Протокол Bluetooth Low Energy: поддержка устройствами и специфика работы
Способов трансляции данных «по воздуху» создано и используется довольно много. Популярностью обзавелся протокол BLE, который внедрен в электронику различного типа и успешно используется и по сей день. Что из себя представляет данный протокол и в каких сферах применим — рассмотрено в этой статье.
Зачем разработали BLE
После изучения и успешного применения передачи информации без проводов, появилась потребность передавать данные, используя устройства с автономными источниками питания. Проблема состоит в том, что с этим устройством должно работать еще одно, которое постоянно передает данные либо слушает эфир.
Если у приемника и передатчика имеется батарейное питание, то наблюдаются проблемы со связью при разрыве постоянной передачи связи для экономии энергии, которые решили с новым протоколом передачи данных BlueTooth Low Energy (BLE).
BLE – это режим низкого энергопотребления, способствующий экономии заряда аккумулятора у сопряженных устройств.
Протокол стал частью Bluetooth 4.0. Операционная система Android поддерживает BLE с версии 4.3. В качестве пары, работающей с BLE, берется телефон с современной ОС, совместно с батарейной малой техникой (например, гарнитура). Но не исключены и взаимодействия иных гаджетов.
Чтобы принимать и передавать данные в необходимом объеме беспроводным способом, в стандарт Bluetooth LE включена скорость передачи информации, равная 1 Мбит/сек. Постоянный обмен данными затрачивает энергию, тем самым расходуя ее запасы. Поэтому протокол подразумевает разрыв постоянного эфира для экономии. Поэтому в протоколе не только важна скорость, а и то, что гаджеты умеют синхронизироваться друг с другом тогда, когда это необходимо.
Около 99% всего времени гаджеты спят и экономят энергию. Потом просыпаются на короткий период для обмена данными и снова засыпают. Но чтобы пребывать в данном режиме, устройства сперва между собой необходимо синхронизировать. Этот режим и называется advertising.
В каких сферах применяется
Протокол BLE используется по сценарию: редко передавать данные и обрабатывать долгое время. В частности, возможно использование двухрежимных гаджетов BLE в смартфонах, планшетных ПК, ноутбуках. Однорежимные могут использоваться во множестве сфер деятельности. Под эти сферы попадают устройства из разделов здоровья, автоматизации, анализа, управления.
Множество задач могут решаться, когда в радиусе двухуровневого модуля определяются иные одноуровневые BLE-приборы. К этим приборам относятся приборы-сигнализаторы, что уведомляют владельца об удалении от сумки, барсетки, кошелька, переносной тары и иных персональных вещей, оснащенных BLE-модулем. Отличное применение данным брелкам с BLE находят в качестве маячков для ребенка, чтобы не потерять его в достаточно людных местах.
Устойчивая работа и низкое энергопотребление протокола BLE позволяют рассматривать его в качестве замены NFC, а именно RFID-меток. Но вариант совмещенной работы BLE + NFC выглядит более привлекательно. BLE дает большой радиус, сопряженный с устойчивой работой, второй отвечает за логическое сопряжение пары, плюс обеспечивает надежную защиту за счет малого радиуса действия.
Не обходят стороной данную спецификацию в системах умных домов. Работа приборов через блютуз с низким энергопотреблением позволяет открывать удаленно двери, ворота и приводить в действие прочие механизмы с большого расстояния, подолгу не меняя аккумулятор в беспроводном и компактном органе управления.
Кроме того, внедрение в смартфон, который всегда под рукой, BLE-модуля позволит на приличном удалении через сопряженные каналы управлять любыми приборами и аксессуарами умного дома. Или подключаться к сенсорной панели для удаленного управления с другой комнаты.
Поддерживаемые устройства
Определение поддержки
Множество таких «определителей» находится в Play Market и доступны для использования бесплатно. Модели телефонов, выпущенные до 2015 года включительно, могут не поддерживать данную опцию.
Вопросы безопасности BLE
Защита канала передачи данных между парой устройств в протоколе BLE обусловлена двумя режимами LE Секьюрити мод 1 и LE Секьюрити мод 2. Первый режим работает на Data Link layer (DLL), второй на AT&T.
