Ewolucja Bluetootha

Bezprzewodowe rozwiązania – część 2.

Ponad tysiąc lat temu, król Harald Gormsson był znany za sprawą dwóch rzeczy. Zjednoczył Danię i Norwegię w 958 roku oraz miał jeden martwy ząb o szaro-niebieskim kolorze. Przeskoczmy w czasie do roku 1996, kiedy to trzech liderów przemysłowych, Intel, Ericsson i Nokia spotkali się by zaplanować standaryzację nowej technologii komunikacji radiowej krótkiego zasięgu. Podczas tego spotkania, Jim Kardash z Intela zaproponował „Bluetooth” jako tymczasową nazwę kodową. Później zacytowano jego słowa, gdy mówił „Król Harald Bluetooth… był znany ze względu na zjednoczenie Skandynawii, podobnie jak my zamierzamy zjednoczyć przemysł komputerowy i komórkowy za pomocą bezprzewodowego połączenia krótkiego zasięgu”.

Teraz już wiemy, że tymczasowa nazwa przemieniła się w stałą, a Bluetooth i jego odmiany są synonimami technologii bezprzewodowej komunikacji na niedużą odległość. Bluetooth został zaimplementowany jak dotąd w ponad 8,2 miliardach produktów, wytworzonych przez ponad 30 tysięcy członków grupy Bluetooth SIG. Stanowi niewymagającą dużej ilości mocy technologię łączności, wykorzystywaną do strumieniowania dźwięku, przesyłania danych i rozgłaszania informacji pomiędzy urządzeniami. Obecnie Bluetooth pojawia się głównie w dwóch odmianach: Basic Rate/Enhanced Data Rate (BR/EDR) i Low Energy (LE).

Obecna hierarchia w standardzie Bluetooth

Po rozwoju poprzez wiele kolejnych wersji, Bluetooth wyewoluował do dwóch postaci: Basic Rate/Enhanced Data Rate (BR/EDR) i Low Energy (LE).

Bluetooth BR/EDR pozwala na utrzymywanie ciągłego połączenia i pracuje w oparciu o topologię sieci punkt-punkt (P2P – point to point), łącząc ze sobą urządzenia jedno-do-jednego (1:1). BR/EDR jest powszechnie wykorzystywane w bezprzewodowych głośnikach, zestawach słuchawkowych oraz głośnomówiących w samochodach.

Bluetooth Low Energy (LE) pozwala na krótkotrwałe połączenia bezprzewodowe i może bazować na wielu różnych topologiach sieciowych, wliczając w to sieci punkt-punkt (P2P), mesh oraz pozwala rozgłaszać komunikaty.

Połączenia P2P są używane w celu zapewniani komunikacji bezpośrednio pomiędzy dwoma urządzeniami (1:1). To idealna topologia do transferowania danych, użyteczna m.in. w nowoczesnych urządzeniach do monitorowania zdrowia i parametrów treningu sportowego. Rozgłaszanie jest wykorzystywane w przypadku sieci, gdzie jedno urządzenie może połączyć się bezpośrednio z wieloma innymi (1:wielu). Optymalizuje dzielenie się informacjami w obrębie sieci lokalnej i idealnie sprawdza się w rozwiązaniach takich jak udostępnianie wiedzy na temat mijanego punku czy atrakcji, lub znajdowanie obiektów, a nawet określanie pozycji.

Topologia typu mesh, określana w języku polskim często mianem kraty, pozwala na komunikację wielu urządzeń z wieloma innymi (wiele:wielu). Bluetooth LE w topologii mesh umożliwia tworzenie sieci urządzeń w dużej skali, idealnie dopasowanej do potrzeb automatyki budynkowej, instalacji czujnikowych, śledzenia zasobów i wszelkich rozwiązań, gdzie wiele urządzeń musi niezawodnie i bezpiecznie wymieniać dane ze sobą.

