BLE - RFID Global

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BLE - RFID Global

White Paper
Tecnico
DAI PRODOTTI ALLE SOLUZIONI, TRAMITE I SERVIZI
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 Copyright RFID Global by SOFTWORK – riproduzione vietata
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Bluetooth®LowEnergy:noteintroduttive
Bluetooth®LowEnergy(BLE),dettoancheBluetooth®Smart,nascecomeunapartedellaBlue‐
tooth®4.0CoreSpecification;spessointerpretatocomeun’espressionedelBluetooth®Classic,il
realtàilBLEhaundesigntotalmentedifferenteesiponeobiettividiversirispettoalBluetooth®
Classic.
BLEèprogettatoperessereunostandardradioconunconsumodienergiailpiùbassopossibile,
uncostocontenuto,unaristrettaampiezzadibandaedunaridottacomplessità.
QuestiobiettivisonoevidentianalizzandoleCoreSpecification4.0,dallequalisievincecheBLE
èdefinitocomeunostandardimplementabiledaiproduttoridielettronicainquantoingradodi
funzionaresudispositiviconscarserisorseenergeticheeconbudgetlimitati.
Nonostanteladefinizionedellostandardsiarecente(2010),sièassistitoadunarapidadiffusio‐
ne del BLE, essendo questa una tecnologia wireless nativamente ospitata in dispositivi mobili
comesmartphone,mobilecomputeretabletdallacapillarediffusione(iBeacondiAppleeSam‐
sung).
Infine,BLEpuòessereutilizzatoneipiùsvariatiambitiadifferenzadelBluetooth®classico,che
restapiùlegatoadunaristrettacerchiadicasid’uso.
BLE:letappeevolutive
Sviluppato inizialmente da Ericsson, il Bluetooth® è
stato in seguito standardizzato dal Bluetooth® SIG
(SpecialInterestGroup),l’associazionecreatanel1999
dadiversiattoritracuispiccanoSonyEricsson,Nokia,
Toshiba,IBMedIntel.
DaallorailBluetooth®havissutocontinuistepevolutivi,partendodallaversione1.0finoaoggi,
arricchendosinell’identikittecnicoe,quindi,nelleattitudiniperformanti:sonocosìstateaffron‐
tateesuperatesfidequalil’incompatibilitànellecomunicazionitradevicedidiversiproduttori,
lamodalitàdigestionedeidatiedinteroperabilità,lavelocitàditrasferimentodati,lacrittografia
permigliorarelasicurezzadellatrasmissioneegarantirel’anonimato,laquantitàdienergiane‐
cessariaaldispositivoperricercarealtrideviceacuiconnettersi.
Decisiva,inquestacrescitatecnologica,èlaversioneBluetooth®4.0(chiamataincodiceSeattle)
del2010,cherispettoalpassatooffreunaconsistenteriduzionedeiconsumienergetici(dacui
derivailtermineBluetooth®LowEnergy,BLE),sfruttaperlatrasmissionemiglioratimeccanismi
dirilevazioneecorrezionedeglierroriedicriptaturadelsegnalegrazieall’algoritmoAES‐128
(AdvancedEncryptionStandard,algoritmodicifraturaablocchididimensionefissaparia128
bit).
Unaltrofattorechecontribuisceadiminuireulteriormentel’energiarichiestaèillimitatoperio‐
doditrasmissioneradio,moltopiùvelocenelBLEchenelBluetooth®Classic.
Copyright RFID Global by SOFTWORK – riproduzione vietata
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Altratappadecisivanell’evoluzionedelBLEèl’update4.1nel2013:purmantenendoinalterati
concettiedarchitetturarispettoallaprecedenteversione,larelease4.1innestamodificheemi‐
glioriegraziesoprattuttoall’esperienzadirettadegliutenti,garantendol’interoperabilitàdeidi‐
spositivitrapassatoepresente(laversione4.1èretro‐compatibileconquella4.0).
Bluetooth®SpecificationcopreoralespecifichedelBluetooth®Classic(notoatuttiedutilizzato
damoltianniinvarietipologiedidispositivi)eilnuovoBluetooth®LowEnergy.
E’benericordarechequestidueStandardBluetooth®nonsonodirettamentecompatibili:undi‐
spositivoBluetooth®ClassicnonpuòcomunicareconundispositivoBLE.
Sidefinisconoaquestopuntoduediversetecnologiewireless:
BR/EDR (Classic Bluetooth®), i dispositivi Bluetooth® conformi allo standard precedente
all’introduzionedellaversione4.0
BLE(Bluetooth®LowEnergy),idispositiviconformiallostandard4.0esuccessivi.