На DLL в протоколе Bluetooth LE присутствует шифрование и аутентификация с помощью технологии построения аутентификационного кода сообщения из блочного алгоритма шифрования (CCM) и шифра AES-128. При работе CCM и AES-128, добавляется к ним Protocol Data Unit и дополнительное сообщение для идентификации целостности, размером 4-байта, после которого PDU и сообщение шифруются.
Режимы безопасности включают в себя несколько уровней, используемых в зависимости от типа соединения.
Различия протоколов Bluetooth
Так как Блютуз с низким энергопотреблением вошел в спецификацию Bluetooth 4.0, то технические сравнения проведены с классической версией.
Классический Блютуз
Bluetooth Low Energy
Частота радиосигнала
Дальность действия
Количество ведомых устройств
Опция зависит от реализации
128-бит AES + Counter Mode
Общее время передачи информации (минимум)
Различия между BR / EDR и BLE-модулями в том, что первый делит полосу пропускания на 79 каналов с разносом в 1 МГц, а второй работает с передатчиком и приемником для разделения полосы на 40 каналов, с разбросом в 2 МГц.
Заключение
Bluetooth Low Energy – это протокол, специально разработанный для устройств с ограниченным источником автономной энергии, нуждающихся в отправке информации на протяжении нескольких дней или недель без подзарядки. Двухрежимными модулями BLE оснащаются смартфоны, планшетные ПК, ноутбуки. Однорежимные модули BLE используются в мелкой электронике и аксессуарах, типа измерителей пульса или бесконтактных ключей.
Как подключить и настроить смарт-часы? Детальная инструкция
Купили умные часы, но не знаете, как подключить смарт-часы к телефону? Рассказываем про все возможные варианты.
Содержание
Как подключить смарт-часы к Apple
Как подключить смарт-часы к Android
Как подключить смарт-часы Amazfit
Как подключить смарт-часы Honor
Как подключить смарт-часы Xiaomi
Как подключать детские смарт-часы
Приложения для подключения смарт-часов к телефону
Частые ошибки и проблемы
Как подключить смарт-часы к Apple
Соединить умные часы (даже на платформе Android) и гаджет Apple — самая простая задача. Расскажем пошагово, как подключить смарт-часы к айфону.
1. Активируйте Wi-Fi и Bluetooth на часах и смартфоне.
2. Включите устройство (оно должно быть на той руке, где планируете носить). Дождитесь появления на экране логотипа компании.
3. Положите смартфон рядом с часами. Подтвердите предложение создать пару. Поднесите циферблат к камере смартфона. Через пару минут устройства синхронизируются. Затем через идентификатор введите ID после появления запроса или в настройках (пункт «Основные»).
4. Настройте устройство (подсказки появятся на экране смартфона).
Если программное обеспечение устарело, смарт-часы предложат его обновить. Смело принимайте апдейт.
Однако, если у вас Android-смартфон, соединить его с Apple Watch невозможно. Часы будут работать с ограниченным функционалом — в режиме таймера, будильника, контроля сна и прогноза погоды.
Как подключить смарт-часы к Android
Подключить смарт-часы к телефону «Андроид» также просто.
1. Предварительно установите на смартфон приложение Wear OS либо то, что подходит к модели приобретённого гаджета (например, Huawei Health для Honor, Huawei, Galaxy Wearable — для Samsung).
2. Включите на устройствах Bluetooth и разместите их рядом.
3. Откройте приложение на телефоне. Выберите пункт «Добавить новое устройство» или «Настройка», дождитесь, пока появится название модели гаджета.
4. Если нужно, введите пин-код (он указан в инструкции или на коробке). Кликайте на значок «Подключиться».
5. Если всё прошло успешно, появится слово «Подключено».
Аналогично можно подключить смарт-часы к телефону «Самсунг».
Как подключить смарт-часы Amazfit
1. Включите Bluetooth. Поместите гаджет рядом с телефоном.
2. В приложении Mi Fit найдите «Мои устройства». Выбирайте Amazfit Bip для сопряжения.
3. На часах появится запрос о сопряжении. Поставьте галочку и подождите минуту.
Как подключить смарт-часы Honor
1. Включить Bluetooth.
