Bluetooth Low Energy: la rivoluzione silenziosa dell’ambient intelligence

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Stefano SannaBluetooth Low Energy: la rivoluzione silenziosa dell’ambient intelligence

• Presentazioni !

• Ambient Intelligence !

• Bluetooth • Genesi ed evoluzioni • Bluetooth Low Energy • Playground

• FAQ & Conclusioni

gerdavax AT gmail DOT comBluetooth Low Energy

Agenda

• Responsabile Android Lab @ Open Reply !

• Co-autore di “Android Programmazione Avanzata”(con E. Di Saverio, Ed. FAG) !

• Autore del libro “Java Micro Edition” (Hoepli) !

• Supporter @ Codemotion since 2005 (JIP Day!)


Speaker


Slide’s title

Cablaggi nella metropolitana di Londra


2002: quattro mani per usare un PDA con touchscreen resistivo (con pennino), modem 2G seriale, GPS seriale e fotocamera da 1.5MPX)

In computing, ambient intelligence (AmI) refers to electronic environments that are sensitive and responsive to the presence of people. Ambient intelligence is a vision on the future of consumer electronics, telecommunications and computing that was originally developed in the late 1990s for the time frame 2010–2020.

In an ambient intelligence world, devices work in concert to support people in carrying out their everyday life activities, tasks and rituals in an easy, natural way using information and intelligence that is hidden in the network connecting these devices (see Internet of Things).

As these devices grow smaller, more connected and more integrated into our environment, the technology disappears into our surroundings until only the user interface remains perceivable by users.


Ambient Intelligence

http://en.wikipedia.org/wiki/Ambient_intelligence

• Sveglia, casa, doccia, colazione, news…

• Abbigliamento, agenda, si parte!

• Cammino, bici, auto, scooter, treno, metro, aereo…

• Home office, HQ office, client office, mobile office…

• Centro commerciale, parcheggio, ospedale, aeroporto, stazione, parco, cinema, palestra, piscina, scuola, mare, montagna, ristorante…


Everyday Life Activity

•


Everyday Life Activity

Beacon

Info ambiente

Controllo accessi

Safety & SecurityTracker

Prossimità

Energia

ClimaPressione arteriosa

Glucometro

Metro

Pesapersone

Ciclo del sonno

Termometro corporeo

Ciclometro

Localizzazione

Cardio

frequenzimetro

• 1994: nasce come “cable replacement” per connessioni seriali • 1999: rilasciato Bluetooth 1.0, piuttosto instabile… • 2003: rilasciato Bluetooth 1.2, stabile e realmente funzionale • 2004: arriva Bluetooth 2.0 con EDR: aumenta la velocità • 2006: Nokia annuncia Wibree per comunicazione a basso consumo • 2007: è l’anno di Bluetooth 2.1+EDR. Migliora la sicurezza • 2009: arriva Bluetooth 3.0 • 2010: è annunciato Bluetooth 4.0 con estensioni Low Energy • 2011: Mac mini, MacBook Air e iPhone 4s sono i primi dispositivi

equipaggiati con Bluetooth 4.0 • 2013: 2.5 miliardi di device Bluetooth-enabled nel mondo


Breve storia di Bluetooth

• Consumo energetico non trascurabile • Massimo 7 slave per ogni master • Fragile in contesti di elevato affollamento • Tempi di discovery troppo lunghi (sino a 20s) • Advertising “su richiesta” • Meccanismi di pairing lenti • Scarsa granularità dei profili • Stack piuttosto ricco (e, dunque, complesso) • Regole visibilità e discovery limitate • Stream-oriented (RFCOMM o Audio)


Alcuni dei limiti di Bluetooth

• Architettura non simmetrica (central vs peripheral) • Sbilanciare i ruoli consente di avere periferiche semplici, poco costose

e con bassissimo consumo di energia (< 15mA picco) • Compiti complessi lasciati all’host • Non è previsto il cambio di ruolo (vedi HSP)

• Pacchetti piccoli ( < 50 byte) • Richiedono poca energia per essere trasmessi • MCU più semplice, meno memoria, meno possibilità di errore

• Trasmissione a bassa velocità e bassa potenza • Advertising spontaneo e dinamico

• 3 canali di advertising anziché 32FH • 40 canali complessivi


La contro-evoluzione: 4.0 non è 3.0++!


