Bluetooth-tekniken har revolutionerat den trådlösa kommunikationen mellan enheter med sina allestädes närvarande och enkla egenskaper. Den gör det möjligt för enheter att kommunicera utan kablar samtidigt som höga säkerhetsnivåer upprätthålls. På grund av sin låga effekt och låga kostnad har Bluetooth spelat en central roll i utvecklingen av tillämpningar från höghastighetsbilar till komplexa medicinska apparater.
Den enkla och globalt accepterade Bluetooth-tekniken innebär att alla Bluetooth-aktiverade enheter kan anslutas till andra enheter som befinner sig nära varandra genom en process som kallas parning. Genom parning kan enheterna upprätta en full duplexkommunikation genom att överföra data och röst via ad hoc-nätverk med kort räckvidd, s.k. piconets, som kan koppla samman upp till åtta enheter. En enhet fungerar som master-enhet, medan resten av enheterna i nätverket/piconet är slavenheter. Master-enheten fungerar som en hubb och slavenheterna kommunicerar via master-enheten för att kunna kommunicera med varandra. En annan viktig egenskap hos Bluetooth-tekniken är dess användning av frekvenshopp för att minska effekterna av störningar.
Bluetooth-teknikens full duplex-funktioner ger användarna innovativa funktioner, t.ex. att koppla ihop en telefon med en Bluetooth-musikhögtalare, att ta emot samtal under bilkörning, att koppla ihop två bärbara datorer för fildelning och att koppla ihop en spelkonsol med en Bluetooth-kompatibel spelkontroll, för att nämna några exempel på användningsområden.
Bluetooth Low Energy
Bluetooth Low Energy är den intelligenta, energisnåla versionen av trådlös Bluetooth-teknik. Den spelar redan en viktig roll när det gäller att omvandla smarta prylar till smartare prylar genom att göra dem kompakta, prisvärda och mindre komplexa.
Bluetooth Low Energy, som också marknadsförs som Bluetooth Smart, började som en del av Bluetooth 4.0 Core Specification. Den utformades ursprungligen av Nokia som Wibree innan den antogs av Bluetooth Special Interest Group (SIG), och det ursprungliga fokuset var att tillhandahålla en radiostandard med lägsta möjliga energiförbrukning, särskilt optimerad för låg kostnad, låg bandbredd, låg effekt och låg komplexitet.
Dessa konstruktionsmål framgår tydligt av kärnspecifikationen, som försöker göra BLE till en äkta lågeffektstandard, utformad för att faktiskt kunna implementeras av halvledartillverkare och användas i verkliga tillämpningar med låg energiförbrukning och minimal budget. Det är redan en allmänt antagen teknik som realistiskt sett kan göra anspråk på att fungera under en längre tid med en enda myntcell.
Som BLE är en överlägsen teknik i sig själv, är det som har drivit fram den fenomenala spridningen att det är rätt teknik, med rätt kompromisser, vid rätt tidpunkt. För att vara en relativt ung standard är det antal produktkonstruktioner som redan innehåller BLE en bra bit före andra trådlösa tekniker vid samma tidpunkt i deras lanseringscykler.
De utmaningar som klassisk Bluetooth stod inför var snabb batteridragning och ofta förlorad anslutning, vilket krävde frekvent parning och omparning. Att framgångsrikt kunna lösa dessa problem är en av orsakerna till BLE:s snabba tillväxt. Den fenomenala tillväxten av smarttelefoner, surfplattor och mobila datorer är en ytterligare drivkraft för införandet av BLE. Tidigt och aktivt antagande av BLE av tungviktare inom mobilindustrin öppnade dörrarna för ett bredare genomförande av BLE. Detta har i sin tur fått halvledartillverkarna att satsa sina begränsade resurser på den teknik som de ansåg ha störst sannolikhet att blomstra på lång sikt.