Spośród tych dwóch standardów, LE jest szczególnie ważne dla producentów i projektantów, którzy chcieliby zbudować własne czujniki na potrzeby Internetu Rzeczy i korzystające z protokołu Bluetooth. To dlatego, że Bluetooth LE cechuje się niewielkim poborem mocy, co ma kluczowe znaczenie dla inteligentnych czujników, zasilanych za pomocą baterii lub zbierających energię z otoczenia.

Ewolucja Bluetootha

Standard Bluetooth ewoluował poprzez wersje 1.0, 1.2, 2.0, 2.1, 3.0, 4.0, 4.1 i 4.2, a obecnie dostępna jest już wersja 5.

W dokumencie „Bluetooth Report” opisano w jaki sposób organizacja Bluetooth Special Interest Group (SIG) zarządzała procesem ewolucji poprzez te etapy. Raport wskazuje, jak w wersji 2.0 zlikwidowano problem interferencji radiowych dzięki zastosowaniu techniki przeskakiwania pomiędzy kanałami oraz wprowadzono zabezpieczenia przed niepowołanym odczytywaniem przesyłanych danych i śledzeniem.

Bluetooth 2.0 wprowadzał również usprawnienia względem wersji 1.2 poprzez zwiększenie szybkości połączenia oraz zmniejszenie poboru mocy. Wersja 2.1, opublikowana w 2007 roku, jeszcze bardziej zwiększyła bezpieczeństwo transmisji, dalej redukując przy tym pobór mocy oraz dodatkowo umożliwiła łatwiejsze parowanie ze sobą urządzeń, bez potrzeby stosowania jakiegokolwiek kodu PIN. W 2009 roku pojawił się standard Bluetooth 3.0, który wprowadził możliwość łączności z udziałem Wi-Fi, zapewniając przy tym większą przepustowość transmisji danych. W końcu pojawiła się wersja 4.0, która zrewolucjonizowała Bluetooth, gdyż wprowadziła odmianę Low Energy i związane z nią funkcje. To dzięki zaimplementowanym wtedy cechom Bluetooth LE, w odróżnieniu od poprzednich wersji Bluetootha, zaczął on nadawać się do stosowania w różnorodnych rodzajach czujników IoT, wliczając w to zdalnie rozmieszczone urządzenia, zasilane niewielkimi bateriami, lub zbierające energię z otoczenia. Wszystkie te nowe możliwości zostały opisane poniżej.

Platforma Bluetooth 4.0 LE

Bluetooth 4.0 LE, nazywany też obecnie mianem „Bluetooth Smart”, rozwiązuje dwa kluczowe problemy, z jakimi mierzyli się użytkownicy. Nie tylko ogranicza szybkość wyczerpywania baterii, o czym wspomnieliśmy już wcześniej, ale też likwiduje konieczność ciągłego parowania ze sobą, połączonych już raz urządzeń. Nowa generacja technologii Bluetooth kładzie mniejszy nacisk na podtrzymywanie stałego strumienia informacji. Zamiast tego koncentruje się na wysyłaniu mniejszych porcji danych, kiedy jest to potrzebne, a następnie przełącza połączenie w tryb uśpienia na czas, gdy nie jest ono używane.

Wskutek tego Bluetooth 4.0 pozwala producentom urządzeń zastąpić własnościowe technologie komunikacji pomiędzy sensorami na rzecz Bluetootha. Oznacza to przykładowo, że krokomierz lub glukometr, który dotąd mógł komunikować się tylko z określoną inteligentną opaską lub kontrolerem, po zaimplementowaniu interfejsu Bluetooth 4.0 będzie mógł od razu, bezpośrednio łączyć się z dowolnym telefonem czy komputerem obsługującym Bluetooth.

Gdy dwa urządzenia obsługujące Bluetooth 4.0 są ze sobą parowane, marnują mniej energii, ponieważ połączenie pomiędzy nimi jest zawieszane aż do momentu, gdy zachodzi konieczność wymiany istotnych informacji. Tymczasem w przypadku poprzedniej generacji Bluetootha, najlepszym sposobem użytkowania było wyłączanie urządzeń gdy nie są potrzebne. Obecnie Bluetooth SIG ocenia, że wiele urządzeń z interfejsem w wersji 4.0 będzie mogło pracować przez mniej więcej rok do dwóch lat na zasilaniu bateryjnym.

