Technologie Bluetooth způsobila díky svým všudypřítomným a jednoduchým vlastnostem revoluci v bezdrátové komunikaci mezi zařízeními. Umožňuje zařízením komunikovat bez kabelů při zachování vysoké úrovně zabezpečení. Díky nízké spotřebě a nízkým nákladům sehrála technologie Bluetooth klíčovou roli ve vývoji aplikací od vysokorychlostních automobilových zařízení až po složité lékařské přístroje.
Snadnost a celosvětové přijetí technologie Bluetooth znamená, že každé zařízení s technologií Bluetooth se může spojit s jinými zařízeními umístěnými v těsné blízkosti prostřednictvím procesu známého jako párování. Párování umožňuje zařízením navázat plně duplexní komunikaci přenosem dat a hlasu prostřednictvím ad hoc sítí krátkého dosahu známých jako pikonety, které mohou propojit až osm zařízení. Jedno zařízení slouží jako hlavní zařízení, zatímco ostatní zařízení v síti/pikonetu jsou podřízená zařízení. Hlavní zařízení funguje jako rozbočovač a podřízená zařízení komunikují prostřednictvím hlavního zařízení, aby mohla komunikovat mezi sebou. Další důležitou vlastností technologie Bluetooth je využití přeskakování frekvencí pro snížení vlivu rušení.
Plně duplexní funkce technologie Bluetooth poskytují uživatelům inovativní funkce, jako je například propojení telefonu s hudebním reproduktorem Bluetooth, přijímání hovorů během jízdy autem, propojení dvou notebooků pro sdílení souborů a propojení herní konzole s herním ovladačem podporujícím technologii Bluetooth, abychom jmenovali alespoň několik případů použití.
Bluetooth Low Energy
Bluetooth Low Energy je inteligentní, energeticky úsporná verze bezdrátové technologie Bluetooth. Již nyní hraje významnou roli při přeměně chytrých přístrojů na chytřejší přístroje, protože je činí kompaktními, cenově dostupnými a méně složitými.
Bluetooth Low Energy, uváděný na trh také jako Bluetooth Smart, začal být součástí základní specifikace Bluetooth 4.0 Core Specification. Původně byla navržena společností Nokia jako Wibree, než ji přijala skupina Bluetooth Special Interest Group (SIG), a jejím původním cílem bylo poskytnout rádiový standard s co nejnižší spotřebou energie, speciálně optimalizovaný pro nízké náklady, malou šířku pásma, nízkou spotřebu a nízkou složitost.
Tyto návrhové cíle jsou patrné ze základní specifikace, která se snaží učinit z BLE skutečný standard s nízkou spotřebou energie, navržený tak, aby jej výrobci polovodičů mohli skutečně implementovat a používat v reálných aplikacích s nízkou spotřebou energie a minimálním rozpočtem. Jedná se již o široce rozšířenou technologii, která si může reálně činit nárok na delší provoz na jeden mincovní článek.
Přestože je BLE sama o sobě vynikající technologií, její fenomenální míra rozšíření je dána tím, že se jedná o správnou technologii se správnými kompromisy ve správný čas. Na to, že se jedná o relativně mladý standard, počet návrhů produktů, které již BLE obsahují, jej staví daleko před ostatní bezdrátové technologie ve stejné fázi jejich vydávacího cyklu.
Problémy, kterým čelilo klasické Bluetooth, spočívaly v rychlém vybíjení baterie a časté ztrátě spojení, což vyžadovalo časté párování a opětovné párování. Schopnost úspěšně je řešit je jedním z důvodů rychlého růstu BLE. Další hnací silou přijetí je fenomenální růst chytrých telefonů, tabletů a mobilních počítačů. Včasné a aktivní přijetí BLE těžkými hráči mobilního průmyslu otevřelo dveře pro širší implementaci BLE. To zase přimělo výrobce polovodičů, aby věnovali své omezené zdroje technologii, u které cítili největší šanci na dlouhodobý rozkvět.
Zatímco trh s mobilními telefony a tablety je stále vyspělejší, potřeba propojení mezi vnějším světem a těmito zařízeními má obrovský růstový potenciál. Nabízí dodavatelům periferií jedinečnou příležitost vyvinout inovativní zařízení, která by řešila problémy, jež si dnes spotřebitelé možná ani neuvědomují. Kolem BLE se tak sbíhá mnoho výhod, což vytváří příležitost pro malé a hbité návrháře produktů získat přístup na potenciálně obrovský trh s kreativními a inovativními produkty pro konkrétní úkoly s relativně skromným rozpočtem na návrh. BLE také umožňuje těmto vývojářům navrhovat dnes životaschopné produkty, které mohou komunikovat s jakoukoli moderní mobilní platformou pomocí snadno dostupných čipů, nástrojů a standardů.
