La tecnologia Bluetooth ha rivoluzionato le comunicazioni senza fili tra dispositivi con le sue caratteristiche ubiquitarie e semplici. Permette ai dispositivi di comunicare senza cavi mantenendo alti livelli di sicurezza. Grazie alla sua bassa potenza e al suo basso costo, Bluetooth ha giocato un ruolo fondamentale nell’evoluzione delle applicazioni, dai dispositivi automobilistici ad alta velocità ai complessi dispositivi medici.
La facilità e l’accettazione globale della tecnologia Bluetooth significa che qualsiasi dispositivo abilitato Bluetooth può connettersi con altri dispositivi situati in prossimità attraverso un processo noto come accoppiamento. L’accoppiamento permette ai dispositivi di stabilire una comunicazione full duplex trasmettendo dati e voce attraverso reti ad hoc a corto raggio, note come piconet, che possono collegare fino a otto dispositivi. Un dispositivo funge da dispositivo master, mentre il resto dei dispositivi all’interno della rete/piconet sono dispositivi slave. Il dispositivo master funge da hub, e i dispositivi slave comunicano attraverso il dispositivo master per comunicare tra loro. Un’altra importante caratteristica della tecnologia Bluetooth è il suo uso del salto di frequenza per ridurre l’impatto delle interferenze.
Le capacità full duplex della tecnologia Bluetooth forniscono agli utenti caratteristiche innovative come collegare un telefono con un altoparlante musicale Bluetooth, rispondere alle chiamate mentre si guida una macchina, collegare due computer portatili per la condivisione di file e collegare una console di gioco con un controller di gioco abilitato Bluetooth, per citare alcuni casi d’uso.
Bluetooth Low Energy
Bluetooth Low Energy è la versione intelligente e a basso consumo della tecnologia wireless Bluetooth. Sta già giocando un ruolo significativo nel trasformare i gadget intelligenti in gadget più intelligenti, rendendoli compatti, accessibili e meno complessi.
Bluetooth Low Energy, commercializzato anche come Bluetooth Smart, è iniziato come parte della specifica Bluetooth 4.0 Core. Inizialmente progettato da Nokia come Wibree prima di essere adottato dal Bluetooth Special Interest Group (SIG), il suo obiettivo iniziale era quello di fornire uno standard radio con il più basso consumo energetico possibile, specificamente ottimizzato per basso costo, bassa larghezza di banda, bassa potenza e bassa complessità.
Questi obiettivi di progettazione sono evidenti attraverso la specifica di base, che tenta di rendere BLE un vero e proprio standard a basso consumo, progettato per essere effettivamente implementato dai produttori di semiconduttori e utilizzato in applicazioni del mondo reale con un budget minimo. È già una tecnologia ampiamente adottata che può realisticamente pretendere di funzionare per un lungo periodo di tempo con una singola pila a bottone.
Mentre BLE è una tecnologia superiore di per sé, ciò che ha guidato il suo fenomenale tasso di adozione è che è la tecnologia giusta, con i giusti compromessi, al momento giusto. Per essere uno standard relativamente giovane, il numero di progetti di prodotti che già includono BLE lo mette ben al di sopra di altre tecnologie wireless allo stesso punto dei loro cicli di rilascio.
Le sfide affrontate dal Bluetooth classico erano il rapido esaurimento della batteria e la frequente perdita di connessione, che richiedeva frequenti accoppiamenti e riaccoppiamenti. Essere in grado di affrontare con successo questi problemi è una delle ragioni della rapida crescita di BLE. A spingere ulteriormente l’adozione è la crescita fenomenale di smartphone, tablet e mobile computing. L’adozione precoce e attiva di BLE da parte dei pesi massimi dell’industria mobile ha aperto le porte per una più ampia implementazione di BLE. Questo, a sua volta, ha spinto i produttori di semiconduttori a impegnare le loro risorse limitate nella tecnologia che ritenevano più adatta a prosperare nel lungo periodo.
