A Bluetooth-technológia forradalmasította az eszközök közötti vezeték nélküli kommunikációt a mindenütt jelenlévő és egyszerű jellemzőivel. Lehetővé teszi az eszközök számára a kábel nélküli kommunikációt, miközben magas szintű biztonságot nyújt. Alacsony energiafogyasztása és alacsony költsége miatt a Bluetooth kulcsszerepet játszott az alkalmazások fejlődésében a nagy sebességű autóipari eszközöktől az összetett orvosi eszközökig.
A Bluetooth-technológia egyszerűsége és globális elfogadottsága azt jelenti, hogy bármely Bluetooth-kompatibilis eszköz a párosításnak nevezett folyamat révén összekapcsolódhat más, egymáshoz közel lévő eszközökkel. A párosítás lehetővé teszi, hogy az eszközök teljes duplex kommunikációt hozzanak létre adat- és hangátvitellel, rövid hatótávolságú, ad hoc hálózatokon, úgynevezett piconeteken keresztül, amelyek akár nyolc eszközt is összekapcsolhatnak. Egy eszköz szolgál mestereszközként, míg a hálózaton/piconeten belül a többi eszköz szolgaeszközként működik. A master-eszköz hubként működik, és a slave-eszközök a master-eszközön keresztül kommunikálnak egymással. A Bluetooth technológia másik fontos jellemzője a frekvenciaugrás alkalmazása az interferencia hatásának csökkentése érdekében.
A Bluetooth technológia teljes duplex képességei olyan innovatív funkciókat biztosítanak a felhasználók számára, mint például egy telefon összekapcsolása egy Bluetooth-hangszóróval, hívások fogadása autóvezetés közben, két laptop összekapcsolása fájlmegosztás céljából, valamint egy játékkonzol összekapcsolása egy Bluetooth-képes játékvezérlővel, hogy csak néhány felhasználási esetet említsünk.
Bluetooth Low Energy
A Bluetooth Low Energy a Bluetooth vezeték nélküli technológia intelligens, energiatakarékos változata. Már most jelentős szerepet játszik az intelligens készülékek okosabbá tételében, mivel kompakt, megfizethető és kevésbé bonyolult eszközökké teszi őket.
A Bluetooth 4.0 Core Specification részeként indult el a Bluetooth Low Energy, amelyet Bluetooth Smart néven is forgalmaznak. Eredetileg a Nokia tervezte Wibree néven, mielőtt a Bluetooth Special Interest Group (SIG) elfogadta volna, és kezdetben arra összpontosított, hogy a lehető legalacsonyabb energiafogyasztású rádiószabványt biztosítsa, amelyet kifejezetten az alacsony költségekre, az alacsony sávszélességre, az alacsony energiafogyasztásra és az alacsony komplexitásra optimalizáltak.
Ezek a tervezési célok az alapspecifikációban is megmutatkoznak, amely arra tesz kísérletet, hogy a BLE-t valódi alacsony fogyasztású szabvánnyá tegye, amelyet úgy terveztek, hogy a félvezetőgyártók ténylegesen megvalósíthassák, és a valós alkalmazásokban minimális költségvetéssel, szűkös energiafelhasználással használhassák. Ez már egy széles körben elfogadott technológia, amely reálisan igényt tarthat arra, hogy hosszabb ideig működjön egyetlen érmecellával.
Míg a BLE önmagában is kiváló technológia, a fenomenális elfogadási arányát az hajtotta, hogy ez a megfelelő technológia, a megfelelő kompromisszumokkal, a megfelelő időben. Ahhoz képest, hogy egy viszonylag fiatal szabványról van szó, a BLE-t már most is tartalmazó terméktervek száma jóval megelőzi a többi vezeték nélküli technológiát, amelyek megjelenési ciklusának ugyanezen szakaszában vannak.
A klasszikus Bluetooth kihívásai közé tartozott az akkumulátor gyors lemerülése és a kapcsolat gyakori megszakadása, ami gyakori párosítást és újrapárosítást igényelt. A BLE gyors növekedésének egyik oka, hogy sikeresen tudta ezeket kezelni. Az okostelefonok, a táblagépek és a mobil számítástechnika fenomenális növekedése tovább ösztönzi az elfogadást. A BLE korai és aktív elfogadása a mobilipar nagyágyúi által megnyitotta az utat a BLE szélesebb körű bevezetése előtt. Ez pedig arra ösztönözte a félvezetőgyártókat, hogy korlátozott erőforrásaikat arra a technológiára fordítsák, amelyről úgy érezték, hogy hosszú távon a legnagyobb eséllyel virágzik.
