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<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta charset="utf-8">
<title>Heimautomatisierung mit iBeacons</title>
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</head>
<body>
<div id="front">
<p>
ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften<br/>
Bachelorstudium Informatik<br/>
Semesterarbeit
</p>
<h1>Heimautomatisierung mit iBeacons</h1>
<p class="logo">
<img src="images/logo.png" width="500" height="500" alt="" />
</p>
<p>
Autor: Fabian Vogler, <a href="mailto:[email protected]">[email protected]</a><br/>
Betreuungsperson: Peter Egli<br/>
<span class="version">16. Mai 2014, Version 1.1 HEAD</span>
</p>
</div>
<div class="impress chapter">
<p>
Diese Arbeit entstand im Rahmen einer Semesterarbeit an der Zürcher Hochschule
für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) in Zürich. Der Quelltext dieser Arbeit ist
online unter
<a href="https://github.com/fabian/home-automation">https://github.com/fabian/home-automation</a>
aufrufbar.
</p>
<p>
Dieses Dokument wurde in HTML geschrieben und mit Hilfe von
<a href="http://www.princexml.com/">Prince XML</a> in ein PDF-Dokument
umgewandelt. Die verwendete Schriftart ist <em>Helvetica Neue</em>, entwickelt
von D. Stempel AG und basierend auf <em>Helvetica</em> von Max
Miedinger.
</p>
<p>
Sämtliche Quellen sind nummeriert [<em>n</em>] und befinden sich im Anhang im
Quellenverzeichnis. Die Arbeit setzt Fachwissen in der Informatik voraus.
Ein Glossar mit Erklärungen zu den wichtigsten Begriffen und Abkürzungen befindet
sich im ebenfalls Anhang.
</p>
</div>
<div class="chapter">
<h2 class="nonr">Abstract</h2>
<p>
Die Grundidee der Arbeit ist eine automatisierte Steuerung der Wohnungsbeleuchtung
aufgrund der Position des Bewohners innerhalb der Wohnräume.
iBeacon ist eine auf Bluetooth basierende und von Apple entwickelte Technologie
zur Lokalisierung innerhalb von Gebäuden. Die offizielle Dokumentation von
iBeacon ist nur zertifizierten Partnern zugänglich.
Der technische Aufbau von iBeacon wurde während des Projekts analysiert und auf
seine mögliche Verwendung in der Heimautomatisierung hin überprüft.
In einer Anforderungs­analyse wurden die benötigen Funktionen für eine
automatisierte Steuerung der Wohnungsbeleuchtung mit iBeacons dokumentiert.
Zur Überprüfung der Alltagstauglichkeit wurde eine den Anforderungen
entsprechende Softwarelösung umgesetzt und mit Estimote Beacons getestet.
Die optimale Sendestärke der Beacons wurde durch eine Rastermessung der
Signalstärke in der Wohnung ermittelt.
Die Softwarelösung besteht aus einer iPhone-App sowie einer Web-Applikation und
steuert spezifische LED-Lampen vom Produkt Philips hue.
</p>
</div>
<div class="chapter">
<h2 class="nonr">Inhaltsverzeichnis</h2>
<ol id="toc"></ol>
</div>
<div class="chapter">
<h2>Einleitung</h2>
<h3>Ausgangslage</h3>
<p>
Heimautomatisierung (engl. Home Automation) bezeichnet die intelligente
Verknüpfung von Sensoren und anderen technischen Geräten innerhalb der eigenen
Wohnräume zur Steigerung des Wohnkomforts. Effizientere Technik und
verbraucherorientierte Produkte haben dies in den letzten Jahren auch für
normale Konsumenten realisierbar gemacht.
</p>
<p>
Apple hat in der neusten Version seines mobilen Betriebssystems, iOS 7, eine
neue Möglichkeit zur Lokalisierung des Benutzers in geschlossenen Räumen
hinzugefügt. Die Technik basiert auf Bluetooth Low Energy, trägt den Namen
iBeacon und kann verwendet werden, um das Betreten oder Verlassen eines Raums
zu registrieren. Eine Dokumentation des Protokolls wurde von Apple angekündigt,
war jedoch zu Beginn des Projekts noch nicht veröffentlicht. Am Ende des
Projekts existierte zwar eine Dokumentation zum iBeacon-Format, diese war aber
nur zertifizierten Herstellern zugänglich.
