Sylvia Touch Relay

BLE-gestuurde relais-switch voor de M5Stack Atom VoiceS3R (ESP32-S3) met een bijbehorende Android-app. Het relais kan worden bediend via een capacitieve touch-sensor (open-drain) óf via Bluetooth Low Energy vanaf een Android-telefoon.

De BLE-verbinding is beveiligd met HMAC-SHA256 authenticatie (application-level handtekening met replay-protectie). BLE-link encryptie/bonding is bewust niet toegepast — HMAC biedt authenticatie en replay-bescherming op applicatieniveau, voldoende voor een relais-aan/uit commando.

Hardware

Component	Details
Board	M5Stack Atom VoiceS3R (SKU: C126-ECHO)
SoC	ESP32-S3-PICO-1-N8R8 (8MB Flash, 8MB PSRAM)
Touch sensor	Open-drain sensor op G38 (3.3V, interne pullup)
Relais / LED	Op G1 (3.3V GPIO output)
Status LED	Op G46 (knippert 3x bij opstarten)

Pinout (Atom VoiceS3R onderste header)

G38  G39  3.3V  GND  5V  G5  G6  G7  G8

• G38 — Touch sensor input (active LOW, interne pullup ingeschakeld)
• G1 — Relais output (HIGH = aan, LOW = uit)
• G46 — Status LED (3x knipperen bij opstarten, daarna uit)

Aansluiting

Sensor GND  →  GND
Sensor OUT →  G38
Sensor VCC →  3.3V

Relais +  →  G1
Relais -  →  GND

Let op: De ESP32-S3 interne pullup is ~45kΩ. Bij lange draden of elektrische ruis een externe 4.7kΩ–10kΩ pullup naar 3.3V plaatsen.

Beveiliging

De relay is beveiligd tegen ongeautoriseerde toegang via HMAC-SHA256 authenticatie op applicatieniveau.

HMAC-SHA256 Authenticatie (application-level)

• Zowel de ESP firmware als de Android app delen een 32-byte shared secret (HMAC key), die via USB provisioning op beide apparaten terechtkomt
• Elk commando wordt ondertekend met HMAC-SHA256(key, command || sequence)
• De ESP verifieert de handtekening voordat het relais schakelt
• Een sequence counter voorkomt replay-aanvallen: elk packet moet een strikt oplopend volgnummer hebben

Packet formaat (37 bytes)

Offset  Grootte  Veld         Beschrijving
0       1 byte   command      0x01 = relais aan, 0x00 = relais uit
1       4 bytes  sequence     Big-endian uint32, strikt oplopend (start bij 1)
5       32 bytes hmac         HMAC-SHA256(key, command || sequence)

De sequence counter reset naar 0 bij elke (re)connectie op de ESP. De app start bij 1 om te zorgen dat het eerste packet altijd geaccepteerd wordt (1 > 0). Replay van een eerder packet wordt geweerd omdat seq <= lastSeq.

Key management

• De HMAC key wordt niet meegecompileerd — de ESP start zonder key en wordt geprovisioneerd via USB
• De key wordt opgeslagen in NVS (Non-Volatile Storage) op de ESP via de Arduino Preferences library (survives reboots en power-cycles)
• De app slaat de key op in SharedPreferences (overleeft app-herstarts)
• USB auto-provisioning: Sluit de ESP via USB-OTG aan op de telefoon. De app stuurt KEY?\n:
  • Als de ESP al een key heeft → ESP antwoordt HMAC_KEY:<hex> → app slaat op lokaal op
  • Als de ESP nog geen key heeft → ESP antwoordt NO_KEY → app genereert willekeurige 32-byte key via SecureRandom → stuurt SET_KEY:<hex>\n → ESP slaat op in NVS en antwoordt OK → app slaat op lokaal op
  • Beide paden tonen dezelfde toast: "Beveiligingssleutel gelezen"
• Zo kan dezelfde app gebruikt worden voor meerdere ESP modules — each met een eigen key

USB Serial Protocol

App → ESP:  KEY?\n
ESP → App:  HMAC_KEY:C3F17B...AF\n     (als key bekend)
ESP → App:  NO_KEY\n                    (als ESP nog geen key heeft)

App → ESP:  SET_KEY:C3F17B...AF\n       (nieuwe key schrijven)
ESP → App:  OK\n                        (bevestiging)

De ESP luistert in loop() voor USB serial data. Bij KEY?\n antwoordt hij met de hex key (HMAC_KEY:<hex>) of NO_KEY. Bij SET_KEY:<64-hex>\n slaat hij de key op in NVS en antwoordt OK.