Bluetooth Smart obejmuje zarówno urządzenia Bluetooth Smart Ready, jak i Bluetooth Smart. Określenie Bluetooth Smart Ready odnosi się do smartfonów, notebooków i komputerów PC, które mogą otrzymywać sygnały z sensorów Bluetooth i przetwarzać zdobyte dane, lub przekazywać je dalej przez Wi-Fi czy Ethernet, choćby do Internetu i serwerów pracujących w chmurze. Urządzenia Bluetooth Smart to natomiast sensory i aktuatory, zbierające lub otrzymujące dane i rozlokowane w terenie. Mogą pozostać uśpione przez dłuższy czas, będąc cały czas sparowane z urządzeniami Smart Ready. Można je błyskawicznie wybudzić, by zaczęły transmitować dane, jeśli tylko np. zmieni się wartość monitorowanej zmiennej.

Telefony i komputery Smart Ready są wstecznie kompatybilne z poprzednią generacją urządzeń bluetoothowych, ale nowoczesne urządzenia Bluetooth Smart mogą pracować tylko i wyłącznie z kontrolerami Smart Ready.

Bluetooth Smart logo

Ilustracja 1: Logo Bluetooth Smart. Źródło: Wikimedia Commons

Projektowanie pod kątem BLE

Firma Silicon Labs opracowała szczegółowy dokument pod tytułem „Projektowanie dla Bluetooth Low Energy” (Designing for Bluetooth Low Energy). Po opisaniu fragmentów tego swoistego podręcznika, opiszemy usprawnienia wprowadzone w wersjach 4.1, 4.2 i 5.0 protokołu Bluetooth.

Podsumowanie zalet BLE

Oprócz tego, że BLE (Bluetooth Low Energy) jest protokołem umożliwiającym projektowanie urządzeń o bardzo małym poborze mocy, ma też następujące zalety:

  • Niski koszt.
  • Niezawodna i odporna na zakłócenia transmisja, korzystająca z adaptacyjnego zmieniania częstotliwości (AFH – Adaptive Frequency Hopping), mechanizmu retransmisji i sum kontrolnych CRC (Cyclic Redundancy Check).
  • Bezpieczeństwo: parowanie, łączenie i prywatność oraz ochrona przed atakami typu Man-In-The-Middle i szyfrowanie AES-128.
  • Szybkie prototypowanie:
    • Standardised profiles to cover key uses (Heart rate, proximity, glucose etc)
    • Profile mogą być opracowywane jako aplikacje, co ułatwia ich wdrażanie.
    • Możliwość tworzenia własnych profili, bez potrzeby czekania aż Bluetooth SIG je zestandaryzuje, czy aż twórcy systemów operacyjnych przygotują się do ich obsługi.
  • Zgodność z szerokim wyborem urządzeń: standard jest obsługiwany w ramach najbardziej popularnych systemów operacyjnych, włączając w to iOS, Android (od wersji 4.3), Windows 8 i Windows 10 oraz OSX i Linux.

Architektura Bluetooth Low Energy

Bluetooth Low Energy architecture

Ilustracja 2: Architektura Bluetooth Low Energy. Źródło: Silicon Labs

Komponentami architektury Bluetooth Low Energy są:

  • Warstwa fizyczna: kontroluję transmisję i odbiór danych za pomocą fal radiowych.
  • Warstwa łącza danych: definiuje strukturę pakietów, obsługuje maszynę stanów i sterowanie interfejsem radiowym oraz zapewnia szyfrowanie na poziomie łącza.

Obie te warstwy są często implementowane w kontrolerze, podczas gdy za pozostałe warstwy odpowiada główny mikrokontroler urządzenia. Komunikację pomiędzy tymi dwoma podzespołami standaryzuje interfejs HCI (Host-To-Controller).