2. Установить на смартфон приложение Huawei Health.
3. Открыть его и зайти в раздел «Устройства». Нажать «Добавить».
4. Выбрать «Умные часы» и своё устройство из списка. Затем нажать «Сопрячь». Начнется поиск устройств, и в результатах нужно выбрать свой гаджет.
Как подключить смарт-часы Xiaomi
1. Включите Bluetooth.
2. Скачайте на смартфон приложение Mi Fit из Google Play или App Store.
3. Зарегистрируйте аккаунт. Важно в настройках региона выбрать «Материковый Китай», иначе часы работать не будут.
4. В основном меню, куда вы затем попадаете, нажмите на иконку «Плюс». В открывшемся списке выбирайте смарт-часы.
5. Жмите на кнопку, удерживайте её до тех пор, пока часы не завибрируют.
6. На экране смартфона нажмите на иконку часов и на кнопку на самих часах. Синхронизация завершена.
Как подключить детские смарт-часы
Многие родители уже купили своим детям смарт watch часы. Как подключить гаджет к телефону?
1. Активируйте сим-карту в обычном смартфоне.
2. Отключите пин-код в разделе «Безопасность».
3. Подключитесь к интернету и зайдите на любой сайт.
4. Извлеките симку из смартфона и поместите в гаджет.
Если нужно настроить GPS, то в программе SeTracker откройте «Режим работы геолокации» и выбирайте один из трёх. «Нормальный» — самый оптимальный, информация о местоположении ребёнка обновляется каждые 10 минут.
Приложения для подключения смарт-часов к телефону
До того как подключить китайские смарт-часы к телефону, установите базовые приложения для синхронизации гаджетов. Если хотите подключить смарт-часы «Ксиаоми», установите приложение Mi Fit. Оно подойдёт, чтобы подключить смарт-часы Мi Fit и Amazfit. Приложение Huawei Health — для тех, кто хочет подключить к смартфону смарт-часы «Хонор». Другое приложение — для часов Samsung Galaxy Watch — называется Galaxy Wearable.
На начальном этапе установите базовые приложения: будильник, трекинг здоровья, звонки, калькулятор, таймер. Также обратите внимание на эти 50 полезных приложений для смарт-часов. Среди них есть приложения для спорта, путешествий, медитаций, работы и детей.
В большинстве гаджетов время и дата настраиваются автоматически. Если этого не произошло, можете установить их самостоятельно в «Настройках». А уведомления настраиваются в приложении для синхронизации со смартфона. Поменять язык можно во вкладке «Язык и время» или Language.
Также можно соединять часы и смартфон по Wi-Fi. Для часов с Android есть специальное приложение SeTreker. С Apple Watch проблем с подключение к Wi-Fi не возникнет, если есть хорошая сеть.
Частые ошибки и проблемы
Как подключить китайские смарт-часы и при этом избежать проблем? Все делали правильно, а почему-то смарт часы не подключены?
Обычно это связано с 4 причинами:
1. Нужны обновления. Поэтому если гаджет их предлагает — принимайте.
2. Разряженный аккумулятор или слабо держит зарядку. Зарядите смарт-часы полностью перед подключением.
3. К Bluetooth подключены сторонние устройства. Например, у вас подключены беспроводные наушники, а стандарт Bluetooth 5.0 (он есть во всех современных смартфонах Samsung, Huawei, Xiaomi, Apple), тогда вопросов нет — часы подключатся. Но в более старых моделях (например, Samsung Galaxy Note 4 или Oppo F5) с версиями Bluetooth 4.1 и 4.2 нужно отключить другие устройства, чтобы синхронизировать смартфон со смарт-часами. Узнать версию Bluetooth можно с помощью бесплатного приложения AIDA64 в Play Market или App Store.
4. Если смартфон не видит смарт-часы, а с зарядкой, интернет-соединением и блютузом всё в порядке, проверьте, не забыли ли вы про специальное приложение. Положите гаджеты ближе друг к другу. Не помогло? Тогда осталось их перезагрузить.
Если следовать инструкции, проблем с тем, как подключить смарт-часы, быть не должно.
