O que é o BLE (Bluetooth Low Energy) e como funciona?

O que é o BLE?

BLE significa Bluetooth Low Energy, que foi introduzido como parte da norma Bluetooth 4.0. O seu objetivo é ajudar as tecnologias IoT (Internet das Coisas) e Aplicações M2M num curto espaço de tempo. Isto foi fundamental para a realização de muitos dispositivos IoT modernos que são alimentados por bateria. Tal como os dispositivos clássicos Tecnologia BluetoothBLE funciona em 2.4 GHz ISM (Industrial, Scientific, and Medical), herdando ao mesmo tempo algumas caraterísticas do seu antecessor, com maior incidência no baixo consumo de energia. O consumo máximo de energia de uma aplicação BLE seria de cerca de 0,01 Watts a 0,5 Watts, com a mesma velocidade que a do Bluetooth clássico.

Diferença entre BLE e Bluetooth clássico

A principal diferença entre o Bluetooth clássico e o BLE reside na potência consumida. No entanto, existem outras diferenças importantes devido às diferenças arquitectónicas em cada caso. A utilização de endereços de 24 bits em comparação com o endereçamento de 3 bits no Bluetooth clássico permite que o BLE se ligue a 20 ligações em simultâneo, enquanto o Bluetooth clássico apenas suporta 7 ligações.

Além disso, o BLE tem uma vantagem em relação ao Bluetooth clássico no que respeita à latência permitida nas ligações. O Bluetooth clássico oferece uma latência de apenas cerca de 100 ms, enquanto o BLE oferece uma latência melhorada de 6 ms. Apesar da latência melhorada, o BLE só pode oferecer velocidades até 125 kbps a 2 Mbps, enquanto o Bluetooth clássico pode oferecer velocidades até 3 Mbps. Por último, o BLE só pode oferecer comunicação unidirecional, sem suporte de voz. O Bluetooth clássico tem capacidade de comunicação co1TP14 bidirecional e suporte de voz.

Como funciona o BLE?

Ao contrário do Bluetooth clássico, em que a informação é enviada continuamente, o BLE envia rajadas de informação, aumentando assim o seu tempo de inatividade. Para o efeito, o BLE utiliza 40 canais, cada um separado por 2 MHz. Destes 40 canais, três canais de publicidade iniciariam inicialmente a ligação enviando pacotes de publicidade. Os restantes 37 canais são conhecidos como canais de publicidade secundários e tratam da comunicação de dados.

Podemos definir três tipos principais de nós numa rede BLE, nomeadamente:

• Anunciante
• Scanner
• Iniciador

Um anunciante é um dispositivo que transmite pacotes de anunciantes. O scanner é o dispositivo que recebe estes pacotes, sem qualquer intenção de estabelecer uma ligação. Agora, se o dispositivo de exploração quiser estabelecer uma ligação, é conhecido como iniciador. Uma vez estabelecida a ligação, o anunciante é designado por slave (escravo), enquanto o iniciador é designado por master (mestre). No BLE, cada mestre e um escravo são conhecidos como uma piconet. No entanto, um único mestre pode formar muitas piconets com diferentes escravos em simultâneo. Além disso, de forma equivalente, um slave pode ter muitas ligações a mais do que um master.

Diagrama de estado

O funcionamento do BLE é explicado com precisão através de cinco estados de ligação que definem várias fases do estabelecimento da ligação. Estes estados são os seguintes:

• Estado de publicidade: Nesta fase, os dispositivos transmitem pacotes de publicidade nos canais de publicidade.
• Estado de exploração: Nesta fase, os dispositivos recebem pacotes de publicidade sem qualquer intenção de estabelecer uma ligação.
• Estado de iniciação: Nesta fase, um dispositivo pretende estabelecer uma ligação em resposta aos pacotes de publicidade recebidos.
• Estado de espera: Nesta fase, os dispositivos não estão ligados.
• Estado de ligação: Durante esta fase, é estabelecida uma ligação entre o anunciante (slave) e o iniciador (master). Agora, o mestre pode ser visto como o dispositivo central, enquanto o escravo é o dispositivo periférico.

Arquitetura BLE

A arquitetura BLE é estruturalmente semelhante à arquitetura Bluetooth clássica, tal como discutimos no nosso artigo anterior. No entanto, a principal diferença reside na camada física da arquitetura, que pode funcionar em dois modos, nomeadamente

• Modo duplo
• Modo único

No modo Dual, tanto o BLE como o Bluetooth clássico podem funcionar em harmonia na camada física. No modo simples, apenas um deles pode funcionar. A escolha entre os dois modos de funcionamento depende exclusivamente da aplicação de interesse. Neste artigo, centrar-nos-emos mais nos perfis da arquitetura BLE do que nos seus componentes individuais.

Perfil GAP

GAP significa Generic Access Profile (perfil de acesso genérico). Este perfil é importante para determinar a forma como os diferentes dispositivos interagem entre si. Estas interações são feitas nos seguintes aspectos:

• Publicidade
• Estabelecimento de ligação
• Segurança

Na publicidade, é essencial que os dispositivos difundam mensagens, descubram os dispositivos e enviem dados publicitários. Todas estas operações são ignoradas pelo perfil GAP. Além disso, no que diz respeito ao estabelecimento de ligações, também trata da aceitação de uma ligação, da cessação de uma ligação e dos parâmetros de ligação. Por último, é também responsável por iniciar e facilitar as medidas de segurança pertinentes nos dispositivos.