Mentre i mercati di cellulari e tablet sono diventati sempre più maturi, la necessità di connettività tra il mondo esterno e questi dispositivi ha un enorme potenziale di crescita. Offre ai venditori di periferiche un’opportunità unica di sviluppare dispositivi innovativi che risolvono problemi che i consumatori potrebbero non rendersi conto di avere oggi. Tanti benefici sono confluiti intorno a BLE, creando un’opportunità per i progettisti di prodotti piccoli e agili di accedere a un mercato potenzialmente enorme con prodotti specifici per un compito, creativi e innovativi con un budget di progettazione relativamente modesto. BLE permette anche a questi sviluppatori di progettare prodotti fattibili oggi che possono parlare con qualsiasi piattaforma mobile moderna usando chip, strumenti e standard che sono di facile accesso.
Caratteristiche
1. Il più basso consumo energetico
Tutto, dalla progettazione fisica ai modelli d’uso, è progettato per mantenere il consumo energetico al minimo. Per ridurre il consumo di energia, un dispositivo BLE è tenuto in modalità sleep per la maggior parte del tempo. Quando si verifica un evento, il dispositivo si sveglia e un breve messaggio viene trasferito a un gateway, PC o smartphone. Il consumo massimo/picco di energia è inferiore a 15 mA e il consumo medio è di circa 1 μA. Il consumo di energia attiva è ridotto a un decimo del consumo di energia del Bluetooth classico. Nelle applicazioni a basso duty cycle, una batteria a bottone potrebbe fornire 5-10 anni di funzionamento affidabile.
2. Economicamente efficiente e compatibile
Per offrire la compatibilità con la tecnologia Bluetooth classica e l’efficienza dei costi per i piccoli dispositivi a batteria, ci sono due tipi di chipset:
- Tecnologia dual-mode con funzionalità sia BLE che Bluetooth classico
- Tecnologia BLE autonoma ottimizzata per i piccoli dispositivi a batteria con basso costo e basso consumo energetico come loro obiettivo
3. Robustezza, sicurezza e affidabilità
La tecnologia BLE utilizza la stessa tecnologia AFH (adaptive frequency hopping) della classica tecnologia Bluetooth. Questo permette a BLE di ottenere una trasmissione robusta negli ambienti RF “rumorosi” che si trovano nelle applicazioni domestiche, industriali e mediche. Per minimizzare il costo e il consumo di energia dell’uso dell’AFH, la tecnologia BLE ha ridotto il numero di canali a 40 canali larghi 2-MHz invece dei 79 canali larghi 1-MHz usati con la tecnologia Bluetooth classica.
4. Coesistenza wireless
Tecnologia Bluetooth, Wireless LAN, IEEE 802.15.4/ZigBee, e diverse radio proprietarie usano la banda Industrial Scientific Medical (ISM) a 2.4GHz senza licenza. Con così tante tecnologie che condividono lo stesso spazio radio, l’interferenza può diminuire le prestazioni wireless (cioè, aumentando la latenza e diminuendo il throughput) a causa della necessità di correzione degli errori e di ritrasmissione. In applicazioni esigenti, l’interferenza può essere ridotta attraverso la pianificazione della frequenza e la progettazione di antenne speciali. Poiché sia la tecnologia Bluetooth classica che la tecnologia BLE utilizzano l’AFH, che riduce al minimo le interferenze con altre tecnologie radio, la trasmissione Bluetooth è robusta e affidabile.
5. Gamma di connessione
La tecnologia BLE ha una modulazione leggermente diversa dalla tecnologia Bluetooth classica. Questa differenziazione di modulazione offre una portata fino a 300 metri con un chipset radio di 10 dBm (massimo BLE).
6. Facilità d’uso e integrazione
Una piconet BLE è tipicamente basata su un master collegato a un certo numero di slave. Un dispositivo è un master o uno slave, ma mai entrambi. Il master controlla quanto spesso gli slave sono autorizzati a comunicare, e lo slave comunica solo su richiesta del master. Una nuova caratteristica che BLE aggiunge rispetto alla classica tecnologia Bluetooth è la funzionalità di “pubblicità”. Con questa caratteristica, un dispositivo che funge da slave può annunciare che ha qualcosa da trasmettere al master. Un messaggio pubblicitario può anche includere un evento o un valore di misurazione.
Dettagli tecnici
- Trasferimenti di dati – BLE supporta pacchetti di dati molto brevi (8 ottetti minimo fino a 27 ottetti massimo) che vengono trasferiti a 1 Mbps. Tutte le connessioni utilizzano una valutazione avanzata sniff-sub per ottenere cicli di lavoro ultra-bassi per mantenere il consumo di energia al minimo.