</p>
<p>
Die Verwendung von bestehenden Geräten, wie Smartphones, ist für die
Heim­automatisierung interessant, da diese vielfältige Möglichkeiten bieten und
nicht separat angeschafft werden müssen. Eine optimale Ergänzung dazu stellt
die Philips hue dar. Es handelt sich dabei um eine LED-Lampe in Form einer Glühbirne,
welche über eine REST-API verfügt und so gezielt gesteuert werden kann. Zu dieser
LED-Lampe existiert auch eine offizielle iPhone-App, welche eine
Steuerung der Beleuchtung über die Positions­bestimmung mittels GPS anbietet. Die Anwendung
im Alltag zeigte jedoch, dass diese Umsetzung schlecht funktioniert, da die Ortung per GPS
besonders in Gebäuden nicht zuverlässig ist (Lichter gehen aus und
an während sich die Person am gleichen Ort aufhält).
</p>
<p>
Schlechte Erfahrungen wurden auch mit anderen Lokalisierungsgeräten gemacht.
<a href="#ref-chipolo" class="ref">Chipolo</a> ist ein
Bluetooth-Schlüsselanhänger, der einen Alarm auslöst, sobald
man sich von seinem iPhone entfernt. Bei dessen Benutzung wurde jedoch beobachtet, dass
dies nur unzuverlässig funktioniert. Ohne eine detaillierte Analyse oder
Kenntnisse über die genaue Funktionsweise, ist es aber schwierig zu beurteilen,
wo die Ursache des Problems liegt. Es führte jedoch zur Vermutung, dass die Ortung mit
iBeacons zu ungenau für die Steuerung der Beleuchtung von Räumen ist.
</p>
<h3>Ziele der Arbeit</h3>
<p>
Im Rahmen dieser Semesterarbeit soll analysiert werden, wie die neuen
Funktionen von iOS 7 optimal verwendet werden können, um eine einfache
Heimautomatisierung zusammen mit der Philips hue zu ermöglichen. Es soll eine
zentrale Web-Applikation entwickelt werden, welche die Bewegungen eines
Benutzers innerhalb der eigenen Wohnräume speichert und die Beleuchtung der
Räume entsprechend steuert. Der Standort des Benutzers wird dabei von einer
iPhone-App ermittelt und an die Web-Applikation gemeldet.
</p>
<h3>Aufgabenstellung</h3>
<p>
Im Rahmen dieser Semesterarbeit werden vom Studenten folgende Aufgaben ausgeführt:
</p>
<ol>
<li>Analyse der Funktionalitäten von iBeacon.</li>
<li>Untersuchung des auf Bluetooth Low Energy basierenden Protokolls von iBeacon.</li>
<li>Anforderungsdokumentation für die Automatisierung der Beleuchtung einer Wohnung.</li>
<li>Konzeption und Design des Software-Prototyps zur Umsetzung der dokumentierten Anforderungen.</li>
<li>Implementation eines Prototyps bestehend aus einer iPhone-App zur Lokalisierung des Benutzers und einer Web-Applikation zur Überwachung und Steuerung der Beleuchtung.</li>
<li>Verifikation des Software-Prototyps in einem Feldversuch und Analyse der Ergebnisse.</li>
<li>Demonstration des Software-Prototyps.</li>
</ol>
<h3 class="break">Projektablauf</h3>
<p>
Das folgende Gantt-Diagramm gibt einen Überblick über den effektiven Ablauf des
Projekts und die wichtigsten Meilensteine.
</p>
<figure class="table">
<table>
<colgroup>
<col width="160" />
<col width="25" />
<col width="25" />
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<col width="25" />
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<col width="25" />
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<col width="25" />
<col width="25" />
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th> </th>
<th colspan="3">November</th>
<th colspan="3">Dezember</th>
<th colspan="3">Januar</th>
<th colspan="3">Februar</th>
<th colspan="3">März</th>
<th colspan="3">April</th>
<th colspan="3">Mai</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>Kick-Off</td>
<td> </td>
<td colspan="4" style="border-left: 0;">◆ 13.11.13</td>
<td> </td>
<td> </td>
<td> </td>
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</tr>
<tr>
<td>Analyse iBeacon</td>
<td> </td>
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<td> </td>
<td colspan="4" style="background-color: #e8f0f8;"> </td>
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<tr>
<td>Design Review</td>
<td> </td>
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<td> </td>
<td colspan="4" style="border-left: 0;">◆ 22.01.14</td>
<td> </td>
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<td> </td>
</tr>
<tr>
<td>Konzeption Software</td>
<td> </td>
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<td colspan="7" style="background-color: #e8f0f8;"> </td>
<td> </td>
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</tr>
<tr>
<td>Umsetzung Software</td>
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<td colspan="6" style="background-color: #e8f0f8;"> </td>
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</tr>
<tr>
<td>Feldversuch</td>
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<td colspan="8" style="background-color: #e8f0f8;"> </td>
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<tr>
<td>Dokumentation</td>
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<td colspan="5" style="background-color: #e8f0f8;"> </td>
<td> </td>
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<tr>
<td>Messung RSSI</td>
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<td colspan="1" style="background-color: #e8f0f8;"> </td>
<td> </td>
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<td> </td>
</tr>
<tr>
<td>Abgabe Dokumentation</td>
<td> </td>
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<td> </td>
<td colspan="4" style="border-left: 0;">16.05.13 ◆</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<figcaption>Projektablauf</figcaption>
</figure>
<p>
Laut dem Reglement für Semesterarbeiten sollte der Aufwand 120 Stunden betragen.