Perfil do TCA e do GATT

ATT significa Protocolo de Atributos e trata da definição de funções para os dispositivos que participam na ligação. Estas funções são definidas com base na sua funcionalidade após o estabelecimento de uma ligação. Um servidor é um dispositivo que forneceria serviços ou recursos, enquanto o cliente é o dispositivo que espera recursos e serviços. Vale a pena mencionar que um slave não se tornará essencialmente um servidor sempre, enquanto o master é sempre um cliente. Isto depende do objetivo da ligação entre os dois nós. Por exemplo, considere-se uma situação em que é estabelecida uma ligação BLE entre um localizador de pulseiras e um smartphone. Quando o localizador envia a frequência cardíaca, actua como servidor, enquanto o smartphone actua como cliente. Agora, imagine que é necessário mostrar a hora na pulseira, para este efeito, o smartphone que tem acesso à Internet seria o servidor enquanto a pulseira seria o cliente. As pegas do perfil ATT fornecem meios para o servidor armazenar dados num formato que facilita as diferentes funcionalidades. Para o efeito, o perfil ATT utiliza um modelo de base de dados hierárquico.

É aqui que entra em ação o GATT (Generic Attribute Profile). Este perfil é responsável pela definição da hierarquia de dados no modelo de base de dados. Para o efeito, utiliza uma estrutura em forma de árvore com quatro níveis, nomeadamente, de cima para baixo:

• Perfil: Refere-se ao nó raiz
• Serviços: Estes são utilizados para organizar diferentes tipos de dados
• Caraterísticas: São a unidade básica de armazenamento na estrutura em árvore
• Valor e descritores: O valor é um valor único para definir uma caraterística, enquanto os descritores são valores múltiplos utilizados para definir caraterísticas.

O perfil GATT pode ser compreendido através de um exemplo. Por exemplo, um localizador de batimentos cardíacos pode ter os seguintes perfis:

• Perfil de medição do ritmo cardíaco
• Perfil de informações do dispositivo

Consideremos agora o perfil de medição do ritmo cardíaco. Este perfil pode ter os seguintes serviços:

• Serviço de ritmo cardíaco
• Serviço de medição do corpo

Assim, cada um dos serviços acima referidos teria caraterísticas diferentes com valores e descritores medidos pelo localizador. Por exemplo, o serviço de ritmo cardíaco teria caraterísticas de batimento cardíaco com um valor de 69 bpm (batimentos por minuto).

Segurança BLE

Os principais tipos de ataques a que o BLE e o Bluetooth clássico são vulneráveis são a espionagem e os ataques man-in-the-middle. O BLE tem caraterísticas interessantes para minimizar os riscos devidos a estes ataques. Estas caraterísticas são as seguintes

• Comparação numérica: Aqui, dois dispositivos finais geram um valor numérico que será validado manualmente depois de ser apresentado em ambos os dispositivos.
• Entrada de chave de acesso: Aqui o dispositivo não iniciador gera uma semente aleatória chamada nonce para autenticar a ligação.
• Simplesmente funciona: Neste caso, o dispositivo não iniciador gera um nonce com um valor de confirmação que é confirmado contra o valor de confirmação dos outros dispositivos finais após a passagem do nonce.
• Fora de banda (OOB): Neste caso, a comunicação é assegurada através de um canal secundário de comunicação, como o Wi-Fi e o NFC (Near Field Communication).

Aplicações do BLE

O BLE é um bom candidato para aplicações IoT e M2M PAN (Personal Area Network) de baixo consumo. Estas aplicações variam de simples sistemas de automação doméstica a aplicações industriais em grande escala. Algumas das aplicações do BLE são:

• Automatização doméstica: O BLE tornou-se uma escolha popular quando se trata de aplicações de automatização doméstica. Estas aplicações IoT e inteligentes incluem tomadas inteligentes, fechaduras inteligentes, luzes inteligentes e sensores de segurança inteligentes.
• Localização em interiores: Apesar da disponibilidade de tecnologias como o GPRS, o BLE é uma técnica de navegação mais fiável devido ao seu desempenho contra interferências.
• Aplicações de localização: O BLE é amplamente utilizado em aplicações IoT que requerem apenas a transmissão de rajadas curtas de informação. Isto é importante em aplicações como a localização de activos e a gestão de frotas.

Em conclusão, podemos utilizar o BLE para aplicações IoT em redes PAN que requerem baixo consumo de energia e baixa carga útil de comunicação.

Balizas BLE

Os beacons BLE são pequenos dispositivos de transmissão que utilizam a tecnologia de comunicação BLE comm para difundir curtas rajadas de mensagens para dispositivos de escuta. São dispositivos unidireccionais alimentados por bateria e são amplamente utilizados em aplicações de marketing de proximidade e outras aplicações IoT de rastreio. Atualmente, existem dois fornecedores famosos de beacons BLE, nomeadamente

• Eddystone da Google
• iBeacon da Apple

Conclusão

O BLE é amplamente utilizado em aplicações IoT PAN de baixo consumo, principalmente centradas em aplicações de automatização doméstica, dispositivos de localização e aplicações de marketing de proximidade. Com o aumento do suporte para BLE, é um bom candidato para aplicações IoT que deve ser classificado no topo das suas escolhas.