Míg a mobil- és táblagéppiacok egyre érettebbé váltak, a külvilág és ezen eszközök közötti csatlakoztathatóság iránti igény hatalmas növekedési potenciállal rendelkezik. Ez egyedülálló lehetőséget kínál a perifériák gyártóinak, hogy olyan innovatív eszközöket fejlesszenek ki, amelyekkel a fogyasztók olyan problémákat oldanak meg, amelyekről ma még talán nem is tudják, hogy léteznek. A BLE körül nagyon sok előny konvergált, ami lehetőséget teremt a kis és fürge terméktervezők számára, hogy viszonylag szerény tervezési költségvetésből feladatspecifikus, kreatív és innovatív termékekkel egy potenciálisan hatalmas piacra jussanak. A BLE azt is lehetővé teszi, hogy ezek a fejlesztők ma már olyan életképes termékeket tervezzenek, amelyek bármilyen modern mobilplatformmal képesek kommunikálni a könnyen hozzáférhető chipek, eszközök és szabványok segítségével.
Tulajdonságok
1. A legalacsonyabb energiafogyasztás
A fizikai tervezéstől a használati modellekig mindent úgy terveztünk, hogy az energiafogyasztás a lehető legkisebb legyen. Az energiafogyasztás csökkentése érdekében a BLE-eszköz az idő nagy részében alvó üzemmódban marad. Ha esemény történik, az eszköz felébred, és egy rövid üzenetet továbbít egy átjáróhoz, PC-hez vagy okostelefonhoz. A maximális/csúcs energiafogyasztás kevesebb mint 15 mA, az átlagos energiafogyasztás pedig körülbelül 1 μA. Az aktív energiafogyasztás a klasszikus Bluetooth energiafogyasztásának tizedére csökken. Alacsony üzemi ciklusú alkalmazásokban egy gombelemes akkumulátor 5-10 éves megbízható működést biztosíthat.
2. Költséghatékony és kompatibilis
A klasszikus Bluetooth technológiával való kompatibilitás és a költséghatékonyság érdekében az akkumulátorral működő kis eszközök számára kétféle chipset létezik:
- Dual-mode technológia BLE és klasszikus Bluetooth funkciókkal egyaránt
- Stand-alone BLE technológia, amelyet az alacsony költségű és alacsony energiafogyasztású, akkumulátorral működő kis eszközökre optimalizáltak
3. Az alacsony költségű és alacsony energiafogyasztású BLE technológia. Robusztusság, biztonság és megbízhatóság
A BLE technológia ugyanazt az adaptív frekvenciaugrásos (AFH) technológiát használja, mint a klasszikus Bluetooth technológia. Ez lehetővé teszi, hogy a BLE robusztus átvitelt érjen el az otthoni, ipari és orvosi alkalmazásokban előforduló “zajos” RF-környezetekben. Az AFH használatával járó költségek és energiafogyasztás minimalizálása érdekében a BLE technológia a csatornák számát 40 2 MHz széles csatornára csökkentette a klasszikus Bluetooth technológia 79 1 MHz széles csatornája helyett.
4. Vezeték nélküli együttélés
A Bluetooth technológia, a vezeték nélküli LAN, az IEEE 802.15.4/ZigBee és számos saját fejlesztésű rádió az engedélymentes 2,4 GHz-es ipari tudományos orvosi (ISM) sávot használja. Mivel ennyi technológia osztozik ugyanazon a rádiótéren, az interferencia csökkentheti a vezeték nélküli teljesítményt (azaz növelheti a késleltetést és csökkentheti az átviteli teljesítményt) a hibajavítás és az újraküldés szükségessége miatt. Igényes alkalmazásokban az interferencia frekvenciatervezéssel és speciális antennatervezéssel csökkenthető. Mivel mind a klasszikus Bluetooth-technológia, mind a BLE-technológia AFH-t használ, amely minimalizálja a más rádiótechnológiákkal való interferenciát, a Bluetooth-átvitel robusztus és megbízható.
5. Csatlakozási tartomány
A BLE technológia modulációja némileg eltér a klasszikus Bluetooth technológiától. Ez a modulációs eltérés akár 300 méteres hatótávolságot biztosít 10 dBm-es rádiós chipkészlettel (BLE maximum).
6. Könnyű használat és integráció
A BLE piconet jellemzően egy mesterre épül, amely több slave-hez kapcsolódik. Egy eszköz vagy master vagy slave, de soha nem mindkettő. A mester szabályozza, hogy a slave-ek milyen gyakran kommunikálhatnak, a slave pedig csak a mester kérésére kommunikál. A BLE új funkciója a klasszikus Bluetooth technológiához képest a “hirdetési” funkció. Ezzel a funkcióval a szolgaként működő eszköz bejelentheti, hogy valamit továbbítani szeretne a mesternek. A hirdetési üzenet tartalmazhat eseményt vagy mérési értéket is.
Műszaki részletek
- Adatátvitel – A BLE támogatja a nagyon rövid adatcsomagokat (minimum 8 oktett, maximum 27 oktett), amelyek 1 Mbps sebességgel kerülnek átvitelre. Minden kapcsolat fejlett sniff-sub minősítést használ a rendkívül alacsony munkaciklusok elérése érdekében, hogy az energiafogyasztás minimálisra csökkenjen.
