IoTで使用されている Bluetoothを利用したビーコン(Beacon)の基礎と事例
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2017年5月28日に開催された Android Bazaar & Conference 2017 Spring 内で発表した資料です。BLE(Bluetooth Low EnergyやLPWA(Low Power Wide Area)といった通信規格の基礎からその活用事例、また各規格の長所/短所についても紹介しています。IoTはあまり詳しくはないけど全体的な技術要素を理解したい方にも分かりやすい内容となっています。
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- 2. 自己紹介 株式会社芳和システムデザイン エンベデッドシステム部 部長 鈴木 直康 ・LSI設計、電気設計（回路・パターン設計）、成型機械設計、組込みファームウェア開発、 デバイスドライバ開発 ・技術領域 無線技術（2009年LTE試験機プロジェクト）、AVCHD規格策定、 光学(AE・AF・AWB)、Unix系システム全般 ・Bluetooth経験年数は、約１３年 ビデオカメラ純正周辺機器ワイアレスマイク開発 ・川崎市産業振興財団 「いまさら聞けないIoTの基礎とビーコン規格」について登壇 ・東京大学Tea TimeHackathonにて、AndroidStudioでの開発について登壇 ・日本Androidの会 １０月定例会にて Android-Mの新機能について登壇 ・日本Androidの会OBFT主催 Eddystoneハンズオンセミナー登壇 ・リックテレコム主催 第４５回ワイヤレス技術セミナー 『IoTで飛躍するスマフォ＋BLEの応用最前線」について登壇 ・電子通信情報学会 (2014/9/23)iBeaconにつて登壇 ・Apple Japan主催 ACN iBeaconセミナー(2014/6/3)登壇 ・日本Androidの会 運営委員 2
- 6. 6 ２０１１年に考えられていたIoT O’RIELLY 「Getting Started with the Internet of Things」より
- 7. 7 ２０１７年 IoTで使用されている代表格 Bluetooth Low Energy ・省電力 数百uA ・スマフォとの連携 ・デバイスの入手性 ・価格
- 8. 8 長距離で注目されている、IoT技術はサブギガです。 910~920MHzを使用した、1GHzより少し低い周波数を使用する為 サブギガと呼ばれています。 これは「LPWA」という通信コンセプト技術です。 LPWAとは「低電力広エリア」を意味する英語“Low Power, Wide Area”の略です。 代表格は ・Ｗｉ-ＳＵＮ ・LoRa ・SIGFOX
- 9. 9 ２０１７年のIoT 距離によって近距離〜遠距離まで用途によって通信規格を使い分けている。 NFC RFID BLE 接触 10cm 10m 50m 100m 500m １km 10km WiFi LPWA（Wi-SUN LoRa sigfox) 各無線技術と一般的な通信距離と、長距離対応製品 RFID、BLE、WiFiは 長距離伝送製品があり、一般的な イメージより長距離に対応できる製品があります。
- 11. 11 ２０１３年Apple のiBeaconの登場により Bluetooth Low Energy(以降 BLE)が IoTで使用する通信として広まりました。
- 14. 14 代表的なスマートフォン iPhoneやAndroid両方で使用可能な通信のうち Bluetoothは最も低消費電流で、 低価格のデバイスでした。 近距離無戦技術 Android iOS Wi-Fi ○ ○ Bluetooth（BLE） ○ ○ NFC（Felica含む） △ ×→○ 赤外線 △ ×
- 15. 15 次はサブギガ技術です
- 16. 16 最近のIoTでは、比較的長距離飛ぶサブギガ 920MHz帯を使用した規格 代表的なものは WiSUN 50k~200kbps 500m〜１Km程度 １回の最大データ転送 ２０４７octets 電力会社主導のHEMS目的に約１００社のアライアンスで開発 クローズな技術 すでに市場で使用されている ＠サービス中 LoRa LoRaWAN 300〜50kbps 1km〜15km程度 1回の最大データ転送 256Byte LoRaアライアンス オープンな技術 オランダや韓国で使用されている ＠サービス中と言っているが実証実験レベル SIGFOX 上り100bps 下り600bps 3km〜50km程度 1回の最大データ転送 12Byte SIGFOXとパートナー クローズな技術 最近注目されているが、１秒間に数バイトしか送れないので致命的
- 18. 18 BLEとLPWAと他の技術を比較 無戦技術 デー タ長 最大 距離 消費電流 ランニング PC Android iOS Bluetooth （BLE） 31 1km 6uAh〜1mAh 無料 △ ○ ○ ○ Wi-SUN 2047 1km 100uAh〜30mAh 無料 △ × × LoRa 256 15km １時間に１回で 20mAh 無料 △ × × SIGFOX 12 50km １２時間に１回で 1mAh 日本では 有料化？ △ × × データ長は、ヘッダなどを含みます。実際に送信できるデータ長は短いです。
- 22. 22 ２０１6~IoTは 実証実験ではなく 本稼働しています。 GateWay クラウド Azure AWS など Advertising BLE 温度 Advertising BLE Advertising iBeacon ←インターネット ←BluetoothやWiFiなど
- 23. 23 本番のIoTは見えにくい
