Die Bluetooth-Technologie hat mit ihren allgegenwärtigen und einfachen Eigenschaften die drahtlose Kommunikation zwischen Geräten revolutioniert. Sie ermöglicht es Geräten, ohne Kabel zu kommunizieren und gleichzeitig ein hohes Maß an Sicherheit zu gewährleisten. Aufgrund des geringen Stromverbrauchs und der niedrigen Kosten hat Bluetooth eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Anwendungen gespielt, die von Hochgeschwindigkeits-Automobilgeräten bis zu komplexen medizinischen Geräten reichen.
Die Einfachheit und die weltweite Akzeptanz der Bluetooth-Technologie bedeutet, dass jedes Bluetooth-fähige Gerät mit anderen Geräten, die sich in unmittelbarer Nähe befinden, durch einen als Pairing bezeichneten Prozess verbunden werden kann. Durch das Pairing können die Geräte eine Vollduplex-Kommunikation aufbauen, indem sie Daten und Sprache über Ad-hoc-Netze mit kurzer Reichweite, so genannte Piconets, übertragen, die bis zu acht Geräte miteinander verbinden können. Ein Gerät dient als Master-Gerät, während die übrigen Geräte innerhalb des Netzes/Piconets Slave-Geräte sind. Das Master-Gerät fungiert als Hub, und die Slave-Geräte kommunizieren über das Master-Gerät, um miteinander zu kommunizieren.
Die Vollduplex-Fähigkeiten der Bluetooth-Technologie bieten den Nutzern innovative Funktionen wie die Verbindung eines Telefons mit einem Bluetooth-Musiklautsprecher, die Entgegennahme von Anrufen während der Autofahrt, die Verbindung zweier Laptops zur gemeinsamen Nutzung von Dateien und die Verbindung einer Spielkonsole mit einem Bluetooth-fähigen Spiele-Controller, um nur einige Anwendungsfälle zu nennen.
Bluetooth Low Energy
Bluetooth Low Energy ist die intelligente, stromsparende Version der Bluetooth-Funktechnologie. Sie spielt bereits eine wichtige Rolle bei der Umwandlung von intelligenten Geräten in intelligentere Geräte, indem sie diese kompakt, erschwinglich und weniger komplex macht.
Bluetooth Low Energy, auch als Bluetooth Smart vermarktet, begann als Teil der Bluetooth 4.0 Core Spezifikation. Ursprünglich von Nokia unter dem Namen Wibree entwickelt, bevor es von der Bluetooth Special Interest Group (SIG) übernommen wurde, lag der Fokus zunächst darauf, einen Funkstandard mit möglichst geringem Stromverbrauch zu schaffen, der speziell für niedrige Kosten, geringe Bandbreite, geringen Stromverbrauch und geringe Komplexität optimiert ist.
Diese Designziele werden in der Kernspezifikation deutlich, die versucht, BLE zu einem echten Low-Power-Standard zu machen, der von Halbleiterherstellern implementiert und in realen Anwendungen mit geringem Energiebedarf und minimalem Budget eingesetzt werden kann. Es handelt sich bereits um eine weit verbreitete Technologie, die realistischerweise den Anspruch erhebt, über einen längeren Zeitraum mit einer einzigen Knopfzelle betrieben werden zu können.
Während BLE für sich genommen eine überlegene Technologie ist, liegt der Grund für die phänomenale Verbreitung darin, dass es sich um die richtige Technologie mit den richtigen Kompromissen zur richtigen Zeit handelt. Dafür, dass es sich um einen relativ jungen Standard handelt, liegt BLE mit der Anzahl der Produktdesigns, die es bereits enthalten, weit vor anderen drahtlosen Technologien, die sich zum gleichen Zeitpunkt in ihrem Veröffentlichungszyklus befinden.
Die Herausforderungen, mit denen das klassische Bluetooth zu kämpfen hatte, waren die schnelle Entleerung der Batterie und der häufige Verbindungsverlust, der häufiges Pairing und erneutes Pairing erforderte. Die erfolgreiche Bewältigung dieser Probleme ist einer der Gründe für das schnelle Wachstum von BLE. Das phänomenale Wachstum bei Smartphones, Tablets und mobilen Computern treibt die Verbreitung weiter voran. Die frühe und aktive Einführung von BLE durch die Schwergewichte der Mobilfunkindustrie hat die Türen für eine breitere Implementierung von BLE geöffnet. Dies wiederum hat die Halbleiterhersteller dazu veranlasst, ihre begrenzten Ressourcen in die Technologie zu investieren, von der sie glaubten, dass sie sich langfristig am besten entwickeln würde.
Während die Märkte für Mobiltelefone und Tablets immer reifer werden, hat der Bedarf an Konnektivität zwischen der Außenwelt und diesen Geräten ein enormes Wachstumspotenzial. Es bietet Peripheriegeräteherstellern die einmalige Gelegenheit, innovative Geräte zu entwickeln, die Probleme lösen, von denen die Verbraucher heute vielleicht noch gar nicht wissen, dass sie sie haben. Die vielen Vorteile, die BLE mit sich bringt, eröffnen kleinen und wendigen Produktentwicklern die Möglichkeit, mit aufgabenspezifischen, kreativen und innovativen Produkten und einem relativ bescheidenen Designbudget einen potenziell riesigen Markt zu erschließen. BLE ermöglicht es diesen Entwicklern außerdem, schon heute praktikable Produkte zu entwerfen, die mit jeder modernen mobilen Plattform kommunizieren können, wobei Chips, Tools und Standards verwendet werden, die leicht zugänglich sind.
