Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2017
Abhishek Gupta и Imran Mohammed, Cypress Semiconductor
EDN
Технология Bluetooth совершила революцию в беспроводной связи между устройствами благодаря широкому распространению и простоте. Она позволяет обмениваться информацией без кабелей при высоком уровне безопасности. Из-за своей небольшой потребляемой мощности и низкой стоимости она сыграла поворотную роль в развитии самых различных приложений – от быстродействующей автоэлектроники до сложных медицинских устройств.
Простота и всеобщее признание технологии Bluetooth означают, что любое устройство с Bluetooth может соединиться с другим близко расположенным устройством c помощи процесса, известного как сопряжение (pairing). Сопряжение позволяет устройствам устанавливать полнодуплексную связь, передавая данные и голос на небольшое расстояние через специальные сети, известные как пикосети, которые могут соединять до восьми устройств. Одно устройство выполняет функцию ведущего, а остальные устройства в сети/пикосети являются ведомыми. Ведущее устройство работает как концентратор, а ведомые связываются через него одно с другим. Другая важная характеристика технологии Bluetooth заключается в использовании скачкообразной перестройки частоты для уменьшения влияния помех.
Поддерживаемая технологией Bluetooth полнодуплексная связь предоставляет пользователям такие инновационные возможности, как подключение телефона с Bluetooth к музыкальному динамику, разговор по телефону во время управления автомобилем, соединение двух ноутбуков для совместного доступа к файлам, а также подключение игровой консоли к игровому контроллеру с поддержкой Bluetooth.
Bluetooth Low Energy
Bluetooth Low Energy – это интеллектуальная и экономичная версия беспроводной технологии Bluetooth. Она уже играет значительную роль в превращении разумных гаджетов в еще более разумные, делая их компактными, доступными и менее сложными.
Bluetooth Low Energy (BLE), также позиционируемый как Bluetooth Smart, начинал свое развитие как часть спецификации ядра Bluetooth версии 4.0. Изначально, до принятия группой Bluetooth Special Interest Group (SIG), она была разработана фирмой Nokia под названием Wibree. Первоначальный акцент в ней делался на предоставлении стандарта радиосвязи с минимально возможным энергопотреблением, специально оптимизированного для получения низкой стоимости, небольшой полосы пропускания, минимального энергопотребления и невысокой сложности.
Эти цели проекта очевидны из базовой спецификации, демонстрирующей стремление сделать BLE подлинным стандартом с низким энергопотреблением, разработанным для практической реализации производителями полупроводниковых компонентов и использования в практических приложениях при минимальном потреблении энергии и минимальном бюджете. Это уже широко распространенная технология, реально способная обеспечить продолжительную работу от одной дисковой батарейки.
При том, что технология BLE превосходна сама по себе, что обусловило феноменальную скорость ее распространения, это правильная технология с разумными компромиссами, которая появилась в нужное время. По количеству изделий, в которых уже содержится BLE, этот сравнительно молодой стандарт намного опережает другие беспроводные технологии в той же точке их жизненного цикла.
Проблемами, с которыми столкнулся классический Bluetooth, являются быстрый расход заряда батареи и частые потери связи, требующие периодического повторного сопряжения. Способность успешно решить эти проблемы и стала одной из причин быстрого распространения BLE. Дальнейшему продвижению способствовал феноменальный рост рынка смартфонов, планшетов и мобильных вычислений. Раннее и активное принятие BLE тяжеловесами мобильной индустрии распахнуло двери для более широкого внедрения BLE. Это, в свою очередь, подтолкнуло производителей полупроводников к тому, чтобы сконцентрировать свои ограниченные ресурсы на тех технологиях, которые, по их мнению, скорее всего будут развиваться в долгосрочной перспективе.
По мере взросления рынков мобильных устройств и планшетов, потребность в соединении этого оборудования с внешним миром приобретает огромный потенциал роста. Это дает поставщикам периферийного оборудования уникальную возможность разработки инновационных устройств, решающих проблемы потребителей, о существовании которых сегодня они могут даже не подозревать. Таким образом, в BLE соединилось множество преимуществ, открывающих небольшим и проворным компаниям-разработчикам доступ к потенциально огромному рынку с предназначенными для решения конкретных задач креативными и инновационными продуктами при относительно скромном бюджете проекта. Сегодня BLE также позволяет этим разработчикам проектировать конкурентоспособные продукты, позволяющие общаться с любой современной мобильной платформой, используя легко доступные микросхемы, инструменты и стандарты.