Contro-evoluzione: velocitàVe

loci

tà (M

bps)

0

15

30

45

60

v1.1 v2.0 v3.0 v4.0

0,3

54

31

• Magico • apparati piccolissimi • autonomia incredibile • discovery in pochi millisecondi

• Prossimo • funziona a brevissima distanza • l’info sulla potenza (normalizzata 1m) consente localizzazione indoor

• Fisico • È possibile… infilarlo ovunque! • Le prime applicazioni sono davvero legate alle attività quotidiane


Magico, Prossimo, Fisico

• Advertiser • Invia segnali periodici, non è dotato di ricevitore

• Scanner • Attende segnali provenienti da un broadcaster; non trasmette

• Peripheral • Ricetrasmittente, lavora principalmente in modalità server

• Central • Tipicamente un computer o un device mobile, lavora principalmente

in modalità client verso uno o più peripheral

(su Bluetooth Classic solo Master e Slave, con assegnazione dinamica)


Ruoli


Versioni e “branding” dei dispositivi

• Bluetooth Classic • Compatibile esclusivamente con Bluetooth 1.1, 2.0 e 3.0 • Sono tutti i dispositivi pre-Bluetooth 4.0 e quelli attuali non dotati di

funzionalità LE

• Bluetooth Smart • Compatibile esclusivamente Bluetooth 4.0 low energy (single mode) • Funzionante nella sola modalità peripheral

• Bluetooth Smart Ready • Compatibile con l’intera specifica Bluetooth 4.0 (dual mode) • Dialoga con dispositivi Classic e con dispositivi LE


Versioni e “branding” dei dispositivi


Stack Bluetooth Classic

BR/EDR PHY

LINK MANAGER

HCI

L2CAP

RFCOMM

SPP/DUN/OPP

SDP


Stack Bluetooth Smart

LE PHY

LINK LAYER

HCI

SMP

GAP GATT

ATT

L2CAP


Stack Bluetooth Smart Ready

LE PHY

LINK LAYER

SMP

GAP GATT

ATT

BR/EDR PHY

LINK MANAGER

HCI

L2CAP

RFCOMM

SPP/DUN/OPP

SDP


I profili in Bluetooth Classic

• Servizio • Insieme di caratteristiche aggregate per erogare una funzionalità • Esempio:

• “Health Thermometer Service”

• Caratteristiche • Un singolo valore accessibile in lettura o scrittura • Esempio:

• “Temperature Measurement” (temperatura letta) • “Temperature Type” (tipo di termometro) • “Intermediate Temperature” (letture in-progress) • “Measurement Interval”


GATT: Generic Attribute Profile (1)

https://developer.bluetooth.org/gatt/services/Pages/ServiceViewer.aspx?u=org.bluetooth.service.health_thermometer.xml

• Descrittori • Informazioni accessorie su una caratteristica • Esempio:

• “Is write supported” sulla caratteristica che gestisce l’intervallo di campionamento

• Tutto è un UUID • A qualsiasi entità è assegnato un UUID (Universally Unique

IDentifier) • Accanto a BD-Address e Friendly-Name, un dispositivo può usare un

UUID anche in advertising (feature usata dagli iBeacon di Apple)


GATT: Generic Attribute Profile (2)


Profili, Servizi, Caratteristiche, Descrittori…

Profile

Service Service Service

Characteristic

Characteristic

Characteristic

Value

Descriptor Descriptor Descriptor


UUID

Entità UUIDBase Bluetooth 00000000-0000-1000-8000-00805F9B34FB

Generic Access 00001800-0000-1000-8000-00805F9B34FB

GATT 00001801-0000-1000-8000-00805F9B34FB

Immediate Alert 00001802-0000-1000-8000-00805F9B34FB

Health Thermometer 00001809-0000-1000-8000-00805F9B34FB

Heart Rate 0000180D-0000-1000-8000-00805F9B34FB

Battery Service 0000180F-0000-1000-8000-00805F9B34FB

Battery Level 00002A19-0000-1000-8000-00805F9B34FB

Blood Pressure 00001810-0000-1000-8000-00805F9B34FB

Current Time 00001805-0000-1000-8000-00805F9B34FB

TX Power 00001804-0000-1000-8000-00805F9B34FB

• Desktop • Linux • Mac OS X • Windows

• Mobile • Android 4.3 • iOS 5 • Windows Phone 8 • BlackBerry 10


Sistemi operativi e supporto BLE

• Introdotta in Android 4.3 Jelly Bean

• Consente di gestire GATT client e server, accesso a caratteristiche e descrittori, registrazione per le notifiche

• Non supporta la modalità “peripheral”: attualmente, dunque, non è possibile creare un beacon (come su iPhone)

• Android 4.4 KitKat offre un logger dei pacchetti a livello HCI


Android API per Bluetooth Low Energy

• Google: Nexus 4, Nexus 5, Nexus 7 “2013” • Samsung: Galaxy S3, S3 mini, Galaxy S4, S4 mini; Note 2, Note 3, Note

8”, Note 10” 2014 Edition • LG: Optimus G, 4X, G2

• Grandi assenti: Galaxy Nexus, Nexus 7, Nexus 10

• Altri dispositivi con Android 4.2.x possono disporre di API proprietarie per l’accesso al modulo BLE

• Importante: non basta un semplice aggiornamento software per avere BLE, occorre un hardware dedicato!