Funkce
1. Nejnižší spotřeba energie
Vše od fyzického návrhu až po modely použití je navrženo tak, aby spotřeba energie byla minimální. Pro snížení spotřeby energie je zařízení BLE po většinu času udržováno v režimu spánku. Když dojde k události, zařízení se probudí a krátká zpráva je přenesena do brány, počítače nebo chytrého telefonu. Maximální/špičková spotřeba energie je menší než 15 mA a průměrná spotřeba energie je přibližně 1 μA. Aktivní spotřeba energie je snížena na desetinu spotřeby energie klasického Bluetooth. V aplikacích s nízkým pracovním cyklem by knoflíková baterie mohla zajistit 5 až 10 let spolehlivého provozu.
2. Cenově výhodná a kompatibilní
Aby bylo možné nabídnout kompatibilitu s klasickou technologií Bluetooth a cenovou výhodnost pro malá zařízení napájená z baterií, existují dva typy čipových sad:
- Dual-mode technologie s funkcemi BLE i klasického Bluetooth
- Samostatná technologie BLE optimalizovaná pro malá zařízení napájená z baterií, u nichž je kladen důraz na nízké náklady a nízkou spotřebu energie
3. Kompatibilita s klasickou technologií Bluetooth. Robustnost, bezpečnost a spolehlivost
Technologie BLE využívá stejnou technologii adaptivního přeskakování frekvence (AFH) jako klasická technologie Bluetooth. Díky tomu dosahuje BLE robustního přenosu v „rušném“ rádiovém prostředí, které se vyskytuje v domácnostech, průmyslových a lékařských aplikacích. Aby se minimalizovaly náklady a spotřeba energie při použití AFH, snížil se počet kanálů technologie BLE na 40 kanálů o šířce 2 MHz namísto 79 kanálů o šířce 1 MHz používaných u klasické technologie Bluetooth.
4. Bezdrátová koexistence
Technologie Bluetooth, bezdrátová síť LAN, IEEE 802.15.4/ZigBee a několik proprietárních rádií využívají bezlicenční pásmo 2,4 GHz pro průmyslové a vědecké lékařství (ISM). Vzhledem k tomu, že tolik technologií sdílí stejný rádiový prostor, může rušení snižovat výkon bezdrátové sítě (tj. zvyšovat latenci a snižovat propustnost) kvůli nutnosti opravy chyb a opětovného vysílání. V náročných aplikacích lze rušení omezit pomocí frekvenčního plánování a speciální konstrukce antén. Vzhledem k tomu, že klasická technologie Bluetooth i technologie BLE využívají technologii AFH, která minimalizuje rušení s jinými rádiovými technologiemi, je přenos Bluetooth robustní a spolehlivý.
5. Rozsah připojení
Technologie BLE má poněkud odlišnou modulaci než klasická technologie Bluetooth. Tato modulační odlišnost nabízí dosah až 300 metrů s rádiovým čipem o výkonu 10 dBm (maximálně BLE).
6. Snadné použití a integrace
Pikonet BLE je obvykle založen na nadřazeném zařízení připojeném k několika podřízeným zařízením. Zařízení je buď master, nebo slave, ale nikdy ne obojí. Master řídí, jak často mohou slave komunikovat, a slave komunikuje pouze na vyžádání od masteru. Novou funkcí, kterou BLE přidává oproti klasické technologii Bluetooth, je „reklamní“ funkce. Díky této funkci může zařízení, které funguje jako slave, oznámit, že má něco k přenosu do masteru. Reklamní zpráva může obsahovat také událost nebo naměřenou hodnotu.
Technické údaje
- Přenosy dat – BLE podporuje velmi krátké datové pakety (minimálně 8 oktetů až maximálně 27 oktetů), které se přenášejí rychlostí 1 Mb/s. V případě, že se přenášejí rychlostí 1 Mb/s, je možné je přenášet rychlostí 2 Mb/s. Všechna spojení využívají pokročilé hodnocení sniff-sub k dosažení velmi nízkých pracovních cyklů, aby se spotřeba energie snížila na minimum.
- Frekvenční přeskakování – BLE využívá AFH společné pro všechny verze technologie Bluetooth, aby se minimalizovalo rušení od jiných technologií v pásmu ISM 2,4 GHz. Efektivní vícecestné výhody zvyšují rozpočty spojení a efektivní provozní dosah a také optimalizují spotřebu energie.