Entsprechend wurde die Planung darauf ausgelegt. Die genauen technischen
Anforderungen wurden allerdings erst während dem Projekt klar und führten zu
einer iterativen Softwareentwicklung, wodurch mehr Zeit für die
Konzeptions- und Umsetzungsphasen gebraucht wurde.
</p>
<figure class="table">
<table class="inline">
<colgroup>
<col width="200" />
<col width="50" />
<col width="50" />
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th>Beschreibung</th>
<th>Soll</th>
<th>Ist</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>Analyse iBeacon</td>
<td>10 h</td>
<td>6 h</td>
</tr>
<tr>
<td>Konzeption Software</td>
<td>10 h</td>
<td>14 h</td>
</tr>
<tr>
<td>Umsetzung Web-Applikation</td>
<td>25 h</td>
<td>19 h</td>
</tr>
<tr>
<td>Umsetzung automatisierte Steuerung</td>
<td>15 h</td>
<td>35 h</td>
</tr>
<tr>
<td>Umsetzung App</td>
<td>25 h</td>
<td>12 h</td>
</tr>
<tr>
<td>Messung RSSI</td>
<td>-</td>
<td>11 h</td>
</tr>
<tr>
<td>Dokumentation schreiben</td>
<td>35 h</td>
<td>39 h</td>
</tr>
<tr class="total">
<td>Total</td>
<td>120 h</td>
<td>136 h</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<figcaption>Soll / Ist Vergleich Aufwand</figcaption>
</figure>
</div>
<div class="chapter">
<h2>Analyse iBeacon</h2>
<h3>Beschreibung</h3>
<p>
Bei iBeacon handelt es sich um eine von Apple eingetragene Marke. Sie beschreibt
eine proprietäre Technologie für die Lokalisierung eines iPhones mithilfe
von Bluetooth Low Energy (BLE). iBeacon setzt das Betriebssystem iOS 7 oder neuer,
sowie ein iPhone mit Bluetooth 4.0 voraus. Das Wort Beacon wird zur Beschreibung
eines Geräts mit eigener Stromversorgung verwendet, welches einen Standort markiert.
</p>
<figure>
<img src="images/ibeacon.png" class="inline">
<figcaption><a href="#ref-estimote-beacons" class="ref">iBeacon Logo</a></figcaption>
</figure>
<p>
Kommt ein iPhone in die Nähe eines Beacons, wird eine auf dem iPhone laufende App
vom Betriebssystem benachrichtigt. Die App kann dann zusätzlich die Distanz zum
Beacon abfragen und eigene Aktionen ausführen.
Vgl. <a href="#ref-understading-ibeacon" class="ref">iOS: Understanding iBeacon</a>.
</p>
<h3>Bluetooth Low Energy</h3>
<figure>
<img src="images/bluetooth-smart.png" class="inline">
<figcaption><a href="#ref-bluetooth-smart" class="ref">Logo Bluetooth Smart</a></figcaption>
</figure>
<p>
Bluetooth Low Energy (BLE) ist ein Funkprotokoll und Teil der
Bluetooth 4.0-Spezifikation. Vermarktet wird BLE auch als Bluetooth Smart.
Es wurde speziell für kleine Geräte mit limitierten Akkukapazitäten entwickelt und
kommt deshalb oft auf Smartphones zum Einsatz.
Vgl. <a href="#ref-bluetooth-smart" class="ref">Bluetooth SIG, Inc. (2013)</a>.
</p>
<p>
BLE-Geräte nutzen das Generic Attribute Profile (GATT), um die zur Verfügung gestellte
Funktionalität zu beschreiben. GATT sieht Services und Characteristics vor, welche
ein Gerät im Rahmen einen Bluetooth-Profils anbieten kann. Dabei besteht eine
hierarchische Beziehung zwischen Services und Characteristics. Services können
zudem auf andere Services referenzieren (<em>Include</em>), um deren Characteristics zu erben.