Provisioning flow (auto)

  Android app                         ESP32 (USB CDC)
  ───────────                         ───────────────
  USB device attached ──────────►
  Request USB permission ◄────── Android dialog
  Open CDC-ACM connection
  Send KEY?\n ──────────────────► 
                                 ┌─ if key in NVS ──► HMAC_KEY:<hex>\n
                                 │                   App saves to prefs → toast
                                 │
                                 └─ if no key ──────► NO_KEY\n
  Generate 32 random bytes              │
  Send SET_KEY:<hex>\n ─────────► (store in NVS)
  ◄──────────────────────────── OK\n
  App saves to prefs → toast

Beveiligingsanalyse

Aanval	Hoe geweerd
Replay	Sequence counter — zelfde packet werkt niet 2x (seq <= lastSeq wordt geweerd)
Ongeautoriseerd device	HMAC vereist geheime sleutel (32-byte random via USB provisioning)
Commando vervalsing	HMAC dekt command byte + sequence — wijzigen maakt handtekening ongeldig
Brute-force key	32-byte key = 2^256 mogelijkheden — onhaalbaar
Sniffen	Pakketten zijn onversleuteld; geen confidentiality. Alleen commando's (aan/uit) zijn zichtbaar, niet de key.
Reverse engineering van key	Sleutel staat niet in de APK — wordt pas bij USB provisioning gegenereerd en in SharedPreferences opgeslagen. Extractie vereist fysieke toegang tot de telefoon én root.
Key extractie via USB	Fysieke USB-toegang tot de ESP geeft KEY?\n de huidige key terug. Bescherming: fysieke toegang tot het board beperken.
NVS wiping	pio run -t erase wist alle flash waaronder NVS — ESP is daarna leeg en kan opnieuw geprovisioneerd worden.

Waarom geen BLE-link encryptie?

BLE-link encryptie (bonding/Just Works) vereist complexe pairing flows die op Android sliding bugs veroorzaken (write queues, GATT_INSUFFICIENT_AUTHENTICATION handling, state leaks). HMAC biedt authenticatie en replay-bescherming op applicatieniveau — voldoende voor een relais. Het enige wat link-encryptie extra biedt is confidentiality (afluisteren), wat voor een aan/uit commando irrelevant is. De HMAC key wordt fysiek via USB uitgewisseld, nooit via BLE.

Firmware

De firmware is geschreven in C++ met behulp van PlatformIO en de Arduino-framework. BLE wordt verzorgd door de ESP32 BLE library, HMAC door mbedtls (ingebouwd in ESP-IDF).

Logica

Het relais gaat aan als één van beide bronnen actief is:

Bron	Voorwaarde	Resultaat
Touch sensor	G38 = LOW (aanraken)	Relais aan
BLE command	App stuurt HMAC-ondertekend 0x01	Relais aan
Geen van beide	G38 = HIGH + geen BLE command	Relais uit

De touch sensor en BLE werken onafhankelijk. Als de sensor losgelaten wordt en de BLE-knop niet ingedrukt is, gaat het relais uit.

BLE GATT

Eigenschap	UUID
Service	4fafc201-1fb5-459e-8fcc-c5c9c331914b
Characteristic	beb5483e-36e1-4688-b7f5-ea07361f26d8

De characteristic ondersteunt WRITE_NR (Write Without Response) en NOTIFY. Writes worden geaccepteerd zonder bonding — de HMAC-handtekening op applicatieniveau verzorgt de authenticatie. WRITE_NR zorgt voor minimale latency: de app kan direct na ON ook OFF sturen zonder te wachten op een ACK.

