Bluetooth-technologie heeft door zijn alomtegenwoordige en eenvoudige eigenschappen een revolutie teweeggebracht in de draadloze communicatie tussen apparaten. Met deze technologie kunnen apparaten zonder kabels communiceren met behoud van een hoge mate van veiligheid. Vanwege het lage vermogen en de lage kosten heeft Bluetooth een centrale rol gespeeld in de evolutie van toepassingen, van snelle auto-apparatuur tot complexe medische apparatuur.
Het gemak en de wereldwijde acceptatie van Bluetooth-technologie betekent dat elk Bluetooth-apparaat verbinding kan maken met andere apparaten die zich in de nabijheid bevinden door middel van een proces dat bekend staat als pairing. Door te koppelen kunnen apparaten een full-duplex communicatie tot stand brengen door gegevens en spraak over te brengen via ad-hocnetwerken met een klein bereik, bekend als piconets, die tot acht apparaten kunnen verbinden. Eén apparaat fungeert als master, terwijl de rest van de apparaten binnen het netwerk/piconet slave-apparaten zijn. Het master-apparaat fungeert als een hub, en slave-apparaten communiceren via het master-apparaat om met elkaar te communiceren. Een ander belangrijk kenmerk van Bluetooth-technologie is het gebruik van frequency hopping om de impact van interferentie te verminderen.
De full duplex mogelijkheden van Bluetooth-technologie bieden gebruikers innovatieve mogelijkheden, zoals het verbinden van een telefoon met een Bluetooth-muziekspeaker, het voeren van gesprekken tijdens het autorijden, het verbinden van twee laptops voor het delen van bestanden, en het verbinden van een gameconsole met een Bluetooth-compatibele gamecontroller, om maar een paar gebruikssituaties te noemen.
Bluetooth Low Energy
Bluetooth Low Energy is de intelligente, stroomvriendelijke versie van de draadloze Bluetooth-technologie. Het speelt nu al een belangrijke rol in het transformeren van slimme gadgets naar slimmere gadgets door ze compact, betaalbaar en minder complex te maken.
Bluetooth Low Energy, ook wel op de markt gebracht als Bluetooth Smart, begon als onderdeel van de Bluetooth 4.0 Core Specification. In eerste instantie ontworpen door Nokia als Wibree voordat het werd overgenomen door de Bluetooth Special Interest Group (SIG), was de initiële focus om een radio standaard te bieden met het laagst mogelijke stroomverbruik, specifiek geoptimaliseerd voor lage kosten, lage bandbreedte, laag vermogen, en lage complexiteit.
Deze ontwerpdoelen komen duidelijk naar voren in de kernspecificatie, die probeert om van BLE een echte low-power standaard te maken, ontworpen om daadwerkelijk te worden geïmplementeerd door halfgeleiderfabrikanten en te worden gebruikt in real-world toepassingen die krap zitten qua energie met een minimaal budget. Het is nu al een wijdverbreide technologie die een realistische aanspraak kan maken op een langdurige werking met één enkele knoopcel.
Hoewel BLE op zichzelf al een superieure technologie is, is de reden voor de fenomenale adoptie ervan dat het de juiste technologie is, met de juiste compromissen, op het juiste moment. Voor een relatief jonge standaard betekent het aantal productontwerpen waarin BLE al is opgenomen dat deze ver voorligt op andere draadloze technologieën op hetzelfde punt in hun releasecycli.
De uitdagingen van het klassieke Bluetooth waren dat de batterij snel leeg was en dat de verbinding vaak wegviel, waardoor veelvuldig koppelen en opnieuw koppelen nodig was. Het succesvol kunnen aanpakken van deze problemen is een van de redenen voor de snelle groei van BLE. De fenomenale groei van smartphones, tablets en mobiel computergebruik is een verdere stimulans. De vroege en actieve adoptie van BLE door zwaargewichten uit de mobiele industrie heeft de deuren geopend voor een bredere implementatie van BLE. Dit heeft de halfgeleiderfabrikanten er op hun beurt toe aangezet hun beperkte middelen in te zetten voor de technologie waarvan zij dachten dat die op lange termijn de grootste kans van slagen had.