Profile dienen bei GATT zur formellen Gruppierung von mehreren Services.
</p>
<figure>
<img src="images/gatt-profile-hierarchy.png" width="400" class="inline">
<figcaption><a href="#ref-bluetooth-spec" class="ref">GATT Profilhierarchie, Bluetooth-Spezifikation, Seite 532</a></figcaption>
</figure>
<h3 class="break">Core Bluetooth</h3>
<p>
Apple bietet mit <a href="#ref-bluetooth-programming-guide" class="ref">Core Bluetooth</a>
eine vereinfachte Schnittstelle zur Verwendung von BLE an. Diese Bibliothek ist
im Betriebssystem iOS integriert und abstrahiert die BLE-Protokolle.
</p>
<figure>
<img src="images/core-bluetooth-stack.png" width="160" class="inline">
<figcaption><a href="#ref-bluetooth-programming-guide" class="ref">Aufbau Core Bluetooth, Programming Guide, Seite 5</a></figcaption>
</figure>
<p>Dabei wird bei der Programmierung zwischen zwei Rollen, welche nach dem
Client-Server-Prinzip aufgebaut sind, unterschieden: Central und Peripheral.
Ein <em>Peripheral</em> (Server) stellt dabei Daten zur Verfügung und kann sich selbst über
das regelmässige Aussenden von Informationen auffindbar machen (<em>Advertising</em>).
Ein <em>Central</em> (Client) hingegen sucht nach Peripherals, und verarbeitet
dessen Informationen in weiteren Aktionen. Zum Beispiel kann ein digitaler
Pulsmesser (Peripheral) mit BLE die aktuelle Herzfrequenz an eine iOS-App (Central)
übermitteln und die iOS-App zeigt dann die Herzfrequenz dem Benutzer an.
</p>
<figure>
<img src="images/ble-roles.png" width="350" class="inline">
<figcaption><a href="#ref-bluetooth-programming-guide" class="ref">Rollen in Bluetooth Low Energy, Programming Guide, Seite 9</a></figcaption>
</figure>
<h3>Analyse Aufbau</h3>
<p>
Um die technischen Limitierungen und allfällige Signalprobleme zu verstehen, ist
es für das Projekt von Vorteil, das Protokoll von iBeacon genau zu verstehen.
Zudem besteht der Hintergedanke evtl. eine eigene Implementierung eines iBeacon
mit bestehenden Komponenten wie einem GNU/Linux-Computer zu programmieren.
</p>
<p>
Es wurde mit der Einarbeitung in die Grundtechnologie von iBeacon begonnen,
um der Funktionsweise von iBeacon auf die Spur zu kommen. Mit dem
indirekten Ziel, einen Computer als iBeacon zu nutzen, wurde mit der Analyse
auf einem Mac begonnen. Dazu wurde die bereits beschriebene Bibliothek <em>Core Bluetooth</em> verwendet,
welche seit Version 10.9 von Mac OS X nicht nur auf iOS sondern auch in OS X zur Verfügung steht.
Damit sollte ein einfaches BLE-Profil veröffentlicht werden.
</p>
<p>
Anhand des Kapitels «Performing Common Peripheral Role Tasks» (Seite 16)
aus der von Apple zur Verfügung gestellten Dokumentation
<em><a href="#ref-bluetooth-programming-guide" class="ref">Core Bluetooth Programming Guide</a></em>
wurde ein minimales Programm mithilfe der Programmierumgebung Xcode erstellt,
welches eigene BLE-Dienste anbietet.
</p>
<figure>
<pre><code>// create manager
CBPeripheralManager *manager = [[CBPeripheralManager alloc] initWithDelegate:self queue:nil options:nil];
// initialize UUIDs
CBUUID *characteristicUUID = [CBUUID UUIDWithString: @"2A38"];
CBUUID *serviceUUID = [CBUUID UUIDWithString: @"180D"];
// create value object
int heartRate = 42;
NSData *value = [NSData dataWithBytes: &heartRate length: sizeof(heartRate)];
// create service with characteristic
CBMutableCharacteristic *characteristic = [[CBMutableCharacteristic alloc] initWithType:characteristicUUID properties:CBCharacteristicPropertyRead value:value permissions:CBAttributePermissionsReadable];
CBMutableService *service = [[CBMutableService alloc] initWithType:serviceUUID primary:YES];
service.characteristics = @[characteristic];
// add service and advertise
[manager addService:service];
[manager startAdvertising:@{ CBAdvertisementDataServiceUUIDsKey : @[serviceUUID] }];
</code></pre>
<figcaption>Beispielanwendung von Core Bluetooth</figcaption>
</figure>
<p>
Konkret wurde mit der Beispiel-Anwendung ein Bluetooth-Profil mit einem
Service für Herzfrequenzen mit der UUID <em>180D</em> und einer
Charakteristik für die Position des Sensors am
Körper mit der UUID <em>2A38</em> umgesetzt.