Как только люди научились передавать информацию без помощи проводов, встала задача передачи данных, используя устройство с батарейным питанием. Проблема в том, что ему должно помогать другое устройство, которое будет постоянно либо прослушивать эфир, либо передавать данные. Проблема возникает в том случае, если и приемник и передатчик имеют батарейное питание. В этом случае приходит на помощь BlueTooth Low Energy (BLE). Он впервые вошел в протокол BlueTooth 4.0. На данный момент уже вышла спецификация BlueTooth 5.0, однако мы будем рассматривать в основном формат BlueTooth 4.0, иногда указывая нововведения для формата 5.0. В качестве одного из устройств обычно выступает смартфон, а второго — батарейный гаджет. Андроид поддерживает BLE с версии 4.3.
Для передачи и приема данных необходима энергия, поэтому поднимают скорость передачи данных, что бы в единицу времени успеть передать больше информации. Для этого в BLE принята скорость передачи информации в 1 Mbit/c. Однако не только скорость передачи данных важна. Самым важным в BLE является то, что устройства связи умеют переходить в синхронный режим работы. Другими словами, устройства спят 99% времени, потом просыпаются на очень короткое время, обмениваются информацией и опять засыпают. Однако перед тем как войти в этот режим, необходимо пройти процедуру синхронизации. Для этого существует режим «advertising». Его мы рассмотрим позднее. А перед тем как погрузится в описание протокола BLE, хотелось бы затронуть тему инструментальных средств, для работы с протоколом BLE.
Инструменты
Для того чтобы разобраться во всем многообразии посылок и запросов нам необходимы инструментальные средства. С их помощью мы смогли бы увидеть содержимое посылок и проконтролировать механизм взаимодействия между устройствами. Для этих целей мы будем использовать nRF51822 Development Dongle (PCA10000), программу сниффера и, для отображения результатов, хорошо известную всем сисадминам программу «Wireshark».
Программы бесплатные, но достать сам донгл может оказаться проблемой. Однако без инструментария, заниматься разработкой таких сложных устройств будет весьма проблематично. На первом этапе может помочь программа на андроиде «nRF Connect».
Она позволяет сканировать эфир, находить и разбирать посылки как присоединяемых, так и не присоединяемых устройств. У Nordic-a есть и ещё инструменты для разработки BLE устройств, но нам будет достаточно этих. На российском рынке присутствует представитель компании Nordic – фирма «Rutronik» (rutronik24.com, rutronik.com). Через её представителей можно приобрести необходимые микросхемы, отладочные платы и т.д. Кроме того, в интернете имеется форум, на котором представители фирмы отвечают на вопросы разработчиков.
Сначала вкратце поговорим о том, как пользоваться нашими инструментами. Вставим в разъем USB наш донгл и запустим программу ble_sniffer_win. Мы увидим следующее окно.
Если донгл увидит BLE устройства, то внизу появится информация о них. В данном случае, в эфире присутствует одно устройство с именем «TestBLE». Так же отображается его уровень сигнала, MAC адрес и то, что этот адрес является случайным (random). Забегая вперед, хочется заметить, что здесь кроется один из подводных камней для разработчиков. Некоторые телефоны (LG G3S, Samsung S6) работают только с устройствами, MAC адреса которых зарегистрированы (public).
У сниффера есть два режима работы. Если мы нажмем кнопку «w» на клавиатуре, то запустится программа «Wireshark». Сниффер будет сканировать три рекламных канала и выдавать информацию обо всех устройствах объявления. Если мы сначала нажмем цифру на клавиатуре, такую же, как напротив интересующего нас устройства, то включится другой режим работы. В нем сниффер будет отслеживать трафик только одного выбранного устройства, причем как на каналах объявления, так и на рабочих каналах
Используя «Wireshark», легко получить всю информацию о посылке. Программа состоит из трех окон. Сверху отображаются все принятые посылки, во втором окне – детальная информация о выбранном пакете, а в третьем окне отображается сам фрейм. В свою очередь, во втором окне имеется три блока информации. В самом верхнем – временные значения выбранного фрейма, во втором (Nordic BLE sniffer meta) – общая информация о фрейме, такие как уровень сигнала, частотный канал и некоторые другие. Самым интересным для нас является третий блок информации (Bluetooth Low Energy Link Layer). В нем можно посмотреть разбор самого фрейма. В дальнейшем мы будем говорить именно об этом блоке информации. Сначала мы разберем формирование рекламных пакетов.