Daquesteduetecnologiederivanopoiduediversetipologiedidispositivi:
Dispositivisingle‐mode(BLE,Bluetooth®Smart)implementanoBLEepossonocomunicare
conapparatisingle‐modeedual‐mode,manoncondispositivichesupportanosoloBR/EDR
Dispositivi dual‐mode (BR/EDR/LE, Bluetooth® Smart Ready) implementano sia BR/EDR
cheBLEepossonocomunicareconognideviceBLE.
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BLE:tipologiediretieruoli
IdispositiviBLEpossonocomunicareconilmondoesternoinduemodidiversi:
Broadcasting&Observing
Connection
ciascunoconcaratteristiche,vantaggielimitazionidiverse.
Broadcasting&Observing
Utilizzandolamodalitàdiinviodatisenzaconnessione(ConnectionlessBroadcasting),ildisposi‐
tivoBLEtrasmetteidatiadunqualsiasiapparatoinascolto(scanningdeviceoreceiver)chesi
troviadunadistanzautileperrecepireilsegnale.
Ilpacchettoinviatodaldispositivocheoperainbroadcastingèdefinitoadvertisingpacket.
Comemostratonellafiguradiseguito,questosistemapermettediinviaredatiinunasoladire‐
zioneaqualsiasidispositivoingradodi‘raccoglierli’.
BLEBroadcaster
(TagBeacon,iBeacon,Smartphone,
Tablet,otherBLEdevice)
BLEBroadcaster
BLEObserver
(BlueWaveGateway,Smartphone,
BLEObserver
BLEBroadcaster
Broadcasting
AdvertisingPacket
BLEBroadcaster
BLEObserver
InquestamodalitàoperativadiBroadcastingidispositivisonodefinitiviBroadcasteredObser‐
ver,ciascunoconunruolodifferentenell’invioericezionedeidati(advertisingdatapacket).
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Broadcaster
IldispositivoBroadcasterinviaperiodicamenteidati(ditiponon‐connectable)achiunquesiain
gradodiriceverli:sitrattaquindidiundeviceottimizzatoperleapplicazionidisolatrasmissione
adintervalliregolari(pingrate).
Rientrano ad esempio in questa categoria i Tag BLE Beacon che inviano periodicamente i loro
datidiidentificazione(ProximityUUID,Major,Minor,…),oppureundispositivotermometroche
trasmettesaltuariamenteivaloriditemperaturarilevati.
Observer
IldispositivoObservereffettuaperiodicamentescansionisullefrequenzepredefiniteperriceve‐
readvertisingpacketprovenientidall’apparatoBroadcaster:undispositivo,quindi,ottimizzato
perlaricezionedell’advertisingdatapacket.
UnesempiodiapparatoObserverèrappresentatodaidispositivicondisplay(smartphoneeta‐
blet)chepossonovisualizzarevaloriditemperaturaprovenientidaunsensoreBroadcasteregli
identificativiunivocidiTagBLE.
UnaltroesempiodideviceObserverèilBlueWaveBluetooth®SmartGateway,cheèinascolto
deipacchettiadvertisingprovenientidaiTagBLE(odaaltridispositiviBLE)eliinviaadunser‐
ver.
LamodalitàdiBroadcastingrappresental’unicomodoperundispositivoBLE(oTagBLE)diin‐
viaredaticontemporaneamenteapiùdispositivi.
Advertisingpacket
IldatoinviatodaldispositivoBroadcaster,l’advertisingdatapacket,èuninsiemedidaticostitui‐
toalmassimoda31byte(Payload‐StandardAdvertisingPacket),utilizzatodalBroadcasterper
segnalarelapropriapresenzaedinviaredatiaidispositiviinascolto.
L’advertisingdatapacketcontieneinformazionistandard,codificatedalBluetooth®SIG(Special
InterestGroup)erelativeaiservizicheildispositivo/TagBLEespone.
Esempidiservizichepossonoessereespostinelpacchettodiadvertising:
Serviziodiimpostazionedelpingrate
Serviziodiimpostazionedellapotenzadiemissione
ServizioHeartRateMeasurement
ServizioHealthThermometer
Ilpacchettodiadvertisingpuòancheospitareinformazioniadhoc,quindiliberamentecostruite
dalproduttore;itagBLEiBeacon(Apple)contengonoperesempionelpropriopacchettodiad‐
vertisingleseguentiinformazioni:
Manufacturerspecificdata:inquestocamposonocontenuteleinformazionidelproduttore
deldispositivoBLE(generalmentecontienel’identificativodiApple)
ProximityUUID:unvaloredi128bitcheidentificaunoopiùTagBLEiBeacondiuncerto
tipoe/odiunacertaorganizzazione.
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MajorValue:unvaloredi16bitchepuòraggruppareTagBLEiBeaconconlostessoProxi‐
mityUUID.
MinorValue:unvaloredi16bitchedifferenziaiTagBLEiBeaconconlostessoProximity
UUIDestessoMajorValue.