</p>
<p>
Die iPhone-App <a href="#ref-lightblue" class="ref">LightBlue</a>
bietet die Möglichkeit, eine Verbindung zu beliebigen BLE-Geräte aufzubauen und
die von den Geräten angebotenen Dienste abzurufen. Die App zeigt zudem die vom
Gerät versendeten Advertising-Daten an. Die App wurde erfolgreich dazu verwendet,
die von der Mac-Anwendung publizierten Services und Characteristics zu bestätigen.
</p>
<figure>
<img src="images/screenshot-ble-test-ios.png" class="inline">
<figcaption>
Screenshot <a href="#ref-lightblue" class="ref">LightBlue</a>
</figcaption>
</figure>
<p>
Wie im Kapitel «<a href="https://developer.apple.com/library/ios/documentation/UserExperience/Conceptual/LocationAwarenessPG/RegionMonitoring/RegionMonitoring.html#//apple_ref/doc/uid/TP40009497-CH9-SW12">Turn Your iOS Device Into a Beacon</a>»
der <a href="#ref-location-programming-guide" class="ref">Dokumentation zu iBeacon</a> beschrieben, wurde dann eine einfach iPhone-App
erstellt, welche die Signale eines iBeacons vom iPhone aussendet. Dazu benötigt
werden die beiden Bibliotheken <em>CoreBluetooth.framework</em> und <em>CoreLocation.framwork</em>.
</p>
<p>
Jedes Beacon braucht eine UUID, sowie einen Major- und einen
Minor-Wert, anhand welcher das Beacon eindeutig identifiziert wird.
Um die Analyse des Protokols zu vereinfachen und die ID einfach auffindbar zu machen,
wurde die UUID <code>FFFFFFFF-FFFF-FFFF-FFFF-FFFFFFFFFFFF</code> definiert. Als Major
wurde der Wert <code>00</code> (0) verwendet und als Minor der Wert <code>FF</code> (65535).
</p>
<figure>
<pre><code>NSUUID *proximityUUID = [[NSUUID alloc] initWithUUIDString:@"FFFFFFFF-FFFF-FFFF-FFFF-FFFFFFFFFFFF"];
// Create the beacon region.
CLBeaconRegion *beaconRegion = [[CLBeaconRegion alloc] initWithProximityUUID:proximityUUID major:0 minor:65535 identifier:@"ch.zhaw.voglefab.debug"];
// Create a dictionary of advertisement data.
NSDictionary *beaconPeripheralData = [beaconRegion peripheralDataWithMeasuredPower:nil];
// Start advertising your beacon's data.
[self.peripheralManager startAdvertising:beaconPeripheralData];
</code></pre>
<figcaption>
Beispielanwendung von Core Bluetooth
</figcaption>
</figure>
<p>
Diese App wurde auf einem zweiten iPhone installiert und gestartet. Verbindet man
sich jedoch nun mit LightBlue auf dem ersten iPhone mit dem zweiten iPhone, werden
in LightBlue nur die Services <em>Battery Service</em> und <em>Current Time Service</em>
angezeigt - iBeacon ist also kein Service im GATT-Protokoll. Auch bei den
Advertisement-Informationen ist das iBeacon in LightBlue
nicht sichtbar. Trotz der neuen Erkenntnisse stellt sich dieser Lösungsansatz
somit aber als Sackgasse heraus.
</p>
<figure>
<img src="images/screenshot-ble-test-ios-fail.png" width="200" class="inline">
<figcaption>
Screenshot <a href="#ref-lightblue" class="ref">LightBlue</a> ohne iBeacon
</figcaption>
</figure>
<p>
In einem weitern Schritt wurde auch nach Analyse-Tools auf dem Mac gesucht.
Schliesslich wurde das Software-Packet
<em><a href="#ref-hardware-io-tools" class="ref">Hardware IO Tools for Xcode</a></em> gefunden,
welches von Apple für Entwickler gratis zum Download bereitgestellt wird.
Dieses enthält unter anderem die Tools <em>PacketLogger</em> und
<em>Bluetooth Explorer</em>, welche für die weitere Analyse von iBeacon
verwendet wurden.