Hoewel de markten voor mobiele telefoons en tablets steeds volwassener zijn geworden, heeft de behoefte aan connectiviteit tussen de buitenwereld en deze apparaten een enorm groeipotentieel. Het biedt leveranciers van randapparatuur een unieke kans om innovatieve apparaten te ontwikkelen die problemen oplossen waarvan consumenten zich misschien niet eens realiseren dat ze die vandaag de dag hebben. Er zijn zoveel voordelen samengekomen rond BLE, dat het kleine en wendbare productontwerpers de kans biedt om toegang te krijgen tot een potentieel enorme markt met taakspecifieke, creatieve en innovatieve producten met een relatief bescheiden ontwerpbudget. BLE stelt deze ontwikkelaars ook in staat om vandaag levensvatbare producten te ontwerpen die kunnen communiceren met elk modern mobiel platform door gebruik te maken van chips, tools en standaarden die gemakkelijk toegankelijk zijn.
Features
1. Het laagste stroomverbruik
Alles, van fysiek ontwerp tot gebruiksmodellen, is ontworpen om het stroomverbruik tot een minimum te beperken. Om het stroomverbruik te verminderen, wordt een BLE-apparaat het grootste deel van de tijd in de slaapstand gehouden. Wanneer zich een gebeurtenis voordoet, ontwaakt het apparaat en wordt een kort bericht naar een gateway, PC of smartphone verzonden. Het maximale/piek stroomverbruik is minder dan 15 mA en het gemiddelde stroomverbruik is ongeveer 1 μA. Het actieve stroomverbruik is teruggebracht tot een tiende van het energieverbruik van klassieke Bluetooth. Bij toepassingen met een lage duty cycle kan een knoopcelbatterij 5-10 jaar betrouwbaar werken.
2. Kostenefficiënt en compatibel
Om compatibiliteit met klassieke Bluetooth-technologie en kostenefficiëntie voor kleine, op batterijen werkende apparaten te bieden, zijn er twee typen chipsets:
- Dual-mode technologie met zowel BLE- als klassieke Bluetooth-functionaliteit
- Stand-alone BLE-technologie geoptimaliseerd voor kleine, op batterijen werkende apparaten met lage kosten en een laag stroomverbruik als focus
3. Robuustheid, veiligheid en betrouwbaarheid
BLE-technologie maakt gebruik van dezelfde adaptive frequency hopping (AFH) technologie als de klassieke Bluetooth-technologie. Hierdoor kan BLE een robuuste transmissie tot stand brengen in de ‘lawaaierige’ RF-omgevingen die voorkomen in huishoudelijke, industriële en medische toepassingen. Om de kosten en het energieverbruik van het gebruik van AFH te minimaliseren, heeft de BLE-technologie het aantal kanalen teruggebracht tot 40 2-MHz brede kanalen in plaats van de 79 1-MHz brede kanalen die bij de klassieke Bluetooth-technologie worden gebruikt.
4. Draadloze coëxistentie
Bluetooth-technologie, draadloze LAN, IEEE 802.15.4/ZigBee, en diverse eigen radio’s maken gebruik van de licentievrije 2,4GHz industrieel-wetenschappelijk-medische (ISM) band. Met zoveel technologieën die dezelfde radioruimte delen, kan interferentie de draadloze prestaties verminderen (d.w.z. een hogere latentie en een lagere doorvoer) als gevolg van de behoefte aan foutcorrectie en heruitzending. In veeleisende toepassingen kan interferentie worden verminderd door frequentieplanning en speciaal antenneontwerp. Omdat zowel de klassieke Bluetooth-technologie als de BLE-technologie gebruik maken van AFH, waardoor interferentie met andere radiotechnologieën wordt geminimaliseerd, is Bluetooth-transmissie robuust en betrouwbaar.
5. Verbindingsbereik
BLE-technologie heeft een iets andere modulatie dan klassieke Bluetooth-technologie. Deze modulatie differentiatie biedt een bereik van maximaal 300 meter met een 10 dBm radio chipset (BLE maximum).
6. Gebruiksgemak en integratie
Een BLE piconet is typisch gebaseerd op een master verbonden met een aantal slaves. Een apparaat is ofwel een master ofwel een slave, maar nooit beide. De master bepaalt hoe vaak de slaves mogen communiceren, en de slave communiceert alleen op verzoek van de master. Een nieuwe functie die BLE toevoegt aan de klassieke Bluetooth-technologie is de “reclame”-functie. Met deze functie kan een apparaat dat als slaaf fungeert, aankondigen dat het iets te verzenden heeft naar de master. Een reclameboodschap kan ook een gebeurtenis of een meetwaarde bevatten.
Technische details
- Gegevensoverdracht – BLE ondersteunt zeer korte gegevenspakketten (minimaal 8 octetten tot maximaal 27 octetten) die met 1 Mbps worden overgedragen. Alle verbindingen maken gebruik van geavanceerde sniff-sub rating om ultra-lage duty cycles te bereiken en zo het energieverbruik tot een minimum te beperken.
