)所面臨的陡峭學(xué)習(xí)曲線。

　　為了協(xié)助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)快速向市場(chǎng)提供功能完整的Beacon技術(shù)，最新的半導(dǎo)體技術(shù)以及支援工具有助于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)建置。例如東芝基于超低功耗BLE IC （TC35667）和BLE + NFC結(jié)合標(biāo)簽晶片（TC35670）的參考設(shè)計(jì)。該參考設(shè)計(jì)是尺寸僅17mm x20mm的小型模組，其中包括TC35667FTG、振蕩器、EEPROM、內(nèi)建天線以及1.27mm間距的測(cè)試連接。使用TC35670時(shí)，也提供對(duì)于外部NFC天線的連接。而在廣播時(shí)，其峰值功耗只有5.9mA；深度睡眠模式的模組功耗極低，僅為0.1μA。平均功耗則取決于所選擇的廣播周期。在1秒周期時(shí)，其典型平均功耗不超過(guò)30uA。

　　圖3：基于TC35667FTG的開(kāi)發(fā)套件，尺寸約17mm x 20mm

　　該參考設(shè)計(jì)套件提供了各種以客戶為導(dǎo)向的選擇。其中包括為應(yīng)用程式改變IC以支援BT 4.1（TC35676）或BT 4.2（TC35678），以及內(nèi)建快閃記憶體（以取代外部EEPROM）。同時(shí)提供了全面的支援和檔案記錄，包括原理圖、物料清單、布局指南、Gerber檔案和天線方向圖等。此外，還提供了模組化解決方案以及編程開(kāi)發(fā)套件等。

　　東芝還提供了藍(lán)牙軟體開(kāi)發(fā)套件（SDK），該完整的解決方案簡(jiǎn)化了東芝藍(lán)牙LSI的使用，同時(shí)也顯著縮短了上市時(shí)間。它可支援多個(gè)晶片組和平臺(tái)，包括基于主機(jī)的獨(dú)立式BLE系統(tǒng)、SPPover BLE設(shè)定檔、BLE + NFC組合功能。軟體API支援BLE GATT伺服器和用戶端，以及GAP中心&周邊功能。

　　圖4：SDK是基于現(xiàn)有技術(shù)的多功能工具

　　如今無(wú)需進(jìn)行太多設(shè)計(jì)任務(wù)，即可完成Beacon的配置以搭配任何標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)者簡(jiǎn)單規(guī)定了資料陣列中的資料格式，然后編制一個(gè)單獨(dú)的函式呼叫程式以配置信標(biāo)。接著編譯標(biāo)準(zhǔn)C++除錯(cuò)環(huán)境、執(zhí)行SDK程式碼，最后即可執(zhí)行該Beacon技術(shù)。例如透過(guò)結(jié)合東芝的SDK，即可輕松地整合任何可用的Beacon標(biāo)準(zhǔn)，包括蘋(píng)果（Apple）的iBeacon、Radius Networks的AltBeacon，以及Google Eddystone等。