Advertising
Посмотрим на рисунок ниже. На нем показаны распределения каналов по частотам для BLE. Рекламные каналы — это 37 (2402Мгц), 38 (2426Мгц) и 39 (2480Мгц) каналы. Такое распределение рекламных каналов выбрано не случайно. Во-первых, рекламные каналы попадают между каналами Wi-Fi (1, 6, 11 каналы), что позволяет даже при малом уровне мощности, быть услышанными другими устройствами. Во-вторых, когда мы разносим рекламные каналы далеко друг от друга, мы получаем гарантированную доставку сообщения. Это связано с интерференцией сигнала в помещениях. Известно, что в результате отражения радиосигналов от стен, может получиться ситуация, когда приемник и передатчик не слышат друг друга. Однако в нашем случае, когда передача рекламных пакетов идет последовательно на трех разных каналах, максимально удаленных друг от друга по частоте, этот эффект отсутствует.
Рассмотрим теперь формат самого пакета advertising. В спецификации длина данных измеряется в октетах. Для нас это байты. Самым первым байтом идет преамбула. Она состоит из чередующихся нулей и единиц. Это нужно для синхронизации передатчика и приемника. Следом за преамбулой передаются четыре байта адреса доступа(Access Address). После него идет пакет данных (PDU). В спецификции 4.0 максимальная длина PDU составляет 39 байт, а в версии 5.0 длина пакета данных увеличена до 257 байт. В конце каждого рекламного пакета идут три байта контрольной суммы (CRC).
Здесь надо заметить, что Access Address служит для того, что бы устройства понимали, для кого предназначен BLE пакет. Это своеобразный код доступа. Если этот код доступа не знаком устройству, то пакет игнорируется. На всех рекламных каналах, в отличии от рабочих, он одинаков (0x8E89BED6), поэтому все устройства на каналах объявления видят друг друга.
Рассмотрим теперь формат блока данных PDU. В самом начале пакета PDU идет заголовок длинной 16 бит. В нем содержится тип пакета, флаги TxAdd, RxAdd, а так же длина всего поля PDU в байтах. RFU – это зарезервированные поля. Для спецификации 4.0 это выглядит так:
Для спецификации 5.0 увеличена длина поля Payload до 255 байт, а так же добавлены новые поля в заголовок:
Поле TxAdd как раз и отвечает за то, как будет видеться MAC адрес устройства. Если это поле равно единице, то МАС устройства будет виден как random. Рассмотрим теперь какие бывают типы advertising пакетов. На рисунке приведен их список для спецификации 4.0. В формате 5.0 их число увеличено, но мы будем рассматривать то, что есть в обоих форматах.
ADV_IND – это ненаправленные пакеты, которые рассылают устройства, готовые к присоединению. Большинство гаджетов при рассылке рекламных пакетов используют именно их.
ADV_DIRECT_IND — направленные рекламные пакеты присоединяемых устройств. Присоединять и обмениваться данными с ними может только конкретное устройство с заранее известным МАС адресом.
ADV_NONCONN_IND – рекламные пакеты, которые рассылают не присоединяемые устройства. Это маяки (beacon). Обычно они служат для получения какой-либо справочной информации. Например, при входе в магазин могут информировать об акциях. Кроме того, измеряя уровень сигналов от маяков и зная карту их расположения, можно осуществить автоматическое позиционирование внутри помещений. Это актуально для автоматизированных складов.
SCAN_REQ, SCAN_RSP, CONNECT_REQ – пакеты, которыми обмениваются присоединяемое устройство и телефон в процессе установления синхронного соединения. Эти пакеты и сам процесс присоединения мы рассмотрим во второй части статьи.
ADV_SCAN_IND – эти пакеты рассылает не присоединяемое устройство, которое может предоставить дополнительную информацию в ответ на запрос при сканировании.
Во второй части статьи мы рассмотрим различные режимы работы BLE устройств, а так же механизм «присоединения» устройства к телефону и переход на рабочие частоты.