Przegląd warstw obsługiwanych przez kontroler

L2CAP (Logical Link Control and Adaption Protocol – protokół kontroli logicznej i adaptacji łącza) pracuje jako multiplekser i odpowiada za segmentację i ponowne łączenie pakietów. Obsługuje również kanały logiczne, które następnie są multipleksowane poprzez jedno lub dwa łącza logiczne. Większość projektantów aplikacji nie musi się martwić szczegółami interakcji z warstwą L2CAP, gdyż jest ona obsłużona w ramach stosów protokołu Bluetooth.

ATT (Attribute Protocol – protokół atrybutu) stanowi sposób na przesyłanie danych pomiędzy urządzeniami Bluetooth.

GATT (Generic Attribute Profile – generyczny profil atrybutu) jest wykorzystywany do grupowania pojedynczych atrybutów w logiczne usługi. Przykładem jest usługa Heart Rate Service, która pozwala kontrolować pracę czujnika tętna. Dodatkowo, oprócz możliwości przesyłania samych danych, GATT dostarcza również informacji na temat atrybutów, określając m.in. w jaki sposób można się do nich dostać oraz jaki poziom bezpieczeństwa jest wymagany.

GAP Generic Access Protocol – generyczny protokół dostępu) pozwala urządzeniom BLE rozgłaszać informacje na swój temat, wykrywać urządzenia w okolicy oraz rozpoczynać i zarządzać połączeniami a także rozgłaszać inne dane.

SM (Security Manager – menedżer bezpieczeństwa) – pozwala na łączenie ze sobą urządzeń, szyfrowanie i deszyfrowanie danych oraz zapewnia prywatność.

Warstwy: fizyczna i łącza

Warstwa fizyczna pracuje na częstotliwości 2,4 GHz w paśmie ISM (Industrial, Scientific, Medical), które nie wymaga ponoszenia opłat licencyjnych w większości państw. Specyfikacja BLE definiuje 40 kanałów radiowych, rozmieszczonych co 2 MHz. Trzy z tych 40 kanałów (oznaczone na ilustracji na zielono) służą rozgłaszaniu informacji na temat dostępnych usług, dzięki czemu można wykrywać urządzenia, nawiązywać połączenia i rozgłaszać inne dane. Częstotliwości tych kanałów zostały wybrane tak, by zminimalizować interferencje z 1. 6. i 11. kanałem standardu IEEE 802.11, często wykorzystywanymi w wielu krajach.

Bluetooth low energy channels and frequencies

Ilustracja 3: Kanały i częstotliwości Bluetooth Low Energy. Źródło: Silicon Labs

Warstwa łącza Bluetooth zapewnia podstawowy poziom kontroli nad przesyłem i strukturą danych ponad poziomem fizycznym. Obsługuje:

  • maszynę stanów Bluetooth Low Energy,
  • formaty pakietów danych i rozgłaszania informacji na temat dostępnych usług,
  • inne operacje związane z warstwą łącza,
  • połączenia, zarządzanie czasem przesyłu pakietów, retransmisję,
  • mechanizmy bezpieczeństwa warstwy łącza.

Twórcy aplikacji nie muszą rozumieć szczegółów powyższych mechanizmów, ale niektóre kluczowe, zaimplementowane koncepcje wpływają na to, jak należy projektować aplikacje oraz jak będą działać urządzenia. Zostały one podsumowane poniżej.

Podstawowe zadania warstwy łącza to:

  • rozgłaszanie informacji o urządzeniu,
  • skanowanie,
  • nawiązywanie połączenia.