</p>
<figure>
<img src="images/screenshot-ble-explorer-1.png" class="inline">
<figcaption>
Screenshot <a href="#ref-hardware-io-tools" class="ref">Bluetooth Explorer</a>
</figcaption>
</figure>
<p>
Das neue Ziel war nun, die Signale eines iBeacons auf dem Mac zu analysieren. Die
Software PacketLogger bietet dazu eine Möglichkeit, die vom Computer
empfangenen BLE-Packete zu analysieren. Führt man im Bluetooth Explorer einen Scan
nach BLE-Geräten durch, werden im PacketLogger die empfangenen BLE Advertisements angezeigt.
</p>
<figure>
<img src="images/screenshot-packetlogger.png" class="inline">
<figcaption>
Screenshot <a href="#ref-hardware-io-tools" class="ref">PacketLogger</a>
</figcaption>
</figure>
<p>
Dadurch wurde schlussendlich das Advertisement mit den iBeacon-Daten gefunden.
Erkannt wurde das Advertisement anhand der UUID <code>FF FF FF FF…</code>.
Verwendet wird hier die hexadezimale Schreibweise von Octet, zwei Hexzahlen
entsprechen also einem Byte resp. 8 Bits.
</p>
<figure>
<pre><code>02 01 1A 1A FF 4C 00 02 15 FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 00 00 FF FF C5
</code></pre>
<figcaption>
Advertisement Daten iBeacon
</figcaption>
</figure>
<p>
Der Aufbau des BLE-Advertisements wird auf Kapitel «11 Advertising
and Scan Response data format» im Volume 3 der
<a href="#ref-bluetooth-spec" class="ref">Bluetooth-Spezifikation</a>
erklärt. Ein Advertisement besteht aus mehreren Elementen, welche eine variable Länge haben.
Am Anfang jedes Elements steht seine eigene Länge gefolgt vom Typ des Elements.
</p>
<figure>
<img src="images/structure-advertising-data.png" class="inline">
<figcaption><a href="#ref-bluetooth-spec" class="ref">Struktur Advertising and Scan Response, Bluetooth Specification, Seite 375</a></figcaption>
</figure>
<p>
Angewendet auf das empfangene Advertisement ergibt sich folgendes Format für ein
iBeacon. Gemäss Spezifikation enthalten die ersten zwei Octets der <em>Manufacturer
Specific Data</em> den <em>Company Identifier Code</em>, welcher auf
<a href="#ref-company-identifiers" class="ref">der Website der Bluetooth SIG</a>
dokumentiert ist.
</p>
<figure class="table">
<table class="table-extended inline" width="100%">
<tr><th>Byte</th><th>Beschreibung</th><th>Wert</th></tr>
<tr class="even"><td><code>02</code></td><td>Length</td><td>2</td></tr>
<tr class="even"><td><code>01</code></td><td>AD Type</td><td>Flags</td></tr>
<tr class="even"><td><code>1A</code></td><td>Flags</td><td>LE General Discoverable Mode<br/>Simultaneous LE and BR/EDR (Controller)<br/>Simultaneous LE and BR/EDR (Host)</td></tr>
<tr class="odd"><td><code>1A</code></td><td>Length</td><td>26</td></tr>
<tr class="odd"><td><code>FF</code></td><td>AD Type</td><td>Manufacturer Specific Data</td></tr>
<tr class="odd"><td><code>4C</code></td><td rowspan="2">Company Identifier Code</td><td rowspan="2">Apple, Inc.</td></tr>
<tr class="odd"><td><code>00</code></td></tr>
<tr class="odd"><td><code>02</code></td><td rowspan="2">Fixer Wert</td><td rowspan="2">iBeacon Identifier</td></tr>
<tr class="odd"><td><code>15</code></td></tr>
<tr class="odd"><td><code>FF</code></td><td rowspan="16">iBeacon UUID</td><td rowspan="16">FFFFFFFF-FFFF-FFFF-FFFF-FFFFFFFFFFFF</td></tr>
<tr class="odd"><td><code>FF</code></td></tr>
<tr class="odd"><td><code>FF</code></td></tr>
<tr class="odd"><td><code>FF</code></td></tr>
<tr class="odd"><td><code>FF</code></td></tr>
<tr class="odd"><td><code>FF</code></td></tr>
<tr class="odd"><td><code>FF</code></td></tr>
<tr class="odd"><td><code>FF</code></td></tr>
<tr class="odd"><td><code>FF</code></td></tr>
<tr class="odd"><td><code>FF</code></td></tr>
<tr class="odd"><td><code>FF</code></td></tr>
<tr class="odd"><td><code>FF</code></td></tr>
<tr class="odd"><td><code>FF</code></td></tr>
<tr class="odd"><td><code>FF</code></td></tr>
<tr class="odd"><td><code>FF</code></td></tr>
<tr class="odd"><td><code>FF</code></td></tr>
<tr class="odd"><td><code>00</code></td><td rowspan="2">iBeacon Major</td><td rowspan="2">0</td></tr>
<tr class="odd"><td><code>00</code></td></tr>
<tr class="odd"><td><code>FF</code></td><td rowspan="2">iBeacon Minor</td><td rowspan="2">65535</td></tr>
<tr class="odd"><td><code>FF</code></td></tr>
<tr class="odd"><td><code>C5</code></td><td>Fixer Wert</td><td>Measured power</td></tr>
</table>
<figcaption>
Bluetooth Advertisement iBeacon
</figcaption>
</figure>
<p>
Das iBeacon-Format ist also innerhalb der <em>Manufacturer Specific Data</em> im
BLE-Protokoll gekapselt. Dies konnte auch mit dem Bluetooth Explorer
verifiziert werden, der ebenfalls die Manufacturer Data anzeigt. Um ein iBeacon zu
erkennen oder zu simulieren, braucht man also lediglich ein Advertisement mit
den entsprechenden Manufacturer Specific Data zu senden/empfangen.