Device Android con supporto Bluetooth Low Energy

• Il dispatching degli eventi avviene attraverso normali “listener” anziché via Intent e BroadcastReceiver

• I componenti che modellano GATT client, caratteristiche e descrittori non sono Parcelable: l’intera gestione della comunicazione avviene all’interno di un singolo Fragment

• Lettura e scrittura sono asincrone (addio I/O stream)

• La stabilità (pre KitKat) lascia un po’ a desiderare…


Principali differenze nelle API “Classic” e LE


API Android

BluetoothManager manager = (BluetoothManager) getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);

adapter = manager.getAdapter();

boolean started = adapter.startLeScan(mLeScanCallback);

BluetoothAdapter.LeScanCallback mLeScanCallback = new BluetoothAdapter.LeScanCallback() {

@Override

public void onLeScan(final BluetoothDevice device, int rssi, final byte[] scanRecord) {

! // gestione device…

! }

};


API Android

BluetoothGatt mGatt = device.connectGatt(getActivity(), true, new BluetoothGattCallback() {

String SERVICE = “0000180F-0000-1000-8000-00805F9B34FB”;

String LEVEL = “00002A19-0000-1000-8000-00805F9B34FB”;

! @Override

public void onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status, int newState) {

if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS && newState == BluetoothGatt.STATE_CONNECTED) {

BluetoothGattService service = gatt.getService(UUID.fromString(SERVICE));

BluetoothGattCharacteristic ch = service.getCharacteristics(UUID.fromString(LEVEL));

gatt.readCharacteristic(ch);

}

}

@Override

public void onCharacteristicRead(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic ch, int st) {

final int batteryLevel = ch.getIntValue(BluetoothGattCharacteristic.FORMAT_UINT8, 0);

}

});

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Playground: sperimentare con BLE

TI SensorTagWTEK Heartrate Monitor

Kontakt Beacon

Tracer Keyfob

Pebble Keyfob

estimote

TI CC2450 miniDK geektech Arduino BLE shield

• Linux • Qualsiasi dongle USB Bluetooth 4.0 dual-mode (su ebay a 10 euro!) • bluez 5.1 • Suggerimento: scaricare (e compilare) l’ultima release dal repository

ufficiale, anziché usare la build presente nelle distribuzioni

• Mac OS X • Tutti i (nuovi) Mac usciti sul mercato dal 2012 dovrebbero avere

Bluetooth Low Energy a bordo • LightBlue (utility gratuita su Mac App Store)


Linux e Mac OS X


Linux: discovery dei dispositivi

output di:

hcitool -i hci0 lescan


Linux: lista servizi e lettura caratteristicheSi seleziona il device con cui

comunicare in modalità interattiva

Lista servizi primari

lettura della caratteristica “battery level” esposta dal

“battery service”La batteria è carica (0x64 = 100%)


Mac OS X: LightBlue per far tutto!La batteria è carica (0x64 = 100%)


BLE Scanner su Android

• Per usare BLE è sufficiente un aggiornamento software? • No!

• BLE sostituisce Bluetooth Classic? • No!

• BLE rimpiazzerà NFC? • Bella domanda :-) • Hanno casi d’uso piuttosto diversi (malgrado ciò che si dice…)

• BLE sarà lo standard del futuro? • Se lo sapessi, non sarei qui! (comunque, credo di si)


FAQ su Bluetooth Low Energy vs resto del mondo

• Bluetooth Low Energy sarà la più grande ed invadente evoluzione delle comunicazioni wireless a corto raggio

• Parallelamente alla diffusione di oggetti direttamente connessi alla Rete (IoT), lo smartphone diventerà centro-stella e gateway di una moltitudine di dispositivi invisibili che circondano gli utenti

• Importanti implicazioni per la privacy: chi raccoglie i dati sulla nostra vita li userà per condizionarci?

• “abbiamo rilevato che sei fiacco, perché non prendi un po’ di XYZ?”


Conclusioni

• Mara Marzocchi, Marco Casario, Gosia Sosnowska e tutto il team di Codemotion per l’enorme lavoro che fanno ogni anno per la community italiana degli sviluppatori software

• Matteo @mbonifazi Bonifazi per avermi prestato il suo Nexus 7 2013 mentre ero in attesa del Nexus 5 e dell’aggiornamento ad Android 4.3 sul Galaxy S3

• Roberto @frabons Fraboni per aver condiviso scenari e curiosità sull’uso degli iBeacon


Ringraziamenti

• https://developer.bluetooth.org/TechnologyOverview/Pages/BLE.aspx

• http://developer.android.com/guide/topics/connectivity/bluetooth-le.html

• https://developer.apple.com/library/ios/documentation/NetworkingInternetWeb/Conceptual/CoreBluetooth_concepts/AboutCoreBluetooth/Introduction.html

• Bluetooth Low Energy: The Developer’s Handbook (Robin Heydon, Prentice-Hall)


Riferimenti e risorse

• NFC Tecnologia e applicazioni (2012)

• Android Bluetooth Hacking (2010)


Approfondimenti dai precedenti Codemotion

!

• mail: gerdavax AT gmail DOT com • blog: http://www.gerdavax.it • twitter: @gerdavax • slideshare: http://www.slideshare.net/gerdavax • Linkedin: http://www.linkedin.com/in/gerdavax


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