Rozgłaszanie informacji o urządzeniu to podstawowe zadanie, dzięki któremu inne urządzenia w okolicy są w stanie wykryć to rozgłaszające i nawiązać połączenia. Opcjonalnie można też w ten sposób przesyłać informacje o dostępnych usługach, nazwę urządzenia, czy choćby moc nadawanego sygnału. Aktywność tę uzupełnia skanowanie, w trakcie którego skaner nasłuchuje pakietów rozgłoszeniowych z innych urządzeń, chcących być wykrytymi, próbujących nawiązać połączenie, lub po prostu przesyłających jakieś informacje. Obsługiwane jest zarówno pasywne (przechodzenie przez kolejne kanały rozgłoszeniowe i nasłuchiwanie), jak i aktywne skanowanie (nasłuchiwanie i wysyłanie żądań po dalsze informacje).

Nawiązanie połączenia pozwala na niezawodne i odporne na zakłócenia przesyłanie danych. Bluetooth Low Energy korzysta z sum kontrolnych (CRC), potwierdzeń i obsługuje mechanizm retransmisji utraconych danych, by mieć pewność, że wszystkie informacje poprawnie docierają do odbiorcy. Ponadto Bluetooth Low Energy korzysta z mechanizmu Adaptive Frequency Hopping (AFH), który pozwala monitorować warunki panujące w „eterze” w otoczeniu i w razie czego zmienia kanał, na którym prowadzona jest transmisja. Oprócz tego połączenia są także szyfrowane, by zapewnić poufność transmitowanych informacji.

Profile

Profile to definicje możliwych zastosowań, które określają także w jaki sposób poszczególne urządzenia bluetoothowe łączą się z innymi. Profile bazują na podstawowych definicjach protokołu Bluetooth, by bardziej szczegółowo zdefiniować, jaki rodzaj danych będzie przesyłać konkretne urządzenie. To w zależności od aplikacji, w jakiej zastosowany został moduł, dobiera się obsługiwane profile. Wśród nich znaleźć można np. służące do budowy zestawów głośnomówiących, pulsometrów, alarmów i innych.

Profil Bluetooth to tak naprawdę specyfikacja interfejsu. Definiuje jakie dane posiada urządzenie, co inne urządzenia mogą zrobić z tymi danymi poprzez połączenie Bluetooth i jak dane urządzenie będzie odpowiadać na połączenia i działania ze strony innych urządzeń.

W przypadku Bluetootha LE, projektanci mogą wybierać spośród szerokiego zestawu już przygotowanych profili, lub skorzystać z protokołu GATT do tworzenia nowych. Ta elastyczność ułatwia tworzenie nowych, innowacyjnych aplikacji, przy jednoczesnym zachowaniu kompatybilności z innymi urządzeniami, zgodnymi z Bluetooth.

Więcej szczegółowych informacji na temat poszczególnych profili można znaleźć na stronie internetowej Bluetootha.

Ulepszenia w najnowszych wersjach Bluetooth LE

Firma Silicon Labs opublikowała post, w którym opisuje ewolucję standardu Bluetooth, począwszy od wersji 4.0 przez 4.1 i 4.2, aż do 5. Poniżej znajdują się najciekawsze fragmenty tamtej publikacji.

Bluetooth 4.1 wprowadził trzy główne ulepszenia względem wersji 4.0:

  • brak zakłócania się czy interferencji z sieciami 4G,
  • lepsze zarządzanie poborem mocy poprzez parowanie, które umożliwia automatyczne włączanie i wyłączanie urządzeń,
  • urządzenia mogą jednocześnie pracować jako krańcowe węzły sieci, jak i koncentratory/kontrolery, dzięki czemu różnorodne peryferia mogą się niezależnie komunikować ze sobą.

Bluetooth 4.2 został zaprezentowany w 2014 roku z myślą o urządzeniach IoT nowej generacji. Obejmuje on:

  • usprawnioną łączność z Internetem i polepszone bezpieczeństwo,
  • wielkość pakietów została zwiększona niemal 10-krotnie względem wersji 4.1,
  • szybkość komunikacji została zwiększona 2,5-krotnie.

Ostatnie dwa usprawnienia sprawiają, że komunikacja pomiędzy urządzeniami, jak i z Internetem będzie bardziej efektywna i pozwoli na częstsze aktualizowanie firmware’u, szybsze przesyłanie zebranych danych do smartfona, chmury czy zdalnych serwerów.