Key provisioning

De firmware wordt zonder HMAC key gecompileerd. Bij de eerste opstart print de ESP:

No HMAC key provisioned — connect USB and run SET_KEY

Sluit de ESP via USB aan op de telefoon met de app geïnstalleerd. De app genereert automatisch een willekeurige key en stuurt deze naar de ESP. Na provisioning print de ESP bij opstarten:

HMAC key loaded from NVS
HMAC Key: C3F17B...AF

Key wissen (factory reset): Om de ESP terug te zetten naar ongeprovisioneerd:

pio run -t erase

Dit wist alle flash inclusief NVS. Na opnieuw flashen start de ESP weer zonder key.

Serial monitor

Baudrate: 115200 (USB CDC). De firmware stuurt heartbeat-statussen elke 5 seconden, logt statuswijzigingen, en print de HMAC key (of de afwezigheid ervan) bij opstarten.

Met geprovisioneerde key:

=== Atom VoiceS3R BLE Relay ===
HMAC key loaded from NVS
LED blink done, starting BLE...
BLE: advertising started as 'AtomS3R-Relay'
HMAC Key: C3F17B612B93E82C56B055FA9B04E84664ACE1EC4E889F2763F271B65A5B54AF
Setup done.
[heartbeat] relay=OFF touch=no ble=disconnected
BLE: device connected
Relay ON (touch=YES, ble=connected)
BLE: relay ON (seq=1)
BLE: relay OFF (seq=2)

Zonder key (nieuwe/gewiste ESP):

=== Atom VoiceS3R BLE Relay ===
No HMAC key provisioned — connect USB and run SET_KEY
LED blink done, starting BLE...
BLE: advertising started as 'AtomS3R-Relay'
No HMAC key — use USB SET_KEY to provision
Setup done.

In deze staat accepteert de ESP wel BLE-verbindingen, maar elk HMAC-packet faalt verificatie omdat er geen key is om mee te vergelijken.

Uploaden

Download-mode: Houd de reset-knop ~2 seconden ingedrukt tot de groene LED aangaat, laat dan los. Het board is nu in download-mode.

# Flash firmware (behoudt NVS/key)
pio run --target upload

# Volledig wissen (incl. NVS/key) + opnieuw flashen
pio run -t erase && pio run -t upload

Na het uploaden treedt er een harde reset op. Als het board in download-mode blijft, USB eruit/erin of kort op reset tikken om in run-mode te komen.

Firmware flashen via de app

De firmware kan ook rechtstreeks via de Android-app worden geflashed, zonder computer:

1. Zet de ESP in download-modus (houd reset ~2s in tot groene LED)
2. Sluit de ESP via USB-OTG aan op de telefoon
3. Open de app → Instellingen → Firmware Flashen
4. De app flasht bootloader, partitions, en firmware via USB
5. Dialog verdwijnt automatisch wanneer de USB wordt losgekoppeld
6. Sluit de ESP opnieuw aan → Sleutel Uitwisselen

De firmware binaries worden via tools/copy_firmware.sh naar de app assets gekopieerd.

Android App

Features

• Auto-connect: De app scant automatisch bij opstarten naar het BLE-apparaat "AtomS3R-Relay"
• Auto-reconnect: Bij wegvallen van de verbinding wordt na 2 seconden opnieuw gescant
• Hold-to-activate: Houd de knop ingedrukt voor relais aan, loslaten voor relais uit (zelfde gedrag als de sensor)
• Write Without Response: Gebruikt WRITE_TYPE_NO_RESPONSE voor minimale latency — ON en OFF kunnen direct achter elkaar worden verstuurd zonder ACK-wachttijd
• MTU negotiatie: Vraagt MTU 256 aan na service discovery (voor 37-byte HMAC packets)
• HMAC authenticatie: Elk commando wordt ondertekend met HMAC-SHA256 + sequence counter
• USB auto-provisioning: Bij aansluiten van de ESP via USB-OTG leest de app de bestaande key uit, of genereert een nieuwe key als de ESP er nog geen heeft. Beide scenario's tonen de toast "Beveiligingssleutel gelezen"
• Firmware flashen via app: De app kan de ESP32 firmware rechtstreeks via USB flashen (download-modus), geen computer nodig
• Instellingenscherm: Losse Activity voor sleutel uitwisseling, firmware flashen, en buildnummer weergave
• Permissies: Vraagt BLUETOOTH_SCAN, BLUETOOTH_CONNECT en ACCESS_FINE_LOCATION aan (Android 12+)

