Technologia Bluetooth zrewolucjonizowała bezprzewodową komunikację pomiędzy urządzeniami dzięki swojej wszechobecności i prostocie. Pozwala ona urządzeniom na komunikację bez kabli przy jednoczesnym zachowaniu wysokiego poziomu bezpieczeństwa. Ze względu na niską moc i niski koszt, Bluetooth odegrał kluczową rolę w ewolucji aplikacji od szybkich urządzeń samochodowych do złożonych urządzeń medycznych.
Łatwość i globalna akceptacja technologii Bluetooth oznacza, że każde urządzenie obsługujące Bluetooth może połączyć się z innymi urządzeniami znajdującymi się w bliskim sąsiedztwie poprzez proces znany jako parowanie. Parowanie pozwala urządzeniom na ustanowienie pełnej komunikacji dupleksowej poprzez transmisję danych i głosu poprzez krótki zasięg, sieci ad hoc znane jako pikonety, które mogą łączyć do ośmiu urządzeń. Jedno urządzenie służy jako urządzenie nadrzędne (master), podczas gdy pozostałe urządzenia w sieci/pikonecie są urządzeniami podrzędnymi (slave). Urządzenie master działa jako hub, a urządzenia slave komunikują się za pośrednictwem urządzenia master, aby komunikować się ze sobą. Inną ważną cechą technologii Bluetooth jest wykorzystanie skokowej zmiany częstotliwości w celu zmniejszenia wpływu zakłóceń.
Możliwości pełnego dupleksu technologii Bluetooth zapewniają użytkownikom innowacyjne funkcje, takie jak łączenie telefonu z głośnikiem muzycznym Bluetooth, odbieranie połączeń podczas jazdy samochodem, łączenie dwóch laptopów w celu udostępniania plików oraz łączenie konsoli do gier z kontrolerem gier obsługującym Bluetooth, aby wymienić tylko kilka przypadków użycia.
Bluetooth Low Energy
Bluetooth Low Energy jest inteligentną, energooszczędną wersją bezprzewodowej technologii Bluetooth. Już teraz odgrywa znaczącą rolę w przekształcaniu inteligentnych gadżetów w inteligentniejsze gadżety, czyniąc je kompaktowymi, niedrogimi i mniej skomplikowanymi.
Bluetooth Low Energy, sprzedawany również jako Bluetooth Smart, rozpoczął się jako część specyfikacji Bluetooth 4.0 Core. Początkowo zaprojektowany przez firmę Nokia jako Wibree, zanim został przyjęty przez Bluetooth Special Interest Group (SIG), jego początkowym celem było zapewnienie standardu radiowego o najniższym możliwym zużyciu energii, specjalnie zoptymalizowanego pod kątem niskich kosztów, niskiej przepustowości, niskiego poboru mocy i niskiej złożoności.
Te cele projektowe są widoczne w głównej specyfikacji, która stara się uczynić BLE prawdziwym standardem o niskim poborze mocy, zaprojektowanym do rzeczywistego wdrożenia przez producentów półprzewodników i wykorzystania w rzeczywistych aplikacjach o niskim poborze energii z minimalnym budżetem. Jest to już szeroko przyjęta technologia, która może realistycznie twierdzić, że może działać przez dłuższy okres czasu na pojedynczym ogniwie monetarnym.
Pomimo, że BLE jest doskonałą technologią samą w sobie, to co spowodowało jej fenomenalną adopcję to fakt, że jest to właściwa technologia, z właściwymi kompromisami, we właściwym czasie. Jak na stosunkowo młody standard, liczba projektów produktów, które już zawierają BLE, stawia go daleko przed innymi technologiami bezprzewodowymi w tym samym punkcie ich cyklu wydawniczego.
Wyzwania, z jakimi borykał się klasyczny Bluetooth, to szybkie wyczerpywanie się baterii i częsta utrata połączenia, wymagająca częstego parowania i ponownego parowania. Możliwość pomyślnego rozwiązania tych problemów jest jednym z powodów szybkiego wzrostu popularności BLE. Dalszym czynnikiem napędzającym adopcję jest fenomenalny wzrost popularności smartfonów, tabletów i komputerów przenośnych. Wczesne i aktywne przyjęcie BLE przez największych graczy branży mobilnej otworzyło drzwi do szerszej implementacji BLE. To z kolei popchnęło producentów półprzewodników do zaangażowania swoich ograniczonych zasobów w technologię, która ich zdaniem miała największe szanse na rozkwit w dłuższej perspektywie.