Merkmale
1. Niedrigster Stromverbrauch
Alles, vom physischen Design bis hin zu den Nutzungsmodellen, ist darauf ausgelegt, den Stromverbrauch so gering wie möglich zu halten. Um den Stromverbrauch zu senken, befindet sich ein BLE-Gerät die meiste Zeit im Schlafmodus. Wenn ein Ereignis eintritt, erwacht das Gerät und überträgt eine kurze Nachricht an ein Gateway, einen PC oder ein Smartphone. Der Höchst-/Spitzenstromverbrauch liegt unter 15 mA und der durchschnittliche Stromverbrauch bei etwa 1 μA. Der aktive Stromverbrauch ist auf ein Zehntel des Energieverbrauchs von klassischem Bluetooth reduziert. Bei Anwendungen mit geringer Einschaltdauer kann eine Knopfzellenbatterie einen zuverlässigen Betrieb von 5-10 Jahren gewährleisten.
2. Kosteneffizient und kompatibel
Um Kompatibilität mit der klassischen Bluetooth-Technologie und Kosteneffizienz für kleine batteriebetriebene Geräte zu bieten, gibt es zwei Chipsatztypen:
- Dual-Mode-Technologie mit sowohl BLE- als auch klassischer Bluetooth-Funktionalität
- Stand-alone BLE-Technologie, die für kleine batteriebetriebene Geräte optimiert ist, bei denen niedrige Kosten und geringer Stromverbrauch im Vordergrund stehen
3. Robustheit, Sicherheit und Zuverlässigkeit
Die BLE-Technologie verwendet die gleiche adaptive Frequenzsprungtechnik (AFH) wie die klassische Bluetooth-Technologie. Dies ermöglicht BLE eine robuste Übertragung in den „verrauschten“ RF-Umgebungen, die in Haushalten, Industrie und medizinischen Anwendungen zu finden sind. Um die Kosten und den Energieverbrauch bei der Verwendung von AFH zu minimieren, hat die BLE-Technologie die Anzahl der Kanäle auf 40 2-MHz-breite Kanäle anstelle der 79 1-MHz-breiten Kanäle reduziert, die bei der klassischen Bluetooth-Technologie verwendet werden.
4. Drahtlose Koexistenz
Bluetooth-Technologie, Wireless LAN, IEEE 802.15.4/ZigBee und verschiedene proprietäre Funkgeräte nutzen das lizenzfreie 2,4-GHz-ISM-Band (Industrial Scientific Medical). Da sich so viele Technologien denselben Funkraum teilen, können Interferenzen die drahtlose Leistung beeinträchtigen (d. h. die Latenzzeit erhöhen und den Durchsatz verringern), da eine Fehlerkorrektur und erneute Übertragung erforderlich sind. Bei anspruchsvollen Anwendungen können Interferenzen durch Frequenzplanung und spezielles Antennendesign reduziert werden. Da sowohl die klassische Bluetooth-Technologie als auch die BLE-Technologie AFH verwenden, was die Interferenzen mit anderen Funktechnologien minimiert, ist die Bluetooth-Übertragung robust und zuverlässig.
5. Verbindungsreichweite
Die BLE-Technologie hat eine etwas andere Modulation als die klassische Bluetooth-Technologie. Diese Modulationsdifferenzierung bietet eine Reichweite von bis zu 300 Metern mit einem 10 dBm-Funkchipsatz (BLE-Maximum).
6. Benutzerfreundlichkeit und Integration
Ein BLE-Piconet basiert typischerweise auf einem Master, der mit einer Reihe von Slaves verbunden ist. Ein Gerät ist entweder ein Master oder ein Slave, aber nie beides. Der Master kontrolliert, wie oft die Slaves kommunizieren dürfen, und der Slave kommuniziert nur auf Anfrage des Masters. Eine neue Funktion, die BLE im Vergleich zur klassischen Bluetooth-Technologie bietet, ist die „Werbefunktion“. Mit dieser Funktion kann ein Gerät, das als Slave fungiert, ankündigen, dass es etwas an den Master zu senden hat. Eine Ankündigungsnachricht kann auch ein Ereignis oder einen Messwert enthalten.
Technische Details
- Datenübertragungen – BLE unterstützt sehr kurze Datenpakete (mindestens 8 Oktett bis maximal 27 Oktett), die mit 1 Mbps übertragen werden. Alle Verbindungen nutzen die fortschrittliche Sniff-Sub-Bewertung, um extrem niedrige Arbeitszyklen zu erreichen und den Energieverbrauch auf ein Minimum zu reduzieren.