Medan marknaderna för mobiler och surfplattor har blivit alltmer mogna har behovet av uppkoppling mellan omvärlden och dessa enheter en enorm tillväxtpotential. Det ger leverantörer av kringutrustning en unik möjlighet att utveckla innovativa enheter som löser problem som konsumenterna kanske inte ens inser att de har i dag. Så många fördelar har samlats kring BLE, vilket skapar en möjlighet för små och smidiga produktutvecklare att få tillgång till en potentiellt enorm marknad med uppgiftsspecifika, kreativa och innovativa produkter med en relativt blygsam designbudget. BLE gör det också möjligt för dessa utvecklare att i dag utforma livskraftiga produkter som kan kommunicera med alla moderna mobila plattformar med hjälp av chip, verktyg och standarder som är lättillgängliga.
Funktioner
1. Lägsta strömförbrukning
Allt från den fysiska konstruktionen till användningsmodellerna är utformat för att hålla strömförbrukningen på ett minimum. För att minska strömförbrukningen hålls en BLE-enhet i viloläge större delen av tiden. När en händelse inträffar vaknar enheten och ett kort meddelande överförs till en gateway, dator eller smartphone. Maximal/spetsförbrukning är mindre än 15 mA och den genomsnittliga energiförbrukningen är cirka 1 μA. Den aktiva energiförbrukningen är reducerad till en tiondel av energiförbrukningen för klassisk Bluetooth. I tillämpningar med låg driftscykel kan ett knappcellsbatteri ge 5-10 års tillförlitlig drift.
2. Kostnadseffektiv och kompatibel
För att erbjuda kompatibilitet med klassisk Bluetooth-teknik och kostnadseffektivitet för små batteridrivna enheter finns det två chipset-typer:
- Dual-mode-teknik med både BLE- och klassisk Bluetooth-funktionalitet
- Stand-alone BLE-teknik som är optimerad för små batteridrivna enheter med låg kostnad och låg energiförbrukning som fokus
3. Robusthet, säkerhet och tillförlitlighet
BLE-tekniken använder samma adaptiva frekvenshoppningsteknik (AFH) som den klassiska Bluetooth-tekniken. Detta gör det möjligt för BLE att uppnå robust överföring i de ”bullriga” RF-miljöer som finns i hemmet, industrin och medicinska tillämpningar. För att minimera kostnaden och energiförbrukningen för att använda AFH har BLE-tekniken minskat antalet kanaler till 40 2 MHz breda kanaler i stället för de 79 1 MHz breda kanaler som används med den klassiska Bluetooth-tekniken.
4. Trådlös samexistens
Bluetooth-teknik, trådlöst LAN, IEEE 802.15.4/ZigBee och flera egenutvecklade radioapparater använder det licensfria ISM-bandet (Industrial Scientific Medical) på 2,4 GHz. Med så många tekniker som delar samma radioutrymme kan störningar försämra den trådlösa prestandan (dvs. ökad latenstid och minskad genomströmning) på grund av behovet av felkorrigering och återutsändning. I krävande tillämpningar kan störningar minskas genom frekvensplanering och särskild antennkonstruktion. Eftersom både den klassiska Bluetooth-tekniken och BLE-tekniken använder AFH, vilket minimerar störningar med annan radioteknik, är Bluetooth-överföringen robust och tillförlitlig.
5. Anslutningsräckvidd
BLE-teknik har en något annorlunda modulering än klassisk Bluetooth-teknik. Denna moduleringsdifferentiering ger en räckvidd på upp till 300 meter med ett radiochipset på 10 dBm (BLE maximalt).
6. Användarvänlighet och integration
Ett BLE-pikonät bygger vanligtvis på en master som är ansluten till ett antal slavar. En enhet är antingen en master eller en slav, men aldrig både och. Mästaren styr hur ofta slavarna får kommunicera, och slaven kommunicerar endast på begäran av mästaren. En ny funktion som BLE tillför jämfört med den klassiska Bluetooth-tekniken är ”reklamfunktionalitet”. Med denna funktion kan en enhet som fungerar som slav meddela att den har något att sända till huvudmannen. Ett annonseringsmeddelande kan också innehålla en händelse eller ett mätvärde.
Tekniska detaljer
- Dataöverföringar – BLE stöder mycket korta datapaket (minst 8 oktetter upp till högst 27 oktetter) som överförs med 1 Mbps. Alla anslutningar använder avancerad sniff-sub-klassificering för att uppnå extremt låga arbetscykler för att hålla energiförbrukningen på ett minimum.