Podczas gdy rynki urządzeń mobilnych i tabletów stały się coraz bardziej dojrzałe, potrzeba łączności między światem zewnętrznym a tymi urządzeniami ma ogromny potencjał wzrostu. Oferuje on peryferyjnych dostawców wyjątkową okazję do opracowania innowacyjnych urządzeń, które rozwiązują problemy konsumentów może nawet nie zdają sobie sprawy, że mają dzisiaj. Tak wiele korzyści zbiegły się wokół BLE, tworząc okazję dla małych i zwinnych projektantów produktów, aby uzyskać dostęp do potencjalnie ogromnego rynku z zadań specyficznych, kreatywnych i innowacyjnych produktów na stosunkowo skromnym budżecie projektowym. BLE pozwala również tym projektantom na projektowanie już dziś realnych produktów, które mogą rozmawiać z każdą nowoczesną platformą mobilną przy użyciu chipów, narzędzi i standardów, które są łatwo dostępne.
Funkcje
1. Najniższy pobór mocy
Wszystko, od projektu fizycznego po modele użytkowe, zostało zaprojektowane tak, aby utrzymać pobór mocy na minimalnym poziomie. Aby zmniejszyć zużycie energii, urządzenie BLE jest utrzymywane w trybie uśpienia przez większość czasu. Gdy wystąpi zdarzenie, urządzenie budzi się i krótka wiadomość jest przesyłana do bramki, komputera lub smartfona. Maksymalny/szczytowy pobór mocy jest mniejszy niż 15 mA, a średni pobór mocy wynosi około 1 μA. Aktywne zużycie energii jest zredukowane do jednej dziesiątej zużycia energii przez klasyczny Bluetooth. W zastosowaniach o niskim cyklu pracy, bateria guzikowa może zapewnić 5-10 lat niezawodnej pracy.
2. Ekonomiczny i kompatybilny
Aby zapewnić kompatybilność z klasyczną technologią Bluetooth i efektywność kosztową dla małych urządzeń zasilanych bateryjnie, istnieją dwa typy chipsetów:
- Technologia Dual-mode z funkcjonalnością BLE i klasycznego Bluetooth
- Technologia samodzielna BLE zoptymalizowana pod kątem małych urządzeń zasilanych bateryjnie, w których główny nacisk położono na niski koszt i niskie zużycie energii
3. Wytrzymałość, bezpieczeństwo i niezawodność
Technologia BLE wykorzystuje tę samą technologię adaptacyjnej zmiany częstotliwości (AFH), co klasyczna technologia Bluetooth. Umożliwia to BLE osiągnięcie solidnej transmisji w „hałaśliwych” środowiskach RF, które można znaleźć w zastosowaniach domowych, przemysłowych i medycznych. Aby zminimalizować koszty i zużycie energii związane z wykorzystaniem AFH, w technologii BLE zmniejszono liczbę kanałów do 40 kanałów o szerokości 2-MHz zamiast 79 kanałów o szerokości 1-MHz wykorzystywanych w klasycznej technologii Bluetooth.
4. Bezprzewodowa koegzystencja
Technologia Bluetooth, bezprzewodowy LAN, IEEE 802.15.4/ZigBee oraz kilka własnych radiotelefonów wykorzystują wolne od licencji pasmo 2,4GHz Industrial Scientific Medical (ISM). Przy tak wielu technologiach dzielących tę samą przestrzeń radiową, zakłócenia mogą obniżać wydajność sieci bezprzewodowej (tj. zwiększać opóźnienia i zmniejszać przepustowość) ze względu na konieczność korekcji błędów i retransmisji. W wymagających aplikacjach, interferencje mogą być zredukowane poprzez planowanie częstotliwości i specjalną konstrukcję anteny. Ponieważ zarówno klasyczna technologia Bluetooth, jak i technologia BLE wykorzystują AFH, która minimalizuje zakłócenia z innymi technologiami radiowymi, transmisja Bluetooth jest solidna i niezawodna.
5. Zasięg połączenia
Technologia BLE ma nieco inną modulację niż klasyczna technologia Bluetooth. To zróżnicowanie modulacji zapewnia zasięg do 300 metrów przy zastosowaniu chipsetu radiowego o mocy 10 dBm (maksimum dla BLE).
6. Łatwość użycia i integracji
Pikonet BLE opiera się zazwyczaj na urządzeniu nadrzędnym (master) połączonym z wieloma urządzeniami podrzędnymi (slave). Urządzenie jest albo masterem, albo slave, ale nigdy obydwoma. Urządzenie master kontroluje jak często urządzenia slave mogą się komunikować, a urządzenie slave komunikuje się tylko na żądanie urządzenia master. Nową cechą, którą BLE dodaje w porównaniu do klasycznej technologii Bluetooth jest funkcjonalność „reklamy”. Dzięki tej funkcji, urządzenie działające jako slave może ogłosić, że ma coś do przekazania do mastera. Wiadomość reklamowa może również zawierać zdarzenie lub wartość pomiaru.
Dane techniczne
- Przesyłanie danych – BLE obsługuje bardzo krótkie pakiety danych (8 oktetów minimum do 27 oktetów maksimum), które są przesyłane z prędkością 1 Mbps. Wszystkie połączenia wykorzystują zaawansowaną ocenę sniff-sub, aby osiągnąć ultra-niskie cykle pracy w celu utrzymania zużycia energii na minimalnym poziomie.