- Frequency hopping – BLE utilizza l’AFH comune a tutte le versioni della tecnologia Bluetooth per ridurre al minimo le interferenze da altre tecnologie nella banda ISM a 2,4 GHz. Efficienti benefici multi-path aumentano i budget di collegamento e la portata operativa effettiva, oltre a ottimizzare il consumo di energia.
- Controllo dell’host – BLE pone una quantità significativa di intelligenza nel controller. Questo permette all’host di dormire per periodi di tempo più lunghi e di essere svegliato dal controller solo quando l’host ha bisogno di eseguire qualche azione. Questo permette il massimo risparmio di corrente, poiché il processore host consuma tipicamente più energia del controller BLE.
- Latenza – BLE può supportare l’impostazione della connessione e il trasferimento dei dati in soli 3 ms. Questo permette ad un’applicazione di stabilire una connessione e trasferire dati autenticati in pochi millisecondi per un breve burst di comunicazione prima di interrompere rapidamente la connessione.
- Range – Un indice di modulazione aumentato permette una portata massima per BLE di oltre 100 metri.
- Robustezza – BLE utilizza un forte CRC a 24 bit su tutti i pacchetti per garantire la massima robustezza contro le interferenze.
- Sicurezza forte – La crittografia completa AES-128 utilizzando CCM fornisce una forte crittografia e autenticazione dei pacchetti di dati in modo che le comunicazioni siano sicure.
- Topologia – BLE utilizza un indirizzo di accesso a 32 bit su ogni pacchetto per ogni slave, permettendo la connessione di miliardi di dispositivi. La tecnologia è ottimizzata per le connessioni uno-a-uno pur consentendo connessioni uno-a-molti utilizzando una topologia a stella.
Applicazioni
A causa della sua diffusione onnipresente nei dispositivi portatili, BLE permette applicazioni completamente nuove in tutti i settori. Per esempio, consideriamo i diversi modi in cui BLE può essere usato in una fiera per aumentare l’efficacia dell’investimento di un’azienda nell’incontrare nuovi clienti:
1. Gamification – BLE può essere utilizzato per incoraggiare i partecipanti ad esplorare le aree meno popolari di uno stand fieristico, offrendo loro premi speciali per scoprire i beacon strategicamente posizionati in quelle aree.
2. Sponsorizzazioni – Sfruttare i beacon per ottenere entrate aggiuntive, spingendo notifiche che spingono i partecipanti a controllare lo stand più vicino quando passano da una certa zona del luogo della fiera. Questo può essere un servizio premium offerto agli sponsor.
3. Heat mapping – Con l’accesso alle statistiche in tempo reale, i beacon possono riconoscere gli hotspot e inviare avvisi ai manager dell’evento sui luoghi che sono sovraffollati e più inclini a violazioni della sicurezza.
4. Consegna dei contenuti – I partecipanti possono evitare la lunga attesa per una copia delle slide di presentazione via e-mail. I beacon BLE possono riconoscere i partecipanti a una sessione e consegnare automaticamente diapositive, e-book e altro materiale collaterale durante o subito dopo la sessione.
5. Auto check-in – Gli organizzatori di eventi possono facilmente raccogliere informazioni sul numero di persone che partecipano a un evento o una fiera e visualizzare i loro profili in tempo reale impostando i beacon per simulare il check-in all’ingresso della sede della conferenza. Questo non richiede alcuna interazione manuale da parte degli utenti. Se un utente ha scaricato l’app e abilitato il Bluetooth sul suo dispositivo mobile, l’app effettuerà automaticamente il check-in non appena l’utente entra nel luogo della conferenza.
Un ecosistema maturo è già disponibile per lo sviluppo BLE. Gli sviluppatori hanno accesso a una vasta gamma di chip e moduli che possono accelerare lo sviluppo sia hardware che software dei dispositivi abilitati a BLE. Per esempio, Cypress offre il suo processore PSoC 4 BLE basato sul core ARM Cortex-M0 che integra front-end analogici, logica digitale, CapSense e una radio Bluetooth LE per un approccio one-chip a BLE. Per gli OEM che preferiscono un modulo completamente integrato, il modulo PRoC Cypress EZ-BLE è un modulo BLE certificato e programmabile di 10×10×1,8 mm progettato per la facilità d’uso e il ridotto time-to-market costruito intorno al chip PRoC BLE di Cypress.
For more details on how to design with BLE see:
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