Tehnologia Bluetooth a revoluționat comunicațiile fără fir între dispozitive datorită caracteristicilor sale omniprezente și simple. Aceasta permite dispozitivelor să comunice fără cabluri, menținând în același timp un nivel ridicat de securitate. Datorită consumului redus de energie și a costului scăzut, Bluetooth a jucat un rol esențial în evoluția aplicațiilor, de la dispozitive auto de mare viteză la dispozitive medicale complexe.
Ușurința și acceptarea globală a tehnologiei Bluetooth înseamnă că orice dispozitiv compatibil Bluetooth se poate conecta cu alte dispozitive aflate în imediata apropiere printr-un proces cunoscut sub numele de împerechere. Împerecherea permite dispozitivelor să stabilească o comunicare full duplex prin transmiterea de date și voce prin intermediul unor rețele ad-hoc cu rază scurtă de acțiune, cunoscute sub numele de piconets, care pot conecta până la opt dispozitive. Un dispozitiv servește drept dispozitiv maestru, în timp ce restul dispozitivelor din cadrul rețelei/piconet sunt dispozitive slave. Dispozitivul principal acționează ca un hub, iar dispozitivele slave comunică prin intermediul dispozitivului principal pentru a comunica între ele. O altă caracteristică importantă a tehnologiei Bluetooth este utilizarea saltului de frecvență pentru a reduce impactul interferențelor.
Capacitățile full duplex ale tehnologiei Bluetooth oferă utilizatorilor caracteristici inovatoare, cum ar fi conectarea unui telefon cu un difuzor de muzică Bluetooth, preluarea de apeluri în timp ce se conduce o mașină, conectarea a două laptopuri pentru partajarea fișierelor și conectarea unei console de jocuri cu un controler de jocuri cu Bluetooth, pentru a numi doar câteva cazuri de utilizare.
Bluetooth Low Energy
Bluetooth Low Energy este versiunea inteligentă, cu consum redus de energie, a tehnologiei wireless Bluetooth. Aceasta joacă deja un rol semnificativ în transformarea gadgeturilor inteligente în gadgeturi mai inteligente, făcându-le compacte, accesibile și mai puțin complexe.
Bluetooth Low Energy, comercializat și sub denumirea de Bluetooth Smart, a început ca parte a specificației de bază Bluetooth 4.0. Conceput inițial de Nokia sub numele de Wibree înainte de a fi adoptat de Grupul de interes special Bluetooth (SIG), obiectivul său inițial a fost acela de a oferi un standard radio cu cel mai mic consum de energie posibil, optimizat în mod specific pentru costuri reduse, lățime de bandă redusă, consum redus de energie și complexitate redusă.
Aceste obiective de proiectare sunt evidente prin intermediul specificației de bază, care încearcă să facă din BLE un veritabil standard cu consum redus de energie, conceput pentru a fi implementat efectiv de către producătorii de semiconductori și utilizat în aplicații din lumea reală cu un consum redus de energie și un buget minim. Este deja o tehnologie adoptată pe scară largă, care poate pretinde în mod realist să funcționeze pentru o perioadă de timp îndelungată cu o singură celulă cu fise.
În timp ce BLE este o tehnologie superioară pe merit propriu, ceea ce a determinat rata sa fenomenală de adoptare este faptul că este tehnologia potrivită, cu compromisurile potrivite, la momentul potrivit. Pentru un standard relativ tânăr, numărul de modele de produse care includ deja BLE îl plasează cu mult înaintea altor tehnologii fără fir aflate în același punct al ciclurilor lor de lansare.
Provocările cu care s-a confruntat Bluetooth-ul clasic au fost epuizarea rapidă a bateriei și pierderea frecventă a conexiunii, necesitând împerechere și re-împerechere frecvente. Faptul că a reușit să rezolve cu succes aceste probleme este unul dintre motivele pentru creșterea rapidă a BLE. Un alt factor care stimulează adoptarea este creșterea fenomenală a smartphone-urilor, a tabletelor și a calculatoarelor mobile. Adoptarea timpurie și activă a BLE de către greii industriei mobile a deschis ușile pentru o implementare mai largă a BLE. Acest lucru, la rândul său, i-a împins pe producătorii de semiconductori să își angajeze resursele limitate în tehnologia pe care o considerau ca având cele mai mari șanse de a prospera pe termen lung.