Instellingenscherm

1. Open de app
2. Tik op het tandwiel-icoon rechtsboven
3. De app toont twee acties: Sleutel Uitwisselen en Firmware Flashen
4. Sleutel Uitwisselen: Sluit de ESP via USB-OTG aan. De app leest de key uit (als de ESP er al een heeft) of genereert een nieuwe key en provisioneert de ESP. Toast: "Beveiligingssleutel gelezen"
5. Firmware Flashen: Zet de ESP in download-modus (houd reset 2s in tot groene LED). Sluit aan via USB. De app flasht de firmware. Dialog verdwijnt automatisch bij loskoppelen USB.
6. Onderaan staat het Buildnummer (timestamp van de build)

De key wordt opgeslagen in SharedPreferences en overleeft app-herstarts. Bij geen key toont de hoofdapp "Geen HMAC sleutel - open Instellingen" en wordt er niet gescant.

Hoofdscherm UI

• Tandwiel-icoon rechtsboven → opent instellingenscherm
• HOLD-knop centrum → houd ingedrukt voor relais aan
• Status tekst linksonder (14sp) → toont verbindingsstatus

Bouwen

Vereisten:

• Android SDK (API 34+)
• Java 17+ (Java 26 werkt niet met Gradle — gebruik Java 21)
• Gradle 8.14 (via wrapper)
• USB host support (raw Android USB API, geen externe serial library)
• PlatformIO (voor firmware compilatie)

# Firmware compileren en naar app assets kopiëren
pio run
bash tools/copy_firmware.sh

# App bouwen en installeren
cd android
JAVA_HOME=/pad/naar/jdk21 ./gradlew installDebug

De APK staat na build in android/app/build/outputs/apk/debug/app-debug.apk.

Installeren

adb install -r android/app/build/outputs/apk/debug/app-debug.apk

Of via draadloze foutopsporing:

adb connect <ip>:<poort>
adb install -r android/app/build/outputs/apk/debug/app-debug.apk

Eerste keer setup

1. Firmware compileren:

   pio run
   bash tools/copy_firmware.sh
   

2. App op de telefoon installeren:

   cd android
   JAVA_HOME=/pad/naar/jdk21 ./gradlew installDebug
   

3. Firmware flashen (kies één):

   Optie A — Via de app (aanbevolen, geen computer nodig na eerste installatie):

   • Zet de ESP in download-modus (houd reset ~2s in tot groene LED)
   • Sluit de ESP via USB-OTG aan op de telefoon
   • Open de app → Instellingen → Firmware Flashen
   • Dialog verdwijnt automatisch bij loskoppelen USB

   Optie B — Via computer:

   pio run -t upload
   

4. Sleutel uitwisselen:

   • Sluit de ESP via USB-OTG aan op de telefoon (niet in download-modus)
   • Open de app → Instellingen → Sleutel Uitwisselen
   • De app leest de bestaande key uit of genereert een nieuwe
   • Toast: "Beveiligingssleutel gelezen"

5. Gebruiken: De app scant automatisch, verbindt, en toont "Connected". Houd de HOLD-knop ingedrukt om het relais te schakelen.

Nieuwe ESP, bestaande telefoon

• Sluit de nieuwe ESP via USB aan → app genereert nieuwe key (overschrijft vorige)
• Flash eerst de firmware (download-modus → Firmware Flashen), daarna sleutel uitwisselen

Bestaande ESP, nieuwe telefoon

• Sluit de ESP via USB-OTG aan op de nieuwe telefoon
• De app leest de bestaande key uit de ESP en slaat lokaal op
• Toast: "Beveiligingssleutel gelezen"