- Frekvenshoppning – BLE använder AFH som är gemensamt för alla versioner av Bluetooth-tekniken för att minimera störningar från annan teknik i ISM-bandet 2,4 GHz. Effektiva flervägsfördelar ökar länkbudgetarna och den effektiva räckvidden samt optimerar energiförbrukningen.
- Hoststyrning – BLE placerar en betydande mängd intelligens i styrenheten. Detta gör det möjligt för värddatorn att sova under längre perioder och väckas av styrenheten endast när värddatorn behöver utföra någon åtgärd. Detta möjliggör de största strömbesparingarna eftersom värdprocessorn vanligtvis förbrukar mer ström än BLE-kontrollen.
- Latenstid – BLE kan stödja anslutningsuppbyggnad och dataöverföring på så kort tid som 3 ms. Detta gör det möjligt för en applikation att upprätta en anslutning och överföra autentiserade data på bara några få millisekunder för en kort kommunikationsstöt innan anslutningen snabbt bryts.
- Räckvidd – Ett ökat modulationsindex möjliggör en maximal räckvidd för BLE på över 100 meter.
- Robusthet – BLE använder en stark 24-bitars CRC på alla paket för att säkerställa maximal robusthet mot störningar.
- Stark säkerhet – Full AES-128-kryptering med hjälp av CCM ger stark kryptering och autentisering av datapaket så att kommunikationen är säker.
- Topologi – BLE använder en 32-bitars åtkomstadress på varje paket för varje slav, vilket möjliggör anslutning av miljarder enheter. Tekniken är optimerad för en-till-en-anslutningar samtidigt som den tillåter en-till-många-anslutningar med hjälp av en stjärntopologi.
Användningsområden
På grund av sin allestädes närvarande användning i bärbara enheter möjliggör BLE helt nya tillämpningar i alla branscher. Tänk till exempel på de olika sätt som BLE kan användas på en mässa för att öka effektiviteten i ett företags investeringar för att träffa nya kunder:
1. Gamification – BLE kan användas för att uppmuntra deltagarna att utforska mindre populära områden i en mässmonter genom att erbjuda dem särskilda belöningar för att upptäcka strategiskt placerade fyrar i dessa områden.
2. Sponsring – Utnyttja fyrar för att få ytterligare intäkter genom att skicka meddelanden som uppmanar deltagarna att kolla in den närmaste montern när de passerar en viss zon på mässområdet. Detta kan vara en premiumtjänst som erbjuds sponsorer.
3. Värme kartläggning – Med tillgång till statistik i realtid kan fyrar känna igen hotspots och skicka varningar till evenemangsansvariga om platser som är överfulla och mer benägna att drabbas av säkerhetsöverträdelser.
4. Innehållsleverans – Deltagarna kan slippa den långa väntan på en kopia av presentationsbilderna via e-post. BLE-beacons kan känna igen deltagare vid en session och automatiskt leverera diabilder, e-böcker och annat material under eller omedelbart efter sessionen.
5. Automatisk incheckning – Evenemangsarrangörer kan enkelt samla in information om antalet personer som deltar i ett evenemang eller en mässa och se deras profiler i realtid genom att sätta upp beacons för att simulera incheckning vid ingången till konferenslokalen. Detta kräver ingen manuell interaktion från användarna. Om en användare har laddat ner appen och aktiverat Bluetooth på sin mobila enhet kommer appen att automatiskt checka in så snart användaren går in i lokalen.
Det finns redan ett moget ekosystem för BLE-utveckling. Utvecklare har tillgång till ett brett utbud av chip och moduler som kan påskynda både hårdvaru- och mjukvaruutvecklingen av BLE-aktiverade enheter. Cypress erbjuder till exempel sin PSoC 4 BLE-processor baserad på ARM Cortex-M0-kärnan som integrerar analoga frontenheter, digital logik, CapSense och en Bluetooth LE-radio för att få ett enda chip för BLE. För OEM-företag som föredrar en helt integrerad modul är Cypress EZ-BLE PRoC-modulen en 10×10×1,8 mm certifierad och programmerbar BLE-modul som är utformad för enkel användning och kortare tid till marknaden och som är byggd på Cypress 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