Bluetooth 5.0 dalej zwiększa dostępną przepustowość oraz zmniejsza opóźnienia transmisji, a także wydłuża zasięg i pozwala na bardziej elastyczne korzystanie z protokołu IP czy stosowanie topologii kraty. Warto zwrócić szczególną uwagę na następujące nowości:

  • Nawe dwukrotne zwiększenie przepustowości względem Bluetootha 4.2:
    • przepustowość zwiększona do 2 Mb/s;
    • możliwość szybkiej i niezawodnej aktualizacji firmware’u oraz szybkiego przesyłania danych zebranych przez czujnik w ciągu nawet kilku dni, gdy tylko włączone zostanie urządzenie kontrolujące jego pracę.
  • Nawet czterokrotne zwiększenie zasięgu względem Bluetootha 4.2:
    • nowa wersja wprowadza możliwość nawet 4-krotnego zwiększenia zasięgu przy zachowaniu dotychczasowego poboru mocy, co da się uzyskać dzięki zmniejszeniu żądanej szybkości transmisji. Oznacza to, że teoretyczny zasięg pracy Bluetootha 5.0 sięga 300 m i więcej (w odpowiednich warunkach);
    • większy zasięg pozwala łatwo komunikować się urządzeniom rozlokowanym na terenie całego mieszkania, domu, czy nawet większego budynku;
    • projektanci mogą samodzielnie zdecydować, czy chcą zwiększyć zasięg, szybkość transmisji lub ograniczyć pobór mocy kosztem pozostałych z tych czynników.
  • Nawet 8-krotne zwiększenie możliwości rozgłaszania wiadomości względem Bluetootha 4.2 oraz zmniejszenie obciążenia trzech kanałów służących do rozgłaszania, poprzez umożliwienie korzystania w tym celu nawet z 37 kanałów. Zmniejszenie czasu potrzebnego na wykonanie zadania związanego z rozgłaszaniem informacji sprawi, że możliwe stanie się tworzenie bogatszych, bezpołączeniowych rozwiązań, takich jak np. śledzenie zasobów.
  • Wykrywanie i zapobieganie interferencjom pomiędzy urządzeniami pracującymi w paśmie ISM 2,4 GHz i sąsiadującymi pasmami LTE.
  • Obsługa pracy w sieciach o topologii kraty (mesh): funkcja mająca szczególne znaczenie dla aplikacji IoT. W sieci tego typu wszystkie urządzenia mogą się bezpośrednio, wzajemnie ze sobą komunikować, zamiast zawsze przesyłać dane poprzez centralny hub. Dzięki temu obszar pokryty taką siecią może mieć praktycznie nieograniczony rozmiar. Możliwe staje się wykonywanie aplikacji działających np. na terenie zakładów fabrycznych, w których pracują setki połączonych ze sobą czujników.

Produkty do rozwijania i testowania urządzeń z Bluetoothem

Farnell oferuje szeroki wybór zestawów deweloperskich i modułów bluetoothowych, pochodzących od różnych producentów półprzewodników. W ramach oferty dostępne są zestawy różniące się mocno mocą obliczeniową, możliwościami komunikacji oraz dostępnymi wejściami i wyjściami, ale wszystkie z nich mają pomóc projektantom zaimplementować obsługę interfejsu Bluetooth w ich produktach. Poniżej prezentujemy kilka przykładów:

Przykład #1: Moduł ewaluacyjny Bluetooth LE dla projektantów

Texas Instruments oferuje zestaw z modułami opartymi o układ CC2541, które można wykorzystać jako referencyjne płytki prototypowe. CC2541 na którym bazuje to scalak typu SoC (System on Chip), który pozwala na tworzenie niezawodnych węzłów sieciowych, przy minimalizacji kosztów użytych komponentów. Ma wbudowany transceiver radiowy, ulepszony rdzeń mikrokontrolera 8051, programowalną pamięć Flash, 8 kB pamięci RAM i inne pomocne funkcje oraz peryferia. Świetnie nadaje się do systemów, w których ultra-niski pobór mocy jest priorytetem.

