wersja mobilna
Online: 561 Piątek, 2016.12.09

Technika

Bluetooth Low Energy wchodzi na rynek

środa, 08 lutego 2012 13:14

W połowie 2010 roku organizacja Bluetooth SIG opublikowała kolejną specyfikację Standardu Bluetooth o numerze 4.0. Standard, którego celem było dotychczas zwiększenie prędkości transmisji, rozszerzony został o rozwiązanie przeznaczone dla małych urządzeń przenośnych. Głównymi założeniami standardu Bluetooth Low Energy (w skrócie BLE) jest mały pobór mocy oraz szybki dostęp do danych. Najważniejszym adresatem tego rozwiązania może stać się branża medyczna i cała gama urządzeń monitorujących pracę ludzkiego organizmu oraz intensywnie rozwijające się urządzenia z branży "smart metering".

Tabela 1. Porównanie parametrów Bluetooth i Bluetooth Low Energy

Bluetooth Low Energy stanowi usystematyzowaną i dopracowaną wersję rozwijanego w firmie Nokia od 2007 roku standardu Wibree. W czasie, gdy technologia Bluetooth rozwijała się w kierunku osiągania większej przepustowości do przesyłania strumieni wideo i dźwięku wysokiej jakości, rosło zapotrzebowanie na tanie i energooszczędne moduły, służące do szybkiego przesyłania małych porcji danych, czyli na tanie i proste moduły oferujące jedynie profil SPP.

Urządzenia obsługujące standard BLE potrafią być nawet 100-krotnie mniej energochłonne w stosunku do klasycznych urządzeń Bluetooth i potrafią przesłać informacje już po 6ms od stanu rozłączonego. Porównanie głównych parametrów wersji Bluetooth podane zostały w tabeli 1. Jednym z możliwych zastosowań dla takich modułów może być sieć małych czujników rozmieszczonych w różnych elementach ubrania.

Czujniki te udostępniają dane pomiarowe jednemu urządzeniu nadrzędnemu (może być to np. smartfon) i mogą pracować bez wymiany baterii nawet do kilku miesięcy. Ambitnym celem, jaki postawili sobie inżynierowie pracujący nad BLE, jest kilkuletnia praca na jednej baterii CR2032 oraz koszt produkcji jednego modułu niższy niż 1 USD.

Niski pobór mocy oraz szybkie czasy podłączenia uzyskane zostały bez ingerencji w fizyczną warstwę protokołu Bluetooth. Zamierzone cele osiągnięto, zmieniając algorytm tak, aby pracował optymalnie z małymi porcjami danych przesyłanymi sporadycznie. Umożliwiło to dodanie obsługi BLE do istniejących modułów poprzez rozszerzenie istniejącego oprogramowania.

Sprawia to jednocześnie, że moduł pracujący intensywnie w trybie Low Energy będzie zużywał tyle samo energii co w trybie zwykłym. W granicznym przypadku np. przy teoretycznej próbie przesyłania strumienia wideo za pomocą modułu BLE, będzie on pracował mniej sprawnie i pobierał więcej energii niż zwykły moduł Bluetooth 3.0.

W celu uproszczenia algorytmu FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum) ograniczono liczbę kanałów do 40 (w stosunku do 79 używanych w klasycznym stosie Bluetooth). 3 kanały służą wyłącznie do wyszukiwania i nawiązywania połączenia, pozostałe 37 kanałów służy do wymiany danych (rys. 1). Podczas transmisji badane jest aktualne obciążenie każdego kanału, a te najbardziej obciążone mogą zostać umieszczone na "czarnej liście" i będą wykorzystywane w mniejszym stopniu.

Tabela 2. Dostępne na rynku moduły Bluetooth Low Energy

Znacznie uproszczone zostały także standardowe przypadki użycia. Jedyną możliwą topologią sieci jest struktura gwiazdy: pojedyncze urządzenie może pracować jako master lub slave, jednak nigdy w obu trybach równocześnie. Urządzenie skonfigurowane jako nadzorca może obsługiwać połączenia z wieloma urządzeniami podrzędnymi.

Nowością w technologii Low Energy jest wprowadzenie technologii "rozgłaszania". Polega ona na periodycznym rozsyłaniu danych przez proste urządzenia podrzędne. W tej konfiguracji sieci urządzenie nadrzędne przechodzi w tryb skanera. Urządzenie zgłaszające chęć wysłania danych rejestruje się w skanerze, używając jednego z trzech wydzielonych kanałów.

Skaner może zezwolić na szybkie przesłanie danych w tym samym kanale, dzięki czemu transmisja może zakończyć się w bardzo krótkim czasie. Dzięki używaniu jedynie 3 kanałów czas nawiązywania połączenia został skrócony nawet do 7,5ms i wzrasta nieznacznie przy większej liczbie urządzeń podrzędnych. Przy tych parametrach transmisji jedno urządzenie master jest w stanie pobrać dane od ponad 100 czujników w sekundę.

Moduły Bluetooth Low Energy można już znaleźć w ofercie głównych dostawców, takich jak Texas Instruments, Bluegiga, Nordic Semiconductors czy Cambridge Silicon Radio. Dostępne na rynku produkty Bluetooth Low Energy można podzielić na 4 grupy:

  • single mode - układy pracujące jedynie w konfiguracji low power,
  • dual mode - układy Bluetooth 4.0, które można stosować w trybie pracy low power,
  • układy rozszerzone - istniejące układy Bluetooth 2.1 lub 3.0 można wzbogacić o tryb pracy low power, rozbudowując istniejący stos Bluetooth.

W tabeli 2 przedstawiono informacje o modułach dostępnych aktualnie na rynku. Pierwsze dwa są zintegrowanymi modułami na płytkach PCB zawierającymi układ Bluetooth Low Energy, dodatkowy procesor oraz układ antenowy. Pozostałe moduły są układami scalonymi.

Bartłomiej Grześkowiak