- Host control – BLE vkládá značné množství inteligence do řídicí jednotky. To umožňuje hostiteli spát po delší dobu a být probuzen řadičem pouze tehdy, když hostitel potřebuje provést nějakou akci. To umožňuje největší úspory proudu, protože procesor hostitele obvykle spotřebovává více energie než řadič BLE.
- Latence – BLE může podporovat nastavení spojení a přenos dat již za 3 ms. To umožňuje aplikaci navázat spojení a přenést ověřená data během několika milisekund pro krátkou komunikační dávku před rychlým přerušením spojení.
- Dosah – Zvýšený modulační index umožňuje maximální dosah BLE přes 100 metrů.
- Robustnost – BLE používá silný 24bitový CRC na všech paketech, aby byla zajištěna maximální odolnost proti rušení.
- Silné zabezpečení – Plné šifrování AES-128 pomocí CCM zajišťuje silné šifrování a ověřování datových paketů, takže komunikace je bezpečná.
- Topologie – BLE používá 32bitovou přístupovou adresu na každém paketu pro každý slave, což umožňuje připojení miliard zařízení. Technologie je optimalizována pro spojení typu one-to-one a zároveň umožňuje spojení typu one-to-many pomocí hvězdicové topologie.
Aplikace
Díky všudypřítomnému nasazení v přenosných zařízeních umožňuje BLE zcela nové aplikace ve všech odvětvích. Vezměte si například různé způsoby využití BLE na veletrhu ke zvýšení efektivity investic společnosti do setkání s novými zákazníky:
1. Gamifikace – BLE lze využít k povzbuzení účastníků k prozkoumání méně oblíbených oblastí veletržního stánku tím, že jim nabídnete speciální odměny za objevení strategicky umístěných majáků v těchto oblastech.
2. Sponzoring – Využijte majáky k získání dalších příjmů tím, že budete účastníkům zasílat oznámení, která je vyzvou, aby si prohlédli nejbližší stánek, když projdou kolem určité zóny v místě konání veletrhu. Může se jednat o prémiovou službu nabízenou sponzorům.
3. Mapování horkých míst – Díky přístupu ke statistikám v reálném čase mohou majáky rozpoznat horká místa a posílat manažerům akce upozornění na místa, která jsou přeplněná a náchylnější k narušení bezpečnosti.
4. Dodávání obsahu – Účastníci se mohou vyhnout dlouhému čekání na kopii prezentace prostřednictvím e-mailu. Majáky BLE mohou rozpoznat účastníky na zasedání a automaticky doručit prezentace, e-knihy a další doprovodné materiály během zasedání nebo bezprostředně po něm.
5. Automatické odbavení – Organizátoři akcí mohou snadno shromažďovat informace o počtu účastníků akce nebo veletrhu a zobrazovat jejich profily v reálném čase nastavením majáků simulujících odbavení u vstupu do místa konání konference. To nevyžaduje žádnou manuální interakci ze strany uživatelů. Pokud si uživatel stáhne aplikaci a povolí Bluetooth na svém mobilním zařízení, aplikace automaticky provede check-in, jakmile uživatel vstoupí do místa konání akce.
Pro vývoj BLE je již k dispozici vyspělý ekosystém. Vývojáři mají přístup k široké škále čipů a modulů, které mohou urychlit vývoj hardwaru i softwaru zařízení s podporou BLE. Například společnost Cypress nabízí svůj procesor PSoC 4 BLE založený na jádře ARM Cortex-M0, který integruje analogové přední části, digitální logiku, CapSense a rádio Bluetooth LE pro jednočipový přístup k BLE. Pro výrobce OEM, kteří dávají přednost plně integrovanému modulu, je určen modul Cypress EZ-BLE PRoC, certifikovaný a programovatelný modul BLE o rozměrech 10 × 10 × 1,8 mm, navržený pro snadné použití a zkrácení doby uvedení na trh a postavený na čipu PRoC BLE společnosti Cypress.
For more details on how to design with BLE see:
- Getting Started with PSoC 4 BLE
- Getting Started with PRoC BLE
- Maximizing BLE security & privacy features
- IoT connectivity: Wi-Fi and Bluetooth are winning
- Bluetooth 5 variations complicate PHY testing
- Bluetooth 5: More speeds, more range, new RF tests
- Bluetooth Smart update brings major changes
- Implementing Bluetooth Smart modules in industrial IoT applications
- IoT module promises WiFi-LoRa-BLE triple play
- Wearable computing meets Bluetooth Smart