- Frequency hopping – BLE maakt gebruik van de AFH die alle versies van Bluetooth-technologie gemeen hebben om interferentie van andere technologieën in de 2,4 GHz ISM-band te minimaliseren. Efficiënte multi-path voordelen verhogen de verbindingsbudgetten en het effectieve werkbereik, en optimaliseren het energieverbruik.
- Host control – BLE plaatst een aanzienlijke hoeveelheid intelligentie in de controller. Hierdoor kan de host gedurende langere perioden slapen en alleen door de controller worden gewekt wanneer de host een bepaalde actie moet uitvoeren. Dit levert de grootste stroombesparing op, aangezien de hostprocessor doorgaans meer stroom verbruikt dan de BLE-controller.
- Latency – BLE kan verbindingen tot stand brengen en gegevens overdragen in slechts 3 ms. Hierdoor kan een toepassing in slechts enkele milliseconden een verbinding tot stand brengen en geverifieerde gegevens overdragen voor een korte communicatiestoot voordat de verbinding snel wordt verbroken.
- Bereik – Een verhoogde modulatie-index zorgt voor een maximaal bereik voor BLE van meer dan 100 meter.
- Robuustheid – BLE gebruikt een sterke 24-bit CRC op alle pakketten om de maximale robuustheid tegen interferentie te garanderen.
- Sterke beveiliging – Volledige AES-128 encryptie met CCM zorgt voor sterke encryptie en authenticatie van datapakketten zodat de communicatie veilig is.
- Topologie – BLE gebruikt een 32-bit toegangsadres op elk pakket voor elke slave, waardoor miljarden apparaten kunnen worden aangesloten. De technologie is geoptimaliseerd voor één-op-één verbindingen, terwijl één-op-veel verbindingen mogelijk zijn met behulp van een stertopologie.
Toepassingen
Door de alomtegenwoordige toepassing in draagbare apparaten, maakt BLE geheel nieuwe toepassingen in alle sectoren mogelijk. Neem bijvoorbeeld de verschillende manieren waarop BLE kan worden gebruikt op een beurs om de effectiviteit van de investering van een bedrijf in het ontmoeten van nieuwe klanten te verhogen:
1. Gamification – BLE kan worden gebruikt om bezoekers aan te moedigen minder populaire gebieden van een beursstand te verkennen door hen speciale beloningen te bieden voor het ontdekken van strategisch geplaatste bakens in die gebieden.
2. Sponsoring – Benut bakens voor extra inkomsten door het pushen van meldingen die bezoekers aanmoedigen om de dichtstbijzijnde stand te bekijken wanneer ze langs een bepaalde zone op de beurslocatie komen. Dit kan een premium service zijn die aan sponsors wordt aangeboden.
3. Heat mapping – Met toegang tot real-time statistieken, kunnen beacons hotspots herkennen en waarschuwingen sturen naar event managers over locaties die overvol zijn en meer vatbaar voor veiligheidsinbreuken.
4. Content delivery – Deelnemers kunnen het lange wachten op een kopie van de presentatie slides via e-mail vermijden. BLE bakens kunnen deelnemers aan een sessie herkennen en automatisch dia’s, e-boeken en ander materiaal afleveren tijdens of direct na de sessie.
5. Automatisch inchecken – Organisatoren van evenementen kunnen eenvoudig informatie verzamelen over het aantal mensen dat een evenement of een beurs bijwoont en hun profielen in realtime bekijken door bakens in te stellen om het inchecken bij de ingang van de congreslocatie te simuleren. Dit vereist geen handmatige interactie van de gebruikers. Als een gebruiker de app heeft gedownload en Bluetooth op zijn/haar mobiele apparaat heeft ingeschakeld, zal de app automatisch inchecken zodra de gebruiker de zaal binnenloopt.
Er is al een volwassen ecosysteem beschikbaar voor BLE-ontwikkeling. Ontwikkelaars hebben toegang tot een breed scala aan chips en modules die zowel de hardware- als softwareontwikkeling van BLE-geschikte apparaten kunnen versnellen. Cypress biedt bijvoorbeeld zijn PSoC 4 BLE-processor gebaseerd op de ARM Cortex-M0 kern die analoge front-ends, digitale logica, CapSense, en een Bluetooth LE-radio integreert voor een één-chip benadering van BLE. Voor OEM’s die de voorkeur geven aan een volledig geïntegreerde module, is de Cypress EZ-BLE PRoC-module een 10×10×1,8 mm gecertificeerde en programmeerbare BLE-module ontworpen voor gebruiksgemak en verkorte time-to-market gebouwd rond Cypress’s PRoC BLE-chip.
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