Na zestaw składają się dwa moduły ewaluacyjne z CC2541. Jeden jest prekonfigurowany jako urządzenie centralne, a drugi jako peryferyjne. Całość została pomyślana jako uzupełnienie zestawu CC2540, który zapewnia kompletne środowisko sprzętowe do testowania wydajności oraz platformę programistyczną dla tworzenia aplikacji Bluetooth Low Energy.

Przykład #2: Moduł Bluetooth Low Energy ze zintegrowaną anteną

Silicon Labs BLE112-A-V1 to moduł Bluetooth Smart ze zintegrowaną anteną i oprogramowaniem w wersji 1.0, przeznaczony do tworzenia czujników i innych akcesoriów o małym poborze mocy. Ma wszystkie cechy potrzebne do przygotowania aplikacji Bluetooth Smart, wliczając w to układy radiowe, stos protokołów i profile bazujące na GATT. Moduł BLE112 może również pracować jako główny mikrokontroler w urządzeniu, co oznacza że nie ma potrzeby stosowania dodatkowych MCU. Ma to niebagatelne znaczenie w przypadku urządzeń, w których ograniczone są dopuszczalne rozmiary, lub koszt komponentów.

Omawiany zestaw ma sprzętowe interfejsy, które można elastycznie dostosowywać do różnych peryferiów i sensorów oraz może być zasilany bezpośrednio ze standardowej baterii pastylkowej o napięciu 3 V, lub dwóch baterii AAA. W trybie najgłębszego uśpienia pobiera jedynie 500 nA prądu i może zostać wybudzony w ciągu zaledwie kilkuset mikrosekund. Jest przeznaczony do opracowywania aplikacji związanych z bezprzewodową transmisją danych, sieciami i komunikacją, czujnikami i instrumentami pomiarowymi, elektroniką konsumencką oraz medycyną czy systemami bezpieczeństwa.

Silicon Labs Bluetooth low energy module with integrated chip antenna

Ilustracja 4: Moduł Silicon Labs Bluetooth Low Energy ze zintegrowaną anteną

Przykład #3: Konfiguracja wibracyjnej reakcji z użyciem BLE i iOS

Istnieje wiele urządzeń, w których można z powodzeniem zaimplementować sygnalizowanie zdarzeń za pomocą wibracji. Jako przykłady mogą posłużyć zegarki, urządzenia do monitorowania wysiłku fizycznego, inne urządzenia noszone na ciele, przenośne urządzenia medyczne, interfejsy człowiek-maszyna itd. Wibracje zazwyczaj wytwarza się albo za pomocą silniczka z obracającą się, ekscentrycznie rozmieszczoną masą, lub poprzez liniowy aktuator rezonansowy (LRA - Linear Resonant Actuator).

Farnell oferuje projekt referencyjny, który pozwala na prototypowanie tego typu aplikacji. Na płytce znajduje się zarówno silniczek, jak i moduł LRA, ich kontroler, a całość dostarczana jest z licencją na bibliotekę efektów, opracowaną przez firmę Immersion. Zestaw można zaprogramować i wysterować tak, by tworzyć efekty i powiadomienia za pomocą aplikacji pracującej w systemie iOS, poprzez mikrokontroler SimpleLink Bluetooth Low Energy (BLE) CC2541.

Wśród innych funkcji aplikacji warto wyróżnić możliwość wysyłania komend przez interfejs I2C oraz konfiguracji płytki tak, by reagowała na zdarzenia przychodzące przez GPIO.