- 32. Bluetoothの中のiBeaconの位置付け Ver Phy 概要 1.1 BDR(BasicDataRate) やっと使えるようになった 1.2 BDR 2003.11 Wi-Fiとの干渉対策 2.1 BDR,EDR(EnhancedDataRate) 2007.07 省電力化が進みEDRがまともに使えるようになった 3.0 BDR,EDR、HS(HighSpeed) 2009.04 HS 最大24Mbps 4.0 BDR,EDR,HS,LE(LowEnergy) 2010.06 低消費電力のLowEnergyが追加 GATT対応 4.1 BDR,EDR,HS,LE 2013.12 LTEとの干渉低減 IoT対応の準備 １対多接続へのアプローチ 4.2 BDR,EDR,HS,LE 2014.12 SmartではIPv6接続（IPSP）プロファイル追加 暗号化AES128対 応2.5倍の高速化 Bluetooth Smart（LE） 4.0から追加 Central Advertising受信 PDU内の参照について、各OSで差異がある。 iOS及びAndroidは受信できるが、Winは不可 Peripheral機器との送受信 各OS可能 Peripheral Advertising Service 通常はnameのみ送信 CompanyID 0x004C Apple Apple独自定義100mS 間隔で固定 のデータにiBeaconは含まれる。 0x01CE HSD 芳和独自設定モード時やセンサ用 Profile GATT/GAP IPSP:Internet Protocol Support Profiles 32
- 33. 33 Bluetooth Legacy と Bluetooth Low Energyの差異 Bluetooth Legacy Bluetooth ICにはLink層とPHY層が入り、外部のMPUにL2CAP以上の層を実装する。 MPU SPP RFCOMM L2CAP Bluetooth IC Link Manager PHY Bluetooth Low Energy Bluetooth ICに、アプリケーション用のMPUが内蔵している。 Bluetooth IC（MPU） UserApp Profile GATT/GAP/L2CAP HCI Link Layer PHY OS毎に実装レベルが違い、組込みの場合はかなりの部分を、 実装する必要がありました。 ICには、HW依存部分のみ実装されている。 BLEチップには、LinkLayer＋PHY＋MPUと、MPU 内にそれを制御するSoftDeviceが提供されてい る。 デバイスメーカは、SoftDevieのAPIを使用する事 により、内臓MCUのユーザーアプリケーションを 開発できる。
- 34. Bluetooth Low Energyについて Bluetooth Low Energyは、nokia発祥の規格で、後にBluetoothSIGが採用し Bluetooth4.0で正式に追加されました。 既存のBluetooth（Bluetooth Legacy)とは互換性が無い為、接続出来ません。 その為、互換性を表す為に、BLEのみに対応した機器を、Bluetooth Smart LegacyとSmart両対応のものをBluetooth Smart Readyとロゴを分けました、が！！ しかし、２０１６年にSMARTなどの表記は廃止されました。 Bluetooth規格に対応している製品 34 Bluetooth SIGより（2017.2.11現在）
- 35. 35 Bluetooth SIGの方針は、数年のサイクルで劇的に変わる場合がありますので、 年に数回は、https://www.bluetooth.com/ja-jp を確認した方がいいです。 ここ数年では ・Bluetooth SMART / Bluetooth SMART READYの開始 ・エンドプロダクト登録の有料化 ・SMART ・ SMART READY の廃止
- 41. • サービスの情報をデバイスへ通知することができる • サービスがデバイスのセンサー情報を取得することができる Linking 対応デバイ ス パートナー 企業様提供 Linking API Linking BLEプロファイル デバイス・サービスがLinkingのIFを介して 互いの連携を簡単に実現 “Project Linking”の概要 デバイスとサービスを容易に連携 Linking 対応サービ ス NTTドコモ ・ パートナー 企業様提供 BLE
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- 46. デバイスの仕様 通信方法： 温度・湿度センサー 気圧センサー 人感センサー開閉センサー 方位センサー ジャイロセンサー 振動センサー加速度センサー ボタン バイブレーション 電池残量LED BLE4.0 ●安価なモジュール ●省電力性 ●スマートフォン搭載済 1stステップとして、BLEの規格策定 ビーコン：デバイスのビーコン情報をスマホアプリへ通知する。 ペアリング：スマホアプリの情報をデバイスへ通知して、スマホアプ リがデバイスのセンサー情報を取得する。
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- 49. 49 Linkingのデバイスの、利用法は２通りあります。 接続前 Advertising： １対多 接続後 ペアリング： １対１
- 53. 53 ベースとなる規格 PhysicalWebとは ２０１４年１０月にGoogleが提唱した BLEのAdvertisingを利用したサービス。 PhysicalWeb機器はAdvertisingパケットにURLを、 URI（Uniform Resource Identifier RFC3986）形式で送信する。