Особенности
1. Самое низкое энергопотребление
Все, от физической конструкции и до используемых моделей, подчинено цели поддержания минимального расхода энергии. Для снижения потребления энергии устройство BLE большую часть времени проводит в спящем режиме. Когда происходит какое-либо событие, устройство просыпается и передает короткое сообщение на шлюз, персональный компьютер или смартфон. Максимальное/пиковое потребление мощности составляет менее 15 мА, а среднее – около 1 мкА. По сравнению с классическим Bluetooth, активная потребляемая мощность снижена в десять раз. В приложениях с редкой периодичностью включения одна дисковая батарейка может обеспечить надежную работу в течение 5-10 лет.
2. Малозатратность и совместимость
Для совместимости с классической технологией Bluetooth и невысокой цены реализации в небольших устройствах с батарейным питанием существуют два типа чипсетов:
- Двухрежимные, с поддержкой функциональности как BLE, так и классического Bluetooth;
- Автономные BLE, оптимизированные для небольших устройств с батарейным питанием, с акцентом на низкую стоимость и малую потребляемую мощность.
3. Защищенность, безопасность и надежность
В BLE используется та же технология адаптивной скачкообразной перестройки частоты (AFH), что и в классической Bluetooth. Это позволяет BLE обеспечивать надежную передачу в условиях «зашумленного» эфира, типичных для домашних, промышленных и медицинских приложений. Для минимизации затрат и потребления энергии при использовании AFH количество каналов в BLE сокращено до 40 при ширине каждого канала 2 МГц, вместо 79 каналов шириной 1 МГц, используемых в классической технологии Bluetooth.
4. Сосуществование беспроводных стандартов
Частоту 2.4 ГГц нелицензируемого диапазона ISM используют технология Bluetooth, беспроводные локальные сети, IEEE 802.15.4/ZigBee, а также несколько фирменных стандартов. При столь большом количестве технологий в одном радиопространстве помехи могут ухудшить характеристики беспроводной сети (то есть, увеличить задержки и уменьшить пропускную способность) вследствие необходимости исправления ошибок и повторных передач. В ответственных приложениях влияние помех может быть снижено за счет частотного планирования и специальной конструкции антенны. Поскольку и в классической Bluetooth, и в BLE используется AFH, минимизирующая помехи от других стандартов радиосвязи, обмен через Bluetooth устойчив и надежен.
5. Дальность связи
Используемая в BLE технология модуляции несколько отличается от технологии классической Bluetooth. Это различие в модуляции обеспечивает дальность связи до 300 метров при мощности передатчика радио-чипсета 10 дБм (максимум, разрешенный для BLE).
6. Простота использования и интеграции
Обычно пикосеть BLE основана на соединении ведущего устройства с несколькими ведомыми. Устройство может быть либо ведущим, либо ведомым, но не тем и другим одновременно. Ведущее устройство решает, как часто ведомые могут выходить на связь, а ведомые могут передавать данные только по запросу ведущего. Новой особенностью BLE, добавленной к классической Bluetooth, является функция оповещения, с помощью которой ведомое устройство может объявить, что у него есть какая-то информация для передачи ведущему. В оповещении может также содержаться событие или результат измерения.
Технические подробности
- Обмен данными
BLE поддерживает очень короткие пакеты данных (от 8 октетов минимум до 27 октетов максимум), которые передаются на скорости 1 Мбит/с. Все соединения используют усовершенствованную технологию энергосбережения для максимального сокращения рабочего цикла в целях минимизации потребления энергии.
- Скачкообразная перестройка частоты
Для снижения помех от средств радиосвязи других стандартов, работающих в ISM диапазоне 2.4 ГГц, BLE использует общую для всех версий Bluetooth технологию AFH. Преимущества многотрактовой маршрутизации увеличивают энергетический бюджет канала связи и эффективный рабочий диапазон, а также оптимизируют потребление энергии.