- Frequenzsprungverfahren – BLE nutzt das AFH-Verfahren, das allen Versionen der Bluetooth-Technologie gemeinsam ist, um Störungen durch andere Technologien im 2,4-GHz-ISM-Band zu minimieren. Effiziente Mehrwegvorteile erhöhen die Verbindungsbudgets und die effektive Betriebsreichweite und optimieren den Energieverbrauch.
- Host-Steuerung – BLE legt einen erheblichen Teil der Intelligenz in den Controller. Dadurch kann der Host längere Zeit schlafen und wird nur dann vom Controller aufgeweckt, wenn der Host eine Aktion durchführen muss. Dies ermöglicht die größten Stromeinsparungen, da der Host-Prozessor in der Regel mehr Strom verbraucht als der BLE-Controller.
- Latenzzeit – BLE kann den Verbindungsaufbau und die Datenübertragung in nur 3 ms unterstützen. Dadurch kann eine Anwendung eine Verbindung aufbauen und authentifizierte Daten in nur wenigen Millisekunden für einen kurzen Kommunikationsburst übertragen, bevor die Verbindung schnell wieder abgebaut wird.
- Reichweite – Ein erhöhter Modulationsindex ermöglicht eine maximale Reichweite für BLE von über 100 Metern.
- Robustheit – BLE verwendet einen starken 24-Bit-CRC für alle Pakete, um maximale Robustheit gegen Störungen zu gewährleisten.
- Starke Sicherheit – Vollständige AES-128-Verschlüsselung mit CCM bietet starke Verschlüsselung und Authentifizierung von Datenpaketen, so dass die Kommunikation sicher ist.
- Topologie – BLE verwendet eine 32-Bit-Zugangsadresse in jedem Paket für jeden Slave, so dass Milliarden von Geräten verbunden werden können. Die Technologie ist für Eins-zu-Eins-Verbindungen optimiert und ermöglicht gleichzeitig Eins-zu-Viel-Verbindungen in einer Sterntopologie.
Anwendungen
Durch den allgegenwärtigen Einsatz in tragbaren Geräten ermöglicht BLE völlig neue Anwendungen in allen Branchen. Betrachten Sie zum Beispiel die verschiedenen Möglichkeiten, wie BLE auf einer Messe eingesetzt werden kann, um die Effektivität der Investitionen eines Unternehmens in die Begegnung mit neuen Kunden zu erhöhen:
1. Gamification – BLE kann verwendet werden, um Besucher zu ermutigen, weniger beliebte Bereiche eines Messestandes zu erkunden, indem ihnen besondere Belohnungen angeboten werden, wenn sie strategisch platzierte Beacons in diesen Bereichen entdecken.
2. Sponsoring – Nutzen Sie Beacons für zusätzliche Einnahmen, indem Sie Benachrichtigungen pushen, die die Besucher auffordern, den nächstgelegenen Stand zu besuchen, wenn sie an einem bestimmten Bereich des Messestandes vorbeikommen. Dies kann ein Premium-Service sein, der Sponsoren angeboten wird.
3. Heat Mapping – Mit Zugang zu Echtzeit-Statistiken können Beacons Hotspots erkennen und Warnungen an Event-Manager über Orte senden, die überfüllt und anfälliger für Sicherheitsverstöße sind.
4. Content Delivery – Teilnehmer können das lange Warten auf eine Kopie der Präsentationsfolien per E-Mail vermeiden. BLE-Beacons können die Teilnehmer einer Sitzung erkennen und automatisch Folien, E-Books und anderes Material während oder unmittelbar nach der Sitzung bereitstellen.
5. Automatisches Einchecken – Veranstaltungsorganisatoren können leicht Informationen über die Anzahl der Teilnehmer einer Veranstaltung oder einer Messe sammeln und deren Profile in Echtzeit einsehen, indem sie Beacons einrichten, die am Eingang des Konferenzortes ein Einchecken simulieren. Dies erfordert keine manuelle Interaktion seitens der Nutzer. Wenn ein Nutzer die App heruntergeladen und Bluetooth auf seinem Mobilgerät aktiviert hat, checkt die App automatisch ein, sobald der Nutzer den Veranstaltungsort betritt.
Ein ausgereiftes Ökosystem für die BLE-Entwicklung ist bereits verfügbar. Entwickler haben Zugang zu einer breiten Palette von Chips und Modulen, die sowohl die Hardware- als auch die Softwareentwicklung von BLE-fähigen Geräten beschleunigen können. So bietet Cypress beispielsweise seinen PSoC 4 BLE-Prozessor auf Basis des ARM Cortex-M0-Kerns an, der analoge Frontends, digitale Logik, CapSense und ein Bluetooth LE-Funkgerät für einen Ein-Chip-Ansatz für BLE integriert. Für OEMs, die ein vollständig integriertes Modul bevorzugen, ist das Cypress EZ-BLE PRoC-Modul ein 10×10×1,8 mm großes, zertifiziertes und programmierbares BLE-Modul, das für eine einfache Handhabung und eine kürzere Markteinführungszeit entwickelt wurde und auf dem PRoC-BLE-Chip von Cypress basiert.
For more details on how to design with BLE see:
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