- 54. 54 Eddystoneの種類 Eddystone-TLM（New) TeLeMetry バッテリレベル、温度、起動からのカウント、起動からの時間を 送信する。 Eddystone-UID(New) Unique ID UUIDっぽいのを送信するBeacon Eddystone-URL PhysicalWebを継承したBeacon URLを送信する。 Eddystone-EID Ephemeral Identifier AES 128Bitにて暗号化されたデータを送信するBeacon
- 55. 55 Eddystone-UID(New) Unique ID Eddystone-UID(New) 個別のIDを送信するBeacon UniqueID Advertising BLE 個別の番号
- 57. 57 集合体番号(10Byte) 実体番号（6Byte） 予備（2Byte） Eddystone-UID(New) Beaconの固有のIDを送信する、iBeaconに似たフォーマットとなっている。 TXPower、NamespaceID、InstanceID、予備で構成される。 TXPower：０m時の送信出力、１mのRSSIを-41dBしても良いとの記述がある。 iBeaconでは、１mのRSSI値で、＋41dBするとiBeaconと同じになる。 NamespaceID：集合体番号 サービスや建物といったグループで同じものを使用する。 iBeaconに例えると、UUID InstanceID：実体番号 何号棟、何階、何番のような、１つの集合体の中の番号を 特定する為に使用する。 iBeaconに例えると、Major、Minorに相当する。 予備：予備 TXP（1Byte） 渋谷マークシティ WEST 17F 01
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- 73. 73 国土地理院より
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- 79. 79 他には LINE Beacon 2016年〜 CSRmesh 2014年〜 Bluetooth ISP Bluetooth 4.2 5.0
- 80. 80 Internet Connectivity Building on the capabilities released earlier with Bluetooth 4.1 and the new features released in 4.2, the Internet Protocol Support Profile (IPSP) will allow Bluetooth Smart sensors to access the Internet directly via IPv6/6LoWPAN. IP connectivity makes it possible to use existing IP infrastructure to manage Bluetooth Smart “edge” devices. This is ideal for connected home scenarios that need both personal and wide area control. This profile will be ratified by the end of the year. For the latest Bluetooth 4.2 and IPSP technical details, tools and other information including an FAQ and more, visit: www.bluetooth.com/bluetooth4-2 http://www.bluetooth.com/Pages/Press-Releases-Detail.aspx?ItemID=220 Bluetooth 4.2で、IPSP（インターネットプロトコルサポートプロファイル）サポート IPV6のインターネットプロト コルサポートにより、IP ベースの接続が可能にな ります。
- 81. 81 IPSP Internet Protocol Support Profile 1.0 Active 16 December 2014 BluetoothSIGにLoginします、adopted-specificationsに下記の「1.0」を開きます。 ドキュメントを開くと NodeとRouterのスタック図も存在 します。 GAPで機器検出と接続を行い、 サービス検出の為に、IPSS、GATT、 ATTを使用します。
- 82. 82 IPSPでは ・６LowWPANでL2CAPを制御し、その上にIPV6を実装するようなスタックになっている。 ・NodeがPeripheral、RouterはCentralまたは、 CentralとPeripheral両方サポート ・DeviceでCSRmeshのようにRouterも行う場合、RouterとNodeRoleに対応する必要があり SoftDeviceもCentralとPeripheral両方に対応する必要があります。 ・Node Role及びRouter RoleはそれぞれMTUは、１２８０octetsかそれ以上 ・RAMが大量に必要となる。 おそらく最低でも20KByte程度でしょうか 各社RAMサイズを大きくしたチップを提供し始めています。 ・IPSPに対応した、SoftDeviceが登場するのは夏以降でしょうか・・・ Node Node Node Router RouterGW Peripheral UUID:IPSS Peripheral UUID:IPSS Peripheral UUID:IPSS Central GATT ClientCentral GATT Client
- 83. 83 アドバタイジング ペアリング 消費電流 暗号化 センサ対応 自由度 iBeacon ○ × × × × × Linking ○ ○ ○ ○ ○ ○ Eddystone ○ × ○ ○ ○ × Homekit △ ○ ○ ○ ○ ○ ucode ○ × ○ × × × 各規格を比較する。