Przykład #4: Moduł ewaluacyjny na potrzeby aplikacji czujnikowych, nawigacji, pozycjonowania oraz 3-osiowych akcelerometrów, magnetometrów i żyroskopów

FRDM-FXS-MULT2-B to płytka rozszerzeniowa do zestawu Freedom, pozwalająca na realizację algorytmów fuzji danych z sensorów, z wykorzystaniem układów: MMA8652FC (3-osiowy akcelerometr), FXLS8471Q (3-osiowy akcelerometr), MAG3110 (3-osiowy magnetometr), FXAS21002C (3-osiowy żyroskop), MPL3115A2 (czujnik ciśnienia) i FXOS8700CQ (3-osiowy akcelerometr) oraz obsługująca 3-osiowy magnetometr i platformę czujnikową MMA9553L.

Płytka pozwala na realizację 12-osiowego monitorowania ruchu lub pozycji, bezprzewodową komunikację poprzez interfejs Bluetooth i obsługuje kompatybilną aplikację na Androida – Sensor Fusion Toolbox. Jest także wspierana przez środowisko Intelligent Sensing Framework (ISF).

Została zaprojektowana z myślą o aplikacjach przemysłowych oraz pomiarowych.

Uwaga dla integratorów: wybierając komponenty takie jak CC2541, warto zwrócić uwagę na interfejs I2C. Ułatwi to łączenie ich z większymi systemami, gdyż przeważająca część procesorów obsługuje I2C. Alternatywą jest użycie portów USB, ale zazwyczaj wiąże się to z większym kosztem i zajmowaną przestrzenią.

Podsumowanie

Od pojawienia się w 1996 roku, Bluetooth został zaimplementowany z wielu miliardach produktów na całym świecie. Natomiast wprowadzenie wersji Bluetooth 4.0, znanej również jako Bluetooth Low Energy w czerwcu 2010 roku sprawiło, że interfejs ten stał się atrakcyjnym rozwiązaniem dla nowej generacji produktów i aplikacji – a szczególnie dla sensorów IoT, w którym dostępna moc zasilania jest mocno ograniczona.

Wraz z rozwojem Bluetootha do wersji 5.0, zalety interfejsu zostały zwiększone, oferując szybszą komunikację, większy zasięg transmisji, zmniejszone zakłócenia z innymi sieciami lepsze bezpieczeństwo i szersze możliwości komunikacji, a w tym obsługę sieci o topologii kraty.

W niniejszym artykule popatrzyliśmy na Bluetooth z perspektywy projektanta. Pokazaliśmy, jak technologia ta ewoluowała i dokonaliśmy przeglądu podstawowych elementów składowych standardu Bluetooth Low Energy. Następnie podaliśmy kilka praktycznych przykładów zestawów i modułów deweloperskich, prezentując w jaki sposób projektanci mogą przyspieszyć swój proces uczenia się i skrócić czas potrzebny na wprowadzenie własnych, gotowych produktów z interfejsem BLE na rynek.

Źródła:

http://bluetoothreport.com/bluetooth-versions-comparison-whats-the-difference-between-the-versions

https://www.laptopmag.com/articles/just-what-is-bluetooth-4-0-anyway

https://www.cnet.com/uk/news/bluetooth-4-0-what-is-it-and-does-it-matter

https://www.silabs.com/documents/public/white-papers/designing-for-bluetooth-low-energy-applications.pdf

https://www.bluetooth.com/specifications/profiles-overview?_ga=2.216392662.1744114856.1502110824-1418937530.1502110824

http://community.silabs.com/t5/Official-Blog-of-Silicon-Labs/Understanding-Bluetooth-4-1-4-2-and-Beyond/ba-p/167779

http://www.techradar.com/news/networking/bluetooth-5-everything-you-need-to-know-1323060

/texas-instruments/cc2541emk/evaluation-mod-kit-ble-802-15/dp/2281644

/silicon-labs/ble112-a-v1/bluetooth-module-class-2-chip/dp/2113858

/texas-instruments/drv2605evm-bt/evaluation-board-haptic-bluetooth/dp/2520436

/nxp/frdm-fxs-mult2-b/dev-board-freedom-platform/dp/2520442

Zestawy deweloperskie ułatwiają wkroczenie w świat IoT. Data publikacji: 22 września 2017 r. przez Farnell