Single Chip IoT von Cypress Sicher und schnell mit Bluetooth 4.2

Peter Dörwald, FAE von Glyn
Peter Dörwald, FAE von Glyn

Die BLE-Lösungen von Cypress vereinen Bluetooth und Schaltung in einem Chip. Weil der Stack nur ca. 100 KB Flash belegt, sind im Chip mit 256 KB Flash noch 156 KB für eigene Programme frei. Da auch kein Betriebssystem verwendet wird, läuft die Anwenderapplikation praktisch in „Echtzeit“.

Cypress hat mit „SoC 4 BLE Programmable System-on-Chip“ und „PRoC BLE Programmable Radio-on-Chip“ die vollständige Lösungen für Bluetooth 4.2 mit einfachster Konfiguration auf den Markt gebracht. Sie entsprechen der von der Bluetooth Special Interest Group (SIG) eingeführten Bluetooth-Version 4.2. Entwickler binden mit diesen Single-Chip-IoT-Lösungen die Sicherheitsmerkmale LE-Privacy und LE-Secure Connections in ihre Applikationen ein. Bluetooth Low Energy wurde vor einigen Jahren unter dem Namen „WiBree“ entwickelt. Es wechselte dann zu „Bluetooth Ultra Low Power“ und ist seit der Version 4.0 zum Bluetooth-Standard gehörig. Die Kennung von BLE erfolgt mit dem Label „Smart“. Reine „Smart“-Geräte können auch nur mit anderen „Smart“ kommunizieren. Geräte die sowohl „Classic“ Bluetooth als auch BLE beherrschen (z.B. Smartphones, Tablets etc.) haben die Kennung „Smart Ready“.

Standards zu BLE werden von der Special Interest Group (SIG) festgelegt. Die aktuelle Version von BLE ist 4.2. Version 5.0 ist in Bearbeitung. Die Classic-Versionen von Bluetooth sind durch ihren hohen Energieverbrauch kaum für Batteriebetrieb geeignet. Aus diesem Grund wurde das besonders energiesparende BLE-Protokoll eingeführt. Es erlaubt eine Versorgung über Batterien im Zeitraum von Monaten oder Jahren. Bluetooth sendet im 2,4-GHz-ISM-Band und ist ein sogenanntes „Wireless Personal Area Network“ (WPAN). Es ist, wie auch Bluetooth Classic, für die Entfernungen des persönlichen Bereichs von 0,2 bis 50 m konzipiert. Verbindungen können mit BLE in weniger als 3 ms aufgebaut, übermittelt und beendet werden. BLE verfügt über 40 Kanäle mit 2 MHz Breite. Die Bitrate beträgt 1 MBit/s bei einer maximalen Sendeleistung von 10 mW. Haupteinsatzbereiche von BLE sind Gesundheitsvorsorge, Sport und Fitness Wearables, Sicherheitsanwendungen, Home Entertainment, Home Automation, Automotive, Smart Energy und Beacons.

Sicherheit im schnellen Bluetooth-4.2-Datendurchsatz

Im neuesten Bluetooth-4.2-Standard ist die Anzahl der Nutz-Bytes von 27 Byte auf 251 Byte vergrößert worden. Das ermöglicht einen ca. 2,6-mal höheren Datendurchsatz (bis zu 800 Kbps). Außerdem wurden zusätzliche Sicherheitsfeatures integriert. Hierzu gehören LE Privacy 1.2 und LE Secure Connections.

  •  LE-Privacy – ein Sicherheitsmerkmal, das es einem Angreifer erschwert, die Kommunikation zwischen den Devices zu verfolgen. Bei aktivierter Privacy ändert sich bei 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. Hierdurch wird die Leistungsaufnahme des Systems reduziert.
  • LE Secure Connections – Für das Pairing zwischen den Geräten werden nur noch Algorithmen verwendet, die die US-amerikanischen Standardisierungsbehörde NIST als sicher betrachtet. Hierzu zählen ECC-Verfahren (Elliptische-Kurven-Kryptographie mit einer Schlüssellänge von 256 Bit) und AES-CMAC. Die Schlüssel werden nicht über Funk ausgetauscht und können somit auch nicht abgehört werden. Die Sicherheitsstufe entspricht jetzt dem klassischen Bluetooth. Diese Verbesserungen machen Bluetooth 4.2 leistungsfähiger, schneller und somit zur idealen Funk-Technologie für das Internet of Things (IoT). Der höhere Datendurchsatz von Bluetooth 4.2 erlaubt jetzt Mehrkanal-Audioverbindungen oder signifikant schnellere Over-the-Air-(OTA-)Firmware-Updates. Cypress unterstützt alle aktuellen BLE-Features und bietet ein komplettes BLE-Entwicklungs- und Anwendungsportfolio zertifiziert für Bluetooth 4.2. Neben bereits voll zertifizierten Modulen gibt es die kostenlose Entwicklungsumgebung PSoC Creator, die per Drag and Drop schnellste Programmentwicklung ermöglicht.
  • Grundsätzlich basieren alle Cypress BLE-Systeme auf zwei Chips:
  •  PRoC BLE  Programmable Radio-on-Chip: Der „PRoC BLE“ ist ein Low-Power-Bluetooth-
  • Smart-Controller mit der marktführenden CapSense-kapazitiv-Touch-Funktionalität.
  • PSoC 4 BLE – Programmable System-on-Chip: Das „PSoC 4 BLE“ fügt zum „PRoC BLE“ zusätzliche intelligente Analogkomponenten und programmierbare digitale Blöcke hinzu. Sie ermöglichen die einfache Integration von Sensoren und Aktoren ohne Zuhilfenahme aktiver externer Bauelemente.

Der „PRoC BLE“ ist somit die preisgünstigere Variante und entspricht dem „PSoC 4 BLE“ – nur ohne Opamps, Komparatoren, IDACs und UDBs (Universal Digital Blocks). Auch die seriellen Schnittstellen SCB sind reduziert. Beide Lösungen verfügen über ein Bluetooth Smart Radio, einen high-performance 32-bit ARM Cortex-M0 Core mit Ultra-Low-Power-Modi, 256 KB Flash Speicher, 32 KB SRAM, DMA, 36 GPIOs und konfigurierbare serielle Kommunikationsblöcke, Timer und Counter.