RSSI Value: questo valore (pre‐programmato all’interno del pacchetto di advertising del
TagBLEiBeacon)indical’intensitàconcuisiriceveilsegnaledeltagBLEad1metrodidi‐
stanza;questainformazionefacilitailcalcolodelladistanzadeldispositivodiricezionedal
tagBLE.
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‘passive
scanning’;quandoinvecel’Observer,dopoaverricevutoilprimopacchetto,richiedeancheilse‐
condosiparladi‘activescanning’.
Connection
Serisultanecessariomandaredatiinentrambiledirezioni,ossiareciprocamentetraduedispo‐
sitivi,oppuresei62bytedisponibiliconipacchettidiadvertisingnonsonosufficienti,intervie‐
ne la modalità operativa connection, affinché si instauri uno scambio dati periodico e perma‐
nentetraduedispositivi.
Inquestocasoloscambiodeidatiavvienesolotraiduedispositiviconnessi,pergarantirelari‐
servatezzadeldato:mentrel’advertisingdatapacketèintercettatodatuttiidispositiviinascol‐
to,inmodalitàconnectionidatitrasmessicoinvolgonosolamentei2dispositivi,chiamatiCen‐
tralePeripheral.
Central(Master)
Il dispositivo BLE Central scansiona periodicamente le frequenze predefinite per individuare
pacchettidiadvertisingcheaccettanoconnessioni(ConnectableAdvertsingPacket)e,unavolta
riconosciuti,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:
BLEPeripheral
BLEPeripheral
BLECentral
BLECentral
BLEPeripheral
Connection
BLEPeripheral
BLECentral
NonostantesiailCentralarichiedereestabilirelaconnessione,idatipossonoessereinviatiin‐
dipendentementedaentrambiidispositivi.
Dallaversione4.1sonostateeliminateunaseriedilimitazionisuiruoli,rendendocosìpossibili
leseguenticombinazioni:
UndispositivopuòesseresiaCentralchePeripheralnellostessotempo
UnCentralpuòessereconnessoapiùPeripheral
UnPeripheralpuòessereconnessoapiùCentral
Uno dei vantaggi nell’uso della connessione è che i dati possono essere organizzati in campi o
proprietà,definitiserviziecaratteristiche.
L’organizzazionediquestidatièstabilitodaunostratodelprotocolloGenericAttributeProtocol
(GATT).
Leconnessionihannoanchelacapacitàdiutilizzaremenoenergiadellamodalitàbroadcasting,
perchépermettonodimodificare,estendendolooriducendolo,iltempocheintercorretraicon‐
nectionevent.
Peresempio,quandononvièlanecessitàdiinviarecontinuamentedati,l’intervallotraconnec‐
tion event può essere esteso; viceversa, quando è necessario inviare dati più frequentemente,
l’intervallotraiconnectioneventpuòessereridotto(l’advertisingpacketinviainveceidaticon
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unintervalloditempostabilitoenonsoloquandocisononuovidatidisponibili).
Iduedispositivicoinvoltinellaconnessionericonosconoquandoèinattounconnectionevente
possono intraprendere politiche di risparmio energetico (es. spegnere il trasmettitore radio
quandononsiverificaalcunconnectionevent)
Sonopossibiliconnessionidivariatipologiacheprevedonolasolaricezionedipacchettidiad‐
vertisinge/olaconnessione.Questisonoesemplificatinell’immagineseguente:
BLEBroadcaster
BLEPeripheral
BLEPeripheral
Broadcasting
BLEObserver+Central
BLEBroadcaster
Connection
BLEPeripheral+Central
(Smartphone,Tablet,BLEdevice)
BLEObserver
Scanning
Sicurezza
LefunzionidisicurezzasonosvoltedalSecurityManager,uninsiemediprotocolliedalgoritmi
disegnatiperfornirealBluetooth®ProtocolStacklacapacitàdicreareescambiarechiavidisi‐
curezza;sonoquestechiavichepermettonoaduedispositividicomunicareinmodalitàsicura
attraversounlinkcriptato(AES),verificanol’identitàdeldispositivoremotoe,serichiesto,oscu‐
ranoilBluetooth®DeviceAddressperimpedireadispositiviconintenzionalitàmalevoleditrac‐
ciare/individuareunparticolaredispositivo.
LaconnessioneelacreazionediunlinkcriptatoavvengonoattraversoleprocedurediPairing
e/oBonding.
LaproceduradiPairingcreadellechiavi,cheiduedispositivisiscambianoechehannovitasolo
perladuratadellaconnessione,poidevonoesserericreate.
LaproceduradiBondingcreadellechiavicheidispositivipossonomemorizzareedutilizzarean‐
cheinconnessionisuccessive.
Unaltrodegliaspettiinerentilasicurezzariguardal’identificazionecertadiduedispositivitra
loro:questafunzioneèsvoltaattraversoi‘ResolvablePrivateAddress’(sivedapermaggioridet‐
taglilasezionelegataagliindirizziinquestodocumento).