- Frequency hopping – BLE wykorzystuje AFH wspólną dla wszystkich wersji technologii Bluetooth, aby zminimalizować zakłócenia od innych technologii w paśmie ISM 2,4 GHz. Efektywne korzyści wielościeżkowe zwiększają budżet łącza i efektywny zasięg działania, jak również optymalizują zużycie energii.
- Kontrola hosta – BLE umieszcza znaczną ilość inteligencji w kontrolerze. Dzięki temu host może spać przez dłuższy czas i być budzony przez kontroler tylko wtedy, gdy host musi wykonać jakieś działanie. Pozwala to na największą oszczędność prądu, ponieważ procesor hosta zazwyczaj zużywa więcej energii niż kontroler BLE.
- Latencja – BLE może wspierać zestawianie połączenia i transfer danych w czasie zaledwie 3 ms. Umożliwia to aplikacji nawiązanie połączenia i przesyłanie uwierzytelnionych danych w ciągu zaledwie kilku milisekund dla krótkiej komunikacji przed szybkim zerwaniem połączenia.
- Zasięg – Zwiększony indeks modulacji pozwala na maksymalny zasięg dla BLE wynoszący ponad 100 metrów.
- Odporność – BLE używa silnego 24-bitowego CRC na wszystkich pakietach, aby zapewnić maksymalną odporność na zakłócenia.
- Silne bezpieczeństwo – Pełne szyfrowanie AES-128 przy użyciu CCM zapewnia silne szyfrowanie i uwierzytelnianie pakietów danych, dzięki czemu komunikacja jest bezpieczna.
- Topologia – BLE używa 32-bitowego adresu dostępu na każdym pakiecie dla każdego urządzenia podrzędnego, umożliwiając podłączenie miliardów urządzeń. Technologia jest zoptymalizowana dla połączeń jeden do jednego, jednocześnie umożliwiając połączenia jeden do wielu przy użyciu topologii gwiazdy.
Zastosowania
Z powodu wszechobecności w urządzeniach przenośnych, BLE pozwala na zupełnie nowe zastosowania we wszystkich branżach. Na przykład, rozważ różne sposoby wykorzystania BLE na targach, aby zwiększyć efektywność inwestycji firmy w spotkania z nowymi klientami:
1. Grywalizacja – BLE można wykorzystać do zachęcenia uczestników do zbadania mniej popularnych obszarów stoiska targowego, oferując im specjalne nagrody za odkrycie strategicznie rozmieszczonych beaconów w tych obszarach.
2. Sponsoring – Wykorzystaj beacony do uzyskania dodatkowych przychodów, wysyłając powiadomienia, które zachęcają uczestników do sprawdzenia najbliższego stoiska po przejściu przez określoną strefę na terenie targów. Może to być usługa premium oferowana sponsorom.
3. Mapowanie ciepła – Dzięki dostępowi do statystyk w czasie rzeczywistym, beacony mogą rozpoznawać hotspoty i wysyłać alerty do menedżerów wydarzeń o miejscach, które są przepełnione i bardziej podatne na naruszenia bezpieczeństwa.
4. Dostarczanie treści – Uczestnicy mogą uniknąć długiego oczekiwania na kopię slajdów prezentacji za pośrednictwem poczty elektronicznej. Beacony BLE mogą rozpoznać uczestników sesji i automatycznie dostarczyć slajdy, e-booki i inne materiały w trakcie lub zaraz po zakończeniu sesji.
5. Automatyczna odprawa – Organizatorzy wydarzeń mogą w łatwy sposób zebrać informacje na temat liczby osób uczestniczących w wydarzeniu lub targach oraz przeglądać ich profile w czasie rzeczywistym poprzez ustawienie beaconów symulujących odprawę przy wejściu do miejsca konferencji. Nie wymaga to ręcznej interakcji z użytkownikami. Jeśli użytkownik pobrał aplikację i włączył Bluetooth na swoim urządzeniu mobilnym, aplikacja automatycznie zamelduje się, gdy tylko wejdzie do sali konferencyjnej.
Dojrzały ekosystem jest już dostępny dla rozwoju BLE. Programiści mają dostęp do szerokiej gamy chipów i modułów, które mogą przyspieszyć zarówno rozwój sprzętu, jak i oprogramowania urządzeń z obsługą BLE. Na przykład, Cypress oferuje swój procesor PSoC 4 BLE oparty na rdzeniu ARM Cortex-M0, który integruje analogowe końcówki mocy, cyfrowe układy logiczne, CapSense i radio Bluetooth LE, zapewniając jednoukładowe podejście do BLE. Dla producentów OEM preferujących w pełni zintegrowane moduły, moduł Cypress EZ-BLE PRoC to certyfikowany i programowalny moduł BLE o wymiarach 10×10×1,8 mm, zaprojektowany z myślą o łatwości użycia i skróceniu czasu wprowadzania na rynek, zbudowany na bazie układu PRoC BLE firmy 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