În timp ce piețele de telefoane mobile și tablete au devenit din ce în ce mai mature, nevoia de conectivitate între lumea exterioară și aceste dispozitive are un potențial de creștere uriaș. Aceasta oferă furnizorilor de periferice o oportunitate unică de a dezvolta dispozitive inovatoare care să rezolve probleme pe care consumatorii s-ar putea să nu-și dea seama că le au în prezent. Atât de multe beneficii au convergent în jurul BLE, creând o oportunitate pentru designerii de produse mici și agili de a avea acces la o piață potențial masivă cu produse specifice unei sarcini, creative și inovatoare, cu un buget de proiectare relativ modest. De asemenea, BLE le permite acestor dezvoltatori să proiecteze astăzi produse viabile care pot vorbi cu orice platformă mobilă modernă, folosind cipuri, instrumente și standarde ușor de accesat.
Caracteristici
1. Cel mai mic consum de energie
Toate lucrurile, de la proiectarea fizică până la modelele de utilizare, sunt concepute pentru a menține consumul de energie la un nivel minim. Pentru a reduce consumul de energie, un dispozitiv BLE este menținut în modul sleep în cea mai mare parte a timpului. Atunci când apare un eveniment, dispozitivul se trezește și un mesaj scurt este transferat către un gateway, un PC sau un smartphone. Consumul maxim/de vârf este mai mic de 15 mA, iar consumul mediu de energie este de aproximativ 1 μA. Consumul de energie activă este redus la o zecime din consumul de energie al Bluetooth-ului clasic. În aplicațiile cu ciclu de funcționare redus, o baterie de tip „button cell” ar putea oferi 5-10 ani de funcționare fiabilă.
2. Eficiență din punct de vedere al costurilor și compatibilitate
Pentru a oferi compatibilitate cu tehnologia Bluetooth clasică și eficiență din punct de vedere al costurilor pentru dispozitivele mici care funcționează cu baterii, există două tipuri de chipset-uri:
- Tehnologie dual-mode cu funcționalitate BLE și Bluetooth clasică
- Tehnologie BLE autonomă optimizată pentru dispozitive mici care funcționează cu baterii și care au ca obiectiv principal costul redus și consumul redus de energie
3. Robustețe, securitate și fiabilitate
Tehnologia BLE utilizează aceeași tehnologie de salt de frecvență adaptivă (AFH) ca și tehnologia Bluetooth clasică. Aceasta permite BLE să realizeze o transmisie robustă în mediile RF „zgomotoase” întâlnite în aplicațiile casnice, industriale și medicale. Pentru a minimiza costurile și consumul de energie generate de utilizarea AFH, tehnologia BLE a redus numărul de canale la 40 de canale cu o lățime de 2 MHz în loc de 79 de canale cu o lățime de 1 MHz utilizate cu tehnologia Bluetooth clasică.
4. Coexistența wireless
Tehnologia Bluetooth, Wireless LAN, IEEE 802.15.4/ZigBee și mai multe radiouri proprietare utilizează banda de 2,4 GHz Industrial Scientific Medical (ISM) fără licență. Cu atât de multe tehnologii care împart același spațiu radio, interferențele pot scădea performanțele wireless (de exemplu, creșterea latenței și scăderea debitului) din cauza necesității de corectare a erorilor și de retransmitere. În cazul aplicațiilor solicitante, interferențele pot fi reduse prin planificarea frecvențelor și proiectarea specială a antenelor. Deoarece atât tehnologia Bluetooth clasică, cât și tehnologia BLE utilizează AFH, care minimizează interferențele cu alte tehnologii radio, transmisia Bluetooth este robustă și fiabilă.
5. Domeniul de conectare
Tehnologia BLE are o modulație ușor diferită față de tehnologia Bluetooth clasică. Această diferențiere a modulației oferă o rază de acțiune de până la 300 de metri cu un chipset radio de 10 dBm (maximum BLE).
6. Ușurința de utilizare și integrare
Un piconet BLE se bazează, de obicei, pe un maestru conectat la un număr de sclavi. Un dispozitiv este fie un maestru, fie un sclav, dar niciodată ambele. Maestrul controlează frecvența cu care sclavii au voie să comunice, iar sclavul comunică numai la cererea maestrului. O nouă caracteristică pe care BLE o adaugă față de tehnologia Bluetooth clasică este funcționalitatea de „publicitate”. Cu această caracteristică, un dispozitiv care acționează ca sclav poate anunța că are ceva de transmis către maestru. Un mesaj de anunț poate include, de asemenea, un eveniment sau o valoare de măsurare.
Detalii tehnice
- Transferuri de date – BLE suportă pachete de date foarte scurte (minim 8 octeți până la maxim 27 de octeți) care sunt transferate la 1 Mbps. Toate conexiunile utilizează o clasificare avansată de tip sniff-sub pentru a obține cicluri de funcționare ultra-joase pentru a menține consumul de energie la un nivel minim.