- Frekvenciaugrás – A BLE a Bluetooth technológia minden változatában közös AFH-t használja a 2,4 GHz-es ISM-sávban lévő más technológiák interferenciájának minimalizálása érdekében. A hatékony többutas előnyök növelik a kapcsolat költségvetését és a tényleges működési tartományt, valamint optimalizálják az energiafogyasztást.
- Host vezérlés – A BLE jelentős mennyiségű intelligenciát helyez a vezérlőbe. Ez lehetővé teszi, hogy a gazdatest hosszabb ideig aludjon, és a vezérlő csak akkor ébressze fel, ha a gazdatestnek valamilyen műveletet kell végrehajtania. Ez teszi lehetővé a legnagyobb árammegtakarítást, mivel a gazdaprocesszor jellemzően nagyobb energiát fogyaszt, mint a BLE-vezérlő.
- Késleltetés – A BLE akár 3 ms alatt is képes támogatni a kapcsolat felépítését és az adatátvitelt. Ez lehetővé teszi, hogy egy alkalmazás mindössze néhány milliszekundum alatt létrehozzon egy kapcsolatot és hitelesített adatokat továbbítson egy rövid kommunikációs kitöréshez, mielőtt gyorsan megszakítja a kapcsolatot.
- Távolság – A megnövelt modulációs index lehetővé teszi, hogy a BLE maximális hatótávolsága meghaladja a 100 métert.
- Robusztusság – A BLE erős 24 bites CRC-t használ minden csomagon, hogy biztosítsa a maximális robusztusságot az interferenciával szemben.
- Súlyos biztonság – A CCM-et használó teljes AES-128 titkosítás erős titkosítást és az adatcsomagok hitelesítését biztosítja, így a kommunikáció biztonságos.
- Topológia – A BLE 32 bites hozzáférési címet használ minden csomagon minden egyes slave számára, így több milliárd eszköz csatlakoztatható. A technológia egy-egy kapcsolatra van optimalizálva, miközben csillag topológia segítségével lehetővé teszi az egy-több kapcsolatokat.
Alkalmazások
A hordozható eszközökben való elterjedtsége miatt a BLE teljesen új alkalmazásokat tesz lehetővé minden iparágban. Vegyük például a BLE különböző felhasználási módjait egy kereskedelmi kiállításon, hogy növelje a vállalat új ügyfelekkel való találkozásra fordított befektetésének hatékonyságát:
1. Gamification – A BLE felhasználható arra, hogy a résztvevőket a kiállítási stand kevésbé népszerű területeinek felfedezésére ösztönözze azáltal, hogy különleges jutalmakat kínál nekik az ezeken a területeken stratégiailag elhelyezett jeladók felfedezéséért.
2. Szponzorációk – A jeladók kihasználásával további bevételt érhet el olyan értesítésekkel, amelyek arra ösztönzik a résztvevőket, hogy nézzék meg a legközelebbi standot, amikor a kiállítás helyszínének egy bizonyos zónája mellett haladnak el. Ez lehet a szponzoroknak kínált prémium szolgáltatás.
3. Hőtérképezés – A valós idejű statisztikákhoz való hozzáférés révén a beaconok felismerhetik a forró pontokat, és figyelmeztetéseket küldhetnek a rendezvényszervezőknek a túlzsúfolt és a biztonság megsértésére hajlamosabb helyszínekről.
4. Tartalomszolgáltatás – A résztvevők elkerülhetik a hosszú várakozást a prezentációs fóliák másolatára e-mailben. A BLE jeladók képesek felismerni a résztvevőket egy ülésen, és automatikusan kézbesíteni a diákat, e-könyveket és egyéb anyagokat az ülés alatt vagy közvetlenül utána.
5. Automatikus bejelentkezés – A rendezvényszervezők könnyen információt gyűjthetnek a rendezvényen vagy szakkiállításon részt vevő személyek számáról, és valós időben megtekinthetik a profiljukat, ha a konferencia helyszínének bejáratánál bejelentkezést szimuláló beaconokat állítanak fel. Ez nem igényel manuális beavatkozást a felhasználóktól. Ha a felhasználó letöltötte az alkalmazást, és engedélyezte a Bluetooth funkciót a mobileszközén, az alkalmazás automatikusan bejelentkezik, amint a felhasználó belép a helyszínre.
A BLE-fejlesztéshez már rendelkezésre áll egy kiforrott ökoszisztéma. A fejlesztők chipek és modulok széles választékához férhetnek hozzá, amelyek felgyorsíthatják a BLE-képes eszközök hardver- és szoftverfejlesztését egyaránt. A Cypress például az ARM Cortex-M0 magon alapuló PSoC 4 BLE processzorát kínálja, amely analóg frontendeket, digitális logikát, CapSense-t és Bluetooth LE rádiót integrál a BLE egychipes megközelítése érdekében. A teljesen integrált modult előnyben részesítő OEM-gyártók számára a Cypress EZ-BLE PRoC modul egy 10×10×1,8 mm-es, tanúsított és programozható BLE modul, amelyet a Cypress PRoC BLE chipjére épülő, egyszerű használatra és a piacra kerülési idő csökkentésére terveztek.
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