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Bluetooth®LowEnergyvsZigBee
La tecnologia BLE non rappresenta l’unica scelta quando si
progetta un sistema di comunicazione e scambio dati wire‐
lesselowenergy.
Per esempio, ANT (wireless sensor network che opera a
2,4GHzsullabandaISM‐Industrial,ScientificandMedical)e
ZigBee offrono possibilità comparabili a quelle tipiche del
BLE;tuttavia,afrontedialcuniparametridiparagone,BLri‐
sultapiùconveniente,oltrechepoggiaresuprotocolloaper‐
to.
Il principale “antagonista” del BLE è ZigBee, basato sullo
standardIEEE802.15.4econvelocitàditrasmissioneridotta
(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 consumi
energeticicontenutisiaperilTagBeaconcheperl’Observer(smartphone,tablet,gateway).
ZigBeeinveceèunaLAN(LocalAreaNetwork)abassapotenza.
IlBLEèideatonell’otticadiunareteastellaattornoaldispositivoricevente:unastruttura
di rete leggera, in cui l’aggiunta di nuovi nodi è un’operazione semplice ed immediata.
ZigBeeèprogettatoperrealizzareretiMeshamagliaWLANpiùcomplessedaimplementa‐
reepiùadattoaretirelativamentefisse.
Intemaconsumi,ilBLEutilizzaunaconnessionesincrona,incuisiaildispositivomaster
chequelloslavesisveglianosimultaneamenteconunaridottalapotenzaenergetica.
ZigBeeutilizzainveceunoschemaasincrono,cherichiedel’accensionedeirouterpertutto
iltempo,conunconsumodienergiapiùelevato.
Sel’obiettivoèrealizzareunaretediestensionecontenutaedifacileconnessionefradifferenti
dispositivi(smartphone,tablet,ecc),lasceltaottimalericadequindisull’utilizzodelBLE,imple‐
mentabileancheinversionedualmode(Bluetooth®Classic+Smart).
LatecnologiaZigBeehainveceilvincolodimercatodallaconnettività,poichénonèimplementa‐
tanativamentePCotelefonicellulari.
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BLE:frequenzeinuso
Lacomunicazioneradioutilizzalabanda2.4GHz(definitaISM:Industrial,ScientificandMedi‐
cal).Diseguitocomevengonoimpegnatiicanaliperlacomunicazione:
ADVERTISING
CONNECTION
Sonodisponibili40canalida2.4000GHza2.4835GHz
3canali(37,38,39)utilizzatiperadvertising,stabilirelaconnessioneeinviaredatibroad‐
casting,
37utilizzatiperleconnessioni.
Perlacomunicazionevieneutilizzataunatecnicadefinitafrequencyhoppingspreadspectrum,
nellaqualelacomunicazioneradiosaltadaunafrequenzaadun’altraadogniconnectionevent.
Perdefinirecomeeffettuarequestisaltivieneutilizzatalaformulaseguente:
channel=(curr_channel+hop)mod37
Ilvaloredihopvienecomunicatoognivoltacheunaconnessioneèstabilitaedèquindidiverso
daconnessioneaconnessione:scopodiquestatecnicaèridurrealminimoleinterferenzeradio
che possono manifestarsi in questa banda di trasmissione, dove operano Wi‐Fi e Bluetooth®
Classic.
LamodulationrateperBluetooth®LowEnergyèfissaa1Mbit/s:questoèquindiancheillimite
fisicodithroughputperquestatecnologia.
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BLE:tipologiadeidatitrasmessi
L’Air Interface Packet (figura sottostante), ha un solo formato utilizzato sia per Advertising
ChannelPacketoAdvertisingChannelPDUcheDataChannelPacketoDataChannelPDU.
AdvertisingChannelPDU
L’AdvertisingChannelPDUcontieneunHeaderdi2byteedunPayloaddi37byte.
Header
Payload
2Byte
max37Byte
AdvertisingChannelPDU‐Header
L’headerècompostodaduebytecontenentileseguentiinformazioni:
AdvertisingPDUType
AdvertisingPDUAddressType
AdvertisingPDUChannelLength
AdvertisingPDUType
Lunghezza 4 bit (campo PDU type), indica la tipologia del pacchetto di advertising inviato: un
pacchettopuòessere,adesempio,ditipoconnectable(inquestocasoildispositivochelohain‐
viatoaccettaconnessioni)oppurenon‐connectable;ilprofilo“scannable”indicainvececheildi‐
spositivochelohainviatoaccettaancherichiestediscan.