- Frequency hopping – BLE utilizează AFH-ul comun tuturor versiunilor tehnologiei Bluetooth pentru a minimiza interferențele cu alte tehnologii din banda ISM de 2,4 GHz. Beneficiile eficiente de multi-path măresc bugetele de legătură și raza de operare efectivă, precum și optimizează consumul de energie.
- Controlul gazdă – BLE plasează o cantitate semnificativă de inteligență în controler. Acest lucru permite gazdei să doarmă pentru perioade mai lungi de timp și să fie trezită de către controler doar atunci când gazda trebuie să efectueze o anumită acțiune. Acest lucru permite cea mai mare economie de curent, deoarece procesorul gazdă consumă de obicei o putere mai mare decât controlerul BLE.
- Latență – BLE poate suporta configurarea conexiunii și transferul de date în doar 3 ms. Acest lucru permite unei aplicații să stabilească o conexiune și să transfere date autentificate în doar câteva milisecunde pentru o scurtă rafală de comunicare înainte de a rupe rapid conexiunea.
- Range – Un indice de modulație crescut permite o rază maximă pentru BLE de peste 100 de metri.
- Robustețe – BLE utilizează un CRC puternic pe 24 de biți pe toate pachetele pentru a asigura o robustețe maximă împotriva interferențelor.
- Securitate puternică – Criptarea completă AES-128 utilizând CCM asigură o criptare puternică și o autentificare a pachetelor de date, astfel încât comunicațiile să fie sigure.
- Topologie – BLE utilizează o adresă de acces pe 32 de biți pe fiecare pachet pentru fiecare sclav, permițând conectarea a miliarde de dispozitive. Tehnologia este optimizată pentru conexiuni unu-la-unu, permițând în același timp conexiuni unu-la-mulți folosind o topologie în stea.
Aplicații
Datorită implementării sale omniprezente în dispozitivele portabile, BLE permite aplicații complet noi în toate sectoarele. De exemplu, luați în considerare diferitele moduri în care BLE poate fi utilizat la o expoziție comercială pentru a crește eficiența investiției unei companii în întâlnirea cu noi clienți:
1. Gamificare – BLE poate fi folosit pentru a încuraja participanții să exploreze zonele mai puțin populare ale unui stand de expoziție comercială, oferindu-le recompense speciale pentru descoperirea unor balize amplasate strategic în acele zone.
2. Sponsorizări – Folosiți balizele pentru venituri suplimentare prin împingerea de notificări care îi îndeamnă pe participanți să verifice cel mai apropiat stand atunci când trec printr-o anumită zonă din cadrul expoziției comerciale. Acesta poate fi un serviciu premium oferit sponsorilor.
3. Cartografierea căldurii – Cu acces la statistici în timp real, balizele pot recunoaște punctele fierbinți și pot trimite alerte managerilor de evenimente cu privire la locațiile care sunt supraaglomerate și mai predispuse la breșe de securitate.
4. Livrarea de conținut – Participanții pot evita așteptarea îndelungată pentru o copie a diapozitivelor de prezentare prin e-mail. Balizele BLE pot recunoaște participanții la o sesiune și pot livra automat diapozitive, cărți electronice și alte materiale colaterale în timpul sau imediat după sesiune.
5. Check-in automat – Organizatorii de evenimente pot aduna cu ușurință informații despre numărul de persoane care participă la un eveniment sau la o expoziție comercială și pot vizualiza profilurile acestora în timp real prin configurarea unor balize care să simuleze check-in la intrarea în locul de desfășurare a conferinței. Acest lucru nu necesită nicio interacțiune manuală din partea utilizatorilor. Dacă un utilizator a descărcat aplicația și a activat Bluetooth pe dispozitivul său mobil, aplicația va face check-in automat de îndată ce utilizatorul intră în locul de desfășurare a evenimentului.
Există deja un ecosistem matur pentru dezvoltarea BLE. Dezvoltatorii au acces la o gamă largă de cipuri și module care pot accelera atât dezvoltarea hardware, cât și software a dispozitivelor cu BLE. De exemplu, Cypress oferă procesorul PSoC 4 BLE bazat pe nucleul ARM Cortex-M0 care integrează front-end-uri analogice, logică digitală, CapSense și un radio Bluetooth LE pentru o abordare BLE cu un singur cip. Pentru producătorii de echipamente originale care preferă un modul complet integrat, modulul Cypress EZ-BLE PRoC este un modul BLE certificat și programabil de 10×10×1,8 mm, conceput pentru ușurința de utilizare și reducerea timpului de introducere pe piață, construit în jurul cipului PRoC BLE de la 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