</p>
<figure>
<img src="images/screenshot-ble-explorer-2.png" class="inline">
<figcaption>
Screenshot <a href="#ref-hardware-io-tools" class="ref">Bluetooth Explorer</a> nach Scan
</figcaption>
</figure>
<p>
Für das Projekt ist positiv, dass iBeacon als zustandsloses Protokoll aufgebaut
ist. Es reduziert die Gefahr von Verbindungsabbrüchen und minimiert den
Batterieverbrauch, da keine synchrone Kommunikation notwendig ist. Dadurch
kann auch die Überwachung auf Beacons im Hintergrund öfters durchgeführt werden.
</p>
</div>
<div class="chapter">
<h2>Anforderungsanalyse</h2>
<h3>Einleitung</h3>
<p>
Das manuelle Bedienen von Lichtern in einer Wohnung ist oft mühsam und
ineffizient. Die Lichtschalter sind an ungünstigen Orten angebracht oder das
Licht wird beim Verlassen der Wohnung vergessen auszuschalten.
</p>
<p>
Es soll deshalb eine Softwarelösung entwickelt werden, welche die Lichter in
einem Haus automatisiert steuert. Betritt der Bewohner einen Raum, sollen die
Lichter im Raum angehen - beim Verlassen des Raums sollen die Lichter wieder
automatisch ausgehen. Dies spart Strom und erleichtert den Alltag.
</p>
<p>
Für die Steuerung soll ein Beacon mehreren Lichtern und ein Licht mehreren
Beacons zugewiesen werden können.
Die Lichter sollen leuchten, solange sich der Benutzer in der Nähe des Beacon
befindet. Eine Wohnung kann sich, wie im folgenden Schema beispielhaft dargestellt,
aus mehreren sich überschneidenden Lichtern und Beacons zusammensetzen.
</p>
<figure>
<img src="images/Lights.png" class="inline">
<figcaption>Beispiel Wohnung mit Beacons</figcaption>
</figure>
<h3 class="break">Stakeholder</h3>
<p>
Die folgenden Stakeholder wurden mit der Beobachtungstechnik
sowie aus der Dokumentation der eingesetzten Komponenten ermittelt. Sie haben
einen direkten oder indirekten Einfluss auf die Anforderungen. Diese Stakeholder
finden sich ebenfalls im nachfolgenden Kontextdiagramm.
</p>
<figure class="table">
<table class="inline" width="100%">
<colgroup>
<col width="30%" />
<col width="70%" />
</colgroup>
<tbody>
<tr>
<th>Stakeholder</th>
<th>Beschreibung</th>
</tr>
<tr>
<td>Bewohner</td>
<td>Der Bewohner der Wohnung ist der Hauptbenutzer. Die Anwendung soll sein Leben vereinfachen, die funktionalen Anforderungen sind deshalb auf ihn ausgelegt.</td>
</tr>
<tr>
<td>Besucher</td>
<td>Besucher der Wohnung wissen im Normalfall nichts über die im Hintergrund laufende Anwendung und müssen vor Überraschungen geschützt werden.</td>
</tr>
<tr>
<td>Beacon-Hersteller</td>
<td>Der Beacon-Hersteller entwickelt und liefert die nötige Hardware in Form der Beacons für die Anwendung. Er hat einen Einfluss auf die technischen Anforderungen.</td>
</tr>
<tr>
<td>Lampen-Hersteller</td>
<td>Der Lampen-Hersteller entwickelt und produziert die steuerbaren Lampen. Er definiert die technischen Möglichkeiten der Beleuchtung.</td>
</tr>
<tr>
<td>Apple</td>
<td>Apple als Entwickler des iBeacon-Formats definiert die technischen Vorgaben und nimmt evtl. in Zukunft Änderungen am Format vor.</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<figcaption>Stakeholder</figcaption>
</figure>
<h3 class="break">Systemkontext</h3>
<p>
Die Kontextabgrenzung dient zur Definition der Elemente und Stakeholder, welche einen Einfluss
auf das System haben. Das System selbst, die automatisierte Steuerung, wird durch
den Bewohner und die Beacons beeinflusst und steuert das Licht. Besucher kommen
innerhalb der Systemgrenze ebenfalls vor, haben aber keinen direkten Einfluss
auf das System. Hersteller der Komponenten liegen ausserhalb der Systemgrenze
und haben keinen direkten Einfluss auf die Anforderungen. Die Funktionen ihrer
Produkte haben jedoch einen Einfluss auf die technischen Möglichkeiten.