AdvertisingAddressType
Lunghezza 2 bit (campi TxAdd, RxAdd), determina la tipologia dell’indirizzo contenuto
nell’AdvertisingChannelPDUchepuòessereditipo:
PublicDeviceAddress
RandomDeviceAddress
L’indirizzoditipoPublicDeviceAddressèpre‐programmatoneldispositivoBLE,deveesserere‐
gistratotramiteIEEERegistrationAuthorityenoncambiadurantelavitadeldispositivo.
L’indirizzo di tipo Random Device Address può essere sia pre‐programmato all’interno del di‐
spositivochegeneratodinamicamente(ulterioriinformazioninelseguito).
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AdvertisingPDUChannelLength
Lunghezza6bit(campoLength)contienelalunghezzadell’AdvertisingChannelPDU.
AdvertisingChannelPDU‐Payload
L’advertisingChannelPDUPayloadcontienel’AdvertiserAddressAdvAdi6byteèl’Advertiser
DataAdvDatadi31byte.
Advertiser Address
AdvA
Advertising Data
AdvData
6Byte
max31Byte
AdvertiserAddress(MACAddress)‐AdvA
Contienel’indirizzodeldispositivoBLEchehaemessoilpacchetto,ècostituitoda6byte(48bit)
epermettedidistinguereundispositivoBLEdaunaltro.
AdvertisingData‐AdvData
Ospita i dati dell’Advertising Channel PDU e può essere al massimo di 31 byte; è composto da
unasequenzadistrutturedati,ognunadellequaliècostituitadaiseguentielementi:
Campo1:Lunghezzadellastrutturainbyte(1byte)
Campo2:ADType‐AdvertisingDataType(1byte)
Campo3:Dati(lunghezzavariabile)
Ognistrutturadaticontieneunproprioinsiemediinformazioni.
Campo1:Lunghezzadellastrutturainbyte
Questoèilprimocampodiogniconfigurazioneecontienelalunghezza(inbyte)dellastruttura
daticheseguiràilcampostesso.
Campo2ADType
IlcampoADTypeèunvaloredefinitodaBluetooth®SIGedindicalatipologiadidatocontenuta
nelcamposuccessivo.AlcuniesempidipossibiliADtype:
LocalName‐Sel’ADTypeèditipoLocalName,ilcamposuccessivocontieneilnomedel
dispositivo(informacompletaobreve)
ServicesUUIDs‐Sel’ADTypeèditipoServicesUUIDs,nelcamposuccessivosonoconte‐
nutigliUUIDsdeiservizicheildispositivoespone.
Unavoltaricevutoilpacchettodiadvertisingperaccedereaidatieffettivimessiadisposi‐
zionedataliservizi,sidovràeffettuareunaconnessionealdispositivo.Peresempio,undi‐
spositivo BLE che effettua un servizio di Thermometer esporrà nel proprio pacchetto di
advertisingl’UUIDsdelThermometerServicecheequivalealvalore0x0918;gliObserver,
trovandonelpacchettoquestovalore,saprannocheildispositivoesponequestatipologia
diservizioe,seinteressatiaidati,dovrannoeffettuareunaconnessionealdispositivo.
Flag‐Sel’ADTypeèditipoFlag,ilcamposuccessivoècostituitodaunbyteilcuicontenu‐
to indica ulteriori informazioni sulla modalità in cui il dispositivo si trova. Tali modalità
possono essere, per esempio, General Discoverable Mode (il dispositivo è individuabile
senzalimitazioniditempo),LimitedDiscoverableMode(ildispositivoèindividuabilesolo
per un periodo limitato di tempo), BR/EDR Not Supported (il dispositivonon supporta il
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Bluetooth®Classicoprecedenteallaversione4.0),etc.
ManufacturerSpecificData‐Sel’ADTypeèditipoManufacturerSpecificData,significa
chenelcamposuccessivosonopresentidaticustomcreatidalproduttoredeldispositivo.
Campo3dati
Inquestocamposonocontenutiidatieffettiviinbaseallatipologiadefinitadalcampopreceden‐
teADType.
EsempiodiAdvertisingDatacontenenteilcampoFlag:
[02][01][01](2caratterirappresentano1byte)
Ilprimobyteèilcampodellalunghezzaecontiene02adindicarechenellastrutturadatici
saranno2byteaseguire.
Ilsecondobyte(ADType=01)indicacheilcampodatisuccessivoèditipoflag.
Ilterzobytecontieneilflag,cheinquestocasohavalore01edindicacheildispositivoBLE
èditipolimiteddiscoverable.
Nell’esempioseguentel’AdvertisingDatahaunADTypeconvalore09adindicarecheilpacchet‐
tocontieneil‘CompleteLocalName’deldispositivo;aseguireinfattisonocontenutiivaloriAscii
delLocalNamedeldispositivoequivalentea‘Pedometer’
[0A][09][5065646F6D65746572]
BLEDeviceAddress:l’univocità,elementodistintivodelBLE
L’elementochepermettedidistinguereunivocamenteunTagoundispositivoBLEdaunaltroè
rappresentatodalBluetooth®DeviceAddress:similealMACAddressdeidispositiviEthernete
costituitoda48bit(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 generato
randomicamenteadogniavviodeldispositivo,oppurepre‐programmatoefissopertut‐
taladuratadellostesso;inognicaso,nonpuòesseremodificatodall’utente.