- Управление хостом
Значительная часть интеллекта BLE реализуется контроллером. Это позволяет ведущему устройству дольше оставаться в состоянии сна и пробуждаться по сигналу контроллера только тогда, когда хост должен выполнить какое-либо действие. Соответственно, сокращается потребление тока, поскольку хост процессор, как правило, потребляет больше энергии, чем контроллер BLE.
- Задержка
BLE может поддерживать быстрое установление соединения и передачу данных за время всего 3 мс. Это позволяет приложению всего за несколько миллисекунд установить соединение и отправить аутентифицированные данные, а затем быстро разорвать соединение.
- Дальность связи
Увеличение индекса модуляции позволило обеспечить для BLE максимальную дальность связи более 100 метров.
- Надежность
Для обеспечения максимальной помехоустойчивости BLE контролирует все пакеты с помощью надежного 24-битного алгоритма CRC.
- Высокий уровень безопасности
Полный алгоритм AES-128, использующий блочный протокол CCM, обеспечивает надежное шифрование и аутентификацию пакетов данных, гарантирующие безопасность информационного обмена.
- Топология
BLE использует 32-битный адрес обращения на каждый пакет для каждого ведомого устройства, позволяя подключать миллиарды устройств. Технология оптимизирована для соединений точка-точка, при этом допускаются многоточечные соединения с использованием звездообразной топологии.
| Таблица 1. | Сравнение классической Bluetooth и BLE | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Применение
Повсеместное внедрение BLE в портативные устройства позволяет создавать совершенно новые приложения во всех отраслях промышленности. Для примера рассмотрим различные варианты применения BLE на отраслевой выставке, позволяющие повысить эффективность инвестиций компании в привлечение новых клиентов.
- Геймификация
BLE можно использовать для побуждения посетителей к исследованию менее популярных направлений на выставочном стенде, предлагая им специальные награды за открытие стратегических маячков, размещенных в этих областях.
- Финансовое поощрение
Использование маячков для финансовых поощрений, побуждающих посетителей проверить ближайший стенд, когда они проходят мимо определенной зоны в выставочном центре. Это может быть премиум-услуга, предлагаемая спонсорами.
- Контроль распределения тепла
Имея доступ к статистическим данным в режиме реального времени, маячки могут распознавать нагретые области и отправлять менеджерам уведомления о местах скопления людей, где наиболее вероятны нарушения требований безопасности.
- Доставка контента
Участники могут избежать долгого ожидания копии слайдов презентаций по электронной почте. BLE маячки могут распознавать посетителей на мероприятии и автоматически доставлять им слайды, электронные книги и другие материалы непосредственно в течение выставочного дня или сразу же после его окончания.
- Автоматическая регистрация
Организаторы могут легко собирать информацию о количестве людей, посещающих мероприятие или выставку, и в реальном времени просматривать их профили путем установки маячков, имитирующих регистрацию при входе на место проведения конференции. Это не требует от пользователей никакого физического участия. Если пользователь загрузил приложение, и на его мобильном устройстве включен Bluetooth, приложение автоматически зарегистрирует его появление в месте встречи.
 |
||
| Модуль EZ-BLE PRoC. | ||
К настоящему времени уже сложилась экосистема поддержки, предоставляющая разработчикам BLE доступ к большому ассортименту чипов и модулей, которые могут ускорить создание как аппаратных средств, так и программ для устройств с поддержкой BLE. Например, компания Cypress предлагает BLE процессоры семейства PSoC 4 на базе ядра Cortex-M0, в которых объединены аналоговые препроцессоры, цифровая логика, средства поддержки технологии емкостных датчиков CapSense и радиотракт Bluetooth LE, что позволяет реализовать законченное BLE решение на одной микросхеме. Для OEM производителей, предпочитающих полностью интегрированные модули, Cypress разработала сертифицированный программируемый модуль EZ-BLE PRoC размером 10×10×1.8 мм, упрощающий использование и ускоряющий разработку изделий с BLE чипами PRoC.