</p>
<figure>
<img src="images/Kontextdiagramm.png" class="inline">
<figcaption>
Kontextdiagramm
</figcaption>
</figure>
<h3 class="break">Funktionale Anforderungen</h3>
<p>
Die funktionalen Anforderungen wurden mit der Beobachtungstechnik und anhand
der eigenen Erfahrungen definiert und als Anwendungsfälle festgehalten.
</p>
<p>
Das folgende Anwendungsfalldiagramm gibt einen Überblick über die erfassten
Anwendungsfälle. Es gibt zwei Aktoren, den Benutzer sowie die automatisierte
Steuerung.
</p>
<figure>
<img src="images/Anwendungsfalldiagramm.png" class="inline">
<figcaption>
Anwendungsfalldiagramm
</figcaption>
</figure>
<p class="break">
Die Anwendungsfälle wurden mit den Attributen erfasst, welche im folgenden
Schema definiert sind. Die Anwendungsfälle sollen in absteigender Priorität
umgesetzt werden. Anwendungsfälle mit tiefer und mittlerer Priorität werden
nicht zwingend benötigt oder können Anfangs noch manuell direkt in der
Datenbank vorgenommen werden.
</p>
<figure class="table">
<table class="inline" width="100%">
<colgroup>
<col width="20%" />
<col width="80%" />
</colgroup>
<tbody>
<tr>
<th>Attribut</th>
<th>Beschreibung</th>
</tr>
<tr>
<td>Identifier</td>
<td>Eindeutige Nummer des Anwendungsfalls.</td>
<tr>
<td>Name</td>
<td>Kurzname des Anwendungsfalls.</td>
</tr>
<tr>
<td>Priorität</td>
<td>Dringlichkeit des Anwendungsfalls mit dem Wertebereich tief, mittel und hoch.</td>
</tr>
<tr>
<td>Auslöser</td>
<td>Beschreibung des Ereignisses, welches diesen Anwendungsfall relevant macht.</td>
</tr>
<tr>
<td>Beschreibung</td>
<td>Kurze Zusammenfassung des Anwendungsfalls.</td>
</tr>
<tr>
<td>Vorbedingungen</td>
<td>Voraussetzungen welche für die Ausführung dieses Anwendungsfalls erfüllt sein müssen.</td>
</tr>
<tr>
<td>Standardablauf</td>
<td>Schritte zur erfolgreichen Ausführung des Anwendungsfalls.</td>
</tr>
<tr>
<td>Ergebnis</td>
<td>Das Resultat nach der erfolgreichen Ausführung des Standardablaufs.</td>
</tr>
<tr>
<td>Ausnahmen</td>
<td>Eventuell auftretende Ausnahmesituationen sowie deren Konsequenzen.</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<figcaption>Attribute Anwendungsfall</figcaption>
</figure>
<h4>Anwendungsfälle</h4>
<figure class="table">
<table class="inline" width="100%">
<colgroup>
<col width="30%" />
<col width="70%" />
</colgroup>
<tbody>
<tr>
<th>Identifier</th>
<td>UC01</td>
</tr>
<tr>
<th>Name</th>
<td>Neues Beacon erfassen</td>
</tr>
<tr>
<th>Priorität</th>
<td>mittel</td>
</tr>
<tr>
<th>Auslöser</th>
<td>Der Benutzer konfiguriert das System zum ersten Mal oder ist in Besitz eines neuen Beacons gekommen.</td>
</tr>
<tr>
<th>Beschreibung</th>
<td>Der Benutzer erfasst ein neues Beacon mit einem eigenen Namen.</td>
</tr>
<tr>