 Indirizziresolvable:sonoutilizzatiperfunzionidisicurezza.Inquestocasogliindirizzi
vengonogeneraticontinuamente(tramiteunachiaveedunnumerorandom)epossono
cambiarespessoancheduranteladuratadiunaconnessione.Soloidispositiviacono‐
scenzadellachiavepossonorisolverel’indirizzo:ciòimpedisceadispositivisconosciuti
inscanningdirilevarel’apparatoBLE.
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BLE:tipologiediBeacon
BeaconBLE
IltermineBeacon(faro)indicaundispositivocheinviaperiodicamenteunsegnaleradio,utiliz‐
zatodaapparatiriceventiperpermettereaglistessidideterminarelapropriaposizionerispetto
aidispositiviemettenti.
UndispositivoBeaconBLEinviaquindiperiodicamenteunpacchettodiadvertising,ricevutoda
dispositiviObserveredelaboratoperpermettereaquest’ultimidicalcolarelapropriaposizione
inrelazioneaidispositiviBLEemettenti.Ilcalcolodellapropriaposizionerispettoaldispositivo
cheemetteilsegnalepuòessereeffettuatoanalizzandol’intensitàconcuil’Observerriceveilse‐
gnale(RSSI=ReceivedSignalStrengthIndication).Inoltrel’Observer,analizzandoilpacchettodi
Advertisingricevuto,èingradodirecepireulterioriinformazionisuldispositivoBLEBeaconche
lohaemesso,tracuil’identitàediserviziesposti.
Sullabasediquesteinformazioni,puòpoiintraprendereazionicomesegnalareall’utentechesi
trovainprossimitàdiunpuntodiinteresse,attivareunmessaggiopubblicitario,etc.
AppleiBeaconBLE
Apple ha creato una propria struttura di pacchetto di Advertising, con una
formattazionebenprecisa,perilposizionamentoindoordeipropridisposi‐
tivibasatisuiOS.IdispositiviBLEcheemettonounquestotipodipacchetto
sonochiamatiBLEiBeacon.
LatecnicadiposizionamentoindoorsiavvaledellalogicaBeaconpreceden‐
temente descritta: i dispositivi iBeacon emettono periodicamente pacchetti
di advertising (con formattazione iBeacon) destinati a dispositivi BLE di ricezione (Observer),
qualiadesempioSmartphoneoTablet;idispositiviObserver,dopoaverricevutotalipacchetti
edanalizzatoilvalorediRSSIconcuivengonorecepiti,sonoingradodideterminarelapropria
posizionerispettoaiBLEiBeaconemettenti.
Il pacchetto di Advertising degli iBeacon contiene inoltre il valore di RSSI con cui il pacchetto
stessovienericevutoinviateoricaadunmetrodidistanzadaidispositiviObserver;questain‐
formazioneagevolal’Observernelcalcolodellapropriaposizionerispettoall’iBeaconemettente.
IlpacchettodiadvertisingBLEiBeaconcontieneinoltreicampiProximityUUID,MajoreMinor
utili al raggruppamento dei BLE iBeacon ed al posizionamento indoor come meglio descritto
nell’esempioseguente.
Immaginiamoloscenarioindoordiunarchiviodocumentaledispostoinunedificioapiùpiani.
I BLE iBeacon possono essere inizializzati attribuendo al Proximity UUID il valore del piano
all’internodell’edificio,alMajorilnumerodistanzaall’internodelpianoedalMinorilnumerodi
scaffaleall’internodellastanza.
IldispositivomobileBLEdeterminainprossimitàdiqualescaffalesitrova,analizzandoilvalore
diRSSIeffettivoedidaticontenutinelpacchettodiAdvertising(edificio,piano,scaffale).
Questosistema,essendobasatosustandardBLE,nonèlimitatoaisolidispositiviApple,maèuti‐
lizzabiledatuttiideviceBLEingradodiricevereunpacchettodiAdvertisingstandardBLE.
UndispositiviBLEiBeaconèquindiunparticolaretipodiBLEBeacon.
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GoogleEddystoneBeaconBLE
Google ha rilasciato a luglio 2015 il nuovo formato Eddystone, in grado di
ampliarelefunzionalitàdeiBeacone,diconseguenza,anchelaloropossibili‐
tàdiutilizzo.
Eddystone, altra particolare tipologia di dispositivo BLE Beacon, possiede
unabendefinitaformattazionedelpacchettodiAdvertisingDataepuòesse‐
reinterpretatocomelarispostaopensourceagliiBeacondiApple.