Projectstructuur

sylvia-touch-relay/
├── platformio.ini              # PlatformIO configuratie (ESP32-S3)
├── src/
│   └── main.cpp                # Firmware (BLE + HMAC + NVS + USB serial + sensor + relais)
├── tools/
│   └── copy_firmware.sh        # Kopieert firmware binaries naar app assets
├── android/
│   ├── build.gradle             # Root Gradle config
│   ├── settings.gradle          # Gradle settings
│   ├── gradle.properties
│   ├── gradlew                  # Gradle wrapper
│   ├── gradle/wrapper/
│   │   └── gradle-wrapper.properties
│   └── app/
│       ├── build.gradle         # App module config (esp32-flash-lib, minSdk 26)
│       └── src/main/
│           ├── AndroidManifest.xml
│           ├── assets/firmware/      # GeCompileerde firmware binaries
│           │   ├── bootloader.bin
│           │   ├── partitions.bin
│           │   ├── firmware.bin
│           │   └── boot_app0.bin
│           ├── java/com/eddy/atomrelay/
│           │   ├── MainActivity.kt        # BLE client + HMAC signing
│           │   ├── SettingsActivity.kt    # Key exchange + firmware flash UI
│           │   ├── EspFlasher.kt          # ESP32 firmware flasher via USB
│           │   ├── UsbSerialTransport.kt  # USB serial transport voor flasher
│           │   ├── UsbUtils.kt            # Gedeelde USB utility functions
│           │   └── BuildConfig            # Buildnummer (timestamp)
│           └── res/
│               ├── drawable/
│               │   ├── ic_eye_open.xml        # Oog open icoon
│               │   ├── ic_eye_closed.xml      # Oog dicht icoon
│               │   └── ic_settings.xml        # Tandwiel icoon
│               ├── layout/
│               │   ├── activity_main.xml        # Hoofd UI (FrameLayout)
│               │   └── activity_settings.xml    # Key exchange + flash UI
│               └── values/strings.xml
├── .gitignore
└── README.md

Technische notities

• De Atom VoiceS3R gebruikt de ES8311 audio codec op G45/G0/G48/G4/G3/G17/G11, IR TX op G47, en de knop op G41. Deze pinnen zijn niet beschikbaar voor eigen gebruik.
• G1 en G2 zitten op de HY2.0-4P Grove poort. G5-G8, G38, G39 zitten op de onderste expantie-header.
• De firmware gebruikt geen M5Unified library — alleen Arduino core + ESP32 BLE + mbedtls. Dit maakt de serial output betrouwbaarder via USB CDC.
• ARDUINO_USB_CDC_ON_BOOT=1 is ingeschakeld voor virtuele serial via USB.
• De HMAC key wordt opgeslagen in NVS (Non-Volatile Storage) via de Arduino Preferences library. De key wordt niet meegecompileerd maar via USB provisioning door de Android app op de ESP gezet. Sleuteloverdracht werkt in beide richtingen: de app kan een key naar de ESP schrijven (nieuwe ESP) of een bestaande key uitlezen (bestaande ESP op nieuwe telefoon).
• De app gebruikt WRITE_TYPE_NO_RESPONSE (Write Without Response) voor minimale latency. De ESP characteristic heeft PROPERTY_WRITE_NR zodat writes zonder ACK worden geaccepteerd. Dit maakt directe ON/OFF sequenties mogelijk zonder write queue.
• De sequence counter start bij 1 (niet 0) om te voorkomen dat het eerste packet na connectie als replay wordt geweerd (0 <= 0 is true in de seq <= lastSeq check).
• Voor meerdere ESP modules met verschillende keys: sluit elke ESP één voor één aan op de telefoon. De app genereert per ESP een eigen key en slaat deze op. De app ondersteunt momenteel slechts één key tegelijk (opgeslagen in SharedPreferences). Bij wisselen van ESP: wis app data of sluit de nieuwe ESP aan (overschrijft vorige key).
• De app gebruikt raw Android USB API (UsbDeviceConnection.bulkTransfer) in plaats van een externe serial library. Dit vermijdt compatibiliteitsproblemen met de ESP32-S3 USB-JTAG/serial controller die geen CDC get_status requests ondersteunt.
• CDC control interface setup: line coding (115200 8N1) via SET_LINE_CODING request + DTR/RTS via SET_CONTROL_LINE_STATE. Dit activeert de data-flow op de ESP32-S3 CDC-ACM interface voordat commando's worden gestuurd.
• Het buildnummer wordt via BuildConfig.BUILD_NUMBER in build.gradle gegenereerd als timestamp (yyyyMMddHHmmss). Elke build produceert een uniek buildnummer dat onderaan het instellingenscherm staat.
• minSdk is 26 (Android 8.0). Android 7 en lager worden niet ondersteund.