IlpacchettodiAdvertisingformatoEddystonecontienetraglialtriiseguenticampi:
UUID(0xFEAA)assegnatodaBluetooth®SIG,identificalatipologiaEddystone
EddystoneTypeFrame(TipologiadipacchettodiAdvertising)
Datidipendentidallatipologiadelframe(campoEddystoneTypeFrame)
CampoUUID0xFEAA
QuestoèilnumerodiservizioassegnatoaGoogledaBluetooth®SIGcheidentificaappuntolati‐
pologiaEddystone.
CampoEddystoneTypeFrame
Questocampoindical’EddystoneTypeFrame,ossialatipologiadelpacchettodiAdvertisingtra
letretipologieadoggipossibiliperilformatoEddystonequali:
Eddystone‐UID
Eddystone‐URL
Eddystone‐TLM
Campodati(Ilcontenutovariaasecondadellatipologiadelpacchetto):
CampodatipertipologiaEddystone‐UID
QuandolatipologiadiframeèditipoEddystone‐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 per
identificareundeviceparticolareall’internodelgruppo.
CampodatipertipologiaEddystone‐URL
QuandolatipologiadiframeèditipoEddystone‐URL,ilpacchettocontieneunURLincompres‐
sedencodingformatperpermetteredimemorizzaremaggioriinformazioninellimitatospazio
disponibileinunpacchettodiadvertising.Unavoltadecodificato,l’URLpuòessereutilizzatoda
qualsiasiclientperaccedervitramiteinternet.
CampodatipertipologiaEddystone‐TLM
LatipologiadiframeèditipoEddystone‐TLMecontieneinformazioniditelemetriarelativeal
dispositivocheemetteilpacchetto,comeadesempioillivellodellebatterieelatemperaturain‐
terna.
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BLEunconventional:logicaedarchitettura
…versolavisioneBLEunconventional
Natonellacornicedelmarketingdiprossimità,ilBLEpoggiasuunaclassicaarchitetturatecno‐
logica, in cui il tag Beacon (Broadcaster) è posizionato in precisi punti di un’area (locale com‐
merciale, sia esso retail, di ristorazione, di divertimento o cultura) e, quando uno smartphone
conunaappappositamentedisegnataentranelraggiod’azionedelBeacon,riceveunanotifica,
ossiaunmessaggio(advertising).
Ispirati dalla nostra esperienza in ambito RFID, abbiamo implementato la tecnologia BLE sulla
basediun“reverseconcept”rispettoallavisionetradizionale,conl’obiettivodirealizzareinmodo
sempliceeconcostiridottiunsistemaRFIDattivoperl’identificazioneautomaticaelalocaliz‐
zazione(RTLS)dipersoneedoggetti:ideviceBlueWavebyRFIDGlobalconsentono,contem‐
pi di istallazione e manutenzione molto contenuti, di realizzare simili architetture in modalità
userfriendlyenoninvasiva,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’RFIDattivo.
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BlueWaveBluetooth®SmartGateway&TagBeacon
Nellavisione‘unconventional’diRFIDGlobal,idispositiviBLEchesegnalanoperiodicamentela
propriapresenzasonodefinitiTag BLE Beacon,mentreidispositiviBLEObserver(eCentral)
sonochiamatiBlueWaveBluetooth®SmartGateway.
I Tag BLE Beacon possono emettere un pacchetto di Advertising in qualsiasi formato tra cui
iBeaconedEddystone.
IlBlueWaveBluetooth®SmartGatewayvieneutilizzatoperrilevareinanti‐collisioneipacchetti
provenientidaiTagBeaconBLE(oaltridispositiviBLE)cheentranonelsuoraggiodiazione:il
dispositivoèingradodiricevereipacchettidiadvertising,estrarneleinformazionirilevantie
notificarleadunserverTCPinascolto.
Leinterfaccedicomunicazioneversoilserverhostsono:Ethernet,Wi‐FioGPRS.
BlueWaveBluetooth®SmartGateway‐ConnettivitàIoT/Cloud
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DatitrasmessieFiltering
LeinformazionicheilBlueWaveBluetooth®SmartGatewayinviaalserverinascoltosono:
 InformazioniestrattedalpacchettodiAdvertising:
o AddressdeltagBLEBeacon
o Pacchettodiadvertisingcompleto.
 InformazionirilevatedalGateway:valorediRSSIeffettivoconcuiilpacchettoèstatori‐
cevuto.
RSSIFiltering
TralecapacitàprestazionalidelBlueWaveBluetooth®SmartGatewayfiguranoanchelepolitiche
difiltering,affinchéildispositivoprendainconsiderazionesoloTagBLEBeacondipropriointe‐
resse.
AttraversoilsettaggiodelvalorediFilteringRSSIècosìpossibilediscriminareipacchettidiad‐
vertisingricevutiinbaseall’intensitàdellorosegnale:impostandoundeterminatovalore,ildi‐
spositivoprendeinconsiderazionesoloipacchettidiadvertisingchehannoun’intensitàdise‐
gnale maggiore o uguale al valore impostato nel parametro di filtering RSSI, scartando glialtri
pacchetti.
Questa funzionalità presente nel dispositivo permette per esempio la definizione di aree
all’internodellequaliipacchettidiadvertisingvengonoconsiderativalidimentre,aldifuoridi
queste,vengonoignorati.
AdvertsingMaskPacketFiltering
SuognidispositivoBlueWaveBluetooth®SmartGatewayèinoltrepresentelapossibilitàdiim‐
postareunfiltro(omaschera)daapplicareaipacchettidiadvertisingprovenientidaiTagBLE
Beacon,perriceveresoloipacchettidipropriointeresse.
Lamascheraèunvalorealfanumericoche,unavoltasettatoneldispositivo,fainmodocheque‐
stoconsiderisoloipacchettidiadvertisingchecorrispondonoatalevalore,scartandoglialtri.
Grazieallasuaflessibilità,BlueWaveBluetooth®SmartGatewaypuòessereutilizzatoinvaricon‐
testiapplicativi,comeadesempiol’identificazioneedilmonitoraggiodiitemsdotatidiTagBLE
Beacon.
InquestocasoilBlueWaveBluetooth®SmartGatewaypresidiaunadeterminataareaincuisono
presentipersone/oggetti(fissiomobili)equipaggiaticonTagBLEBeacon,rilevandolicontinua‐
tivamenteedinviandoidatiall’hostdiback‐endperlaloroelaborazione.
Ilsistemaèdunqueingradodiconoscereintemporealelaposizionedipersone/oggettieracco‐
gliereinformazionisullapresenza/movimento.
Lo scenario del controllo accessi ben esprime le potenzialità del gateway di 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 BlueWave Bluetooth® Smart
Gateway,ognunoconunapropriamascheraperconsentirel’accessoallediversearee.
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AlcuniscenariapplicativideiGatewayReaderBlueWave.
Il vantaggio nell’uso unconventional
della tecnologia BLE consiste in un
sapientemixdeipregidell’RFIDpas‐
sivoediquelloattivo,bypassandone
peròalcunilimititecniciodeconomi‐
cidelleduetecnologie:larilevazione
dell’identità del tag Beacon avviene
ad una distanza maggiore rispetto al
tag RFID passivo, senza però soffrire
della presenza di liquidi e metalli ed
operando sullo base di uno standard
worldwide(adifferenzadell’RFIDattivo,chepoggiasuunprotocolloproprietario),quindiaper‐
toalconcettobasedell’IoT,l’interoperabilità.
IdeviceBlueWavediRFIDGlobalsonolarispostatecnologicavincenteinalternativaall’RFID
attivograzieaicostiinferioridirealizzazione,oltrecheallamaggioreflessibilitàtipicadelBlue‐
tooth®, che consente, ad esempio, di modulare l’intensità e i tempi della trasmissione dei dati
(pingrate).
SimiliconsiderazioniapronoalBluetooth®Smartdanoiinterpretatomolteplicisbocchiapplica‐
tivi,tracui:
Safety&Security
o Aziende Manifatturiere ed in particolare Oil & Gas (Atex): controllo DPI; sicurezza am‐
bientedilavoro(uomo/impianti/mezzi,etc);gestioneasset;etc.
o Sanità: tracciabilità pazienti, personale ed apparecchiature medicali; controllo pazienti
conproblemicognitivi;nursery(controllomamme/bambini);etc.
SmartCity
o Ticketing(BiBo–BeIn/BeOut:tariffazionetrasportoperl’esattapercorrenza).
o Gestioneservizialcittadino(gestionerifiuti,ZTL,smartparking,etc…).
FacilityManagement
o 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&Maintenance
o Controllofasiproduttiveecontrollopersonale
o Movimentazionemerci,controlloegestioneasset,manutenzioniimpianti
Turismoetempolibero
o Esperienzeimmersiveinmusei,mostre,eventi,parchi,città,etc…
o Bike&Carsharing.
Trasporti
o 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‐us
http://www.bluetooth.com/
https://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth_low_energy
https://en.wikipedia.org/wiki/IBeacon
https://developer.android.com/guide/topics/connectivity/bluetooth‐le.html
https://github.com/google/eddystone/blob/master/protocol‐specification.md
https://developer.apple.com/ibeacon/
http://www.rfidglobal.it/bluetooth‐smart/
Note
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www.rf-id.it
www.rfidglobal.it
SOFTWORK s.r.l.
Via Zanardelli 13/A
25062 Concesio (BS) Italy
Tel. +39 030 2008149 r.a.
Fax +39 030 2008146

BLE - RFID Global

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