wersja mobilna
Online: 578 Poniedziałek, 2016.12.05

Technika

Bluetooth Low Energy - w kierunku Internetu

poniedziałek, 30 marca 2015 10:11

Urządzenia typu wearables (urządzenia do ubierania/noszenia) umożliwiają mierzenie i przechwytywanie informacji z jednego lub wielu sensorów przytwierdzonych do ciała. Zastosowanie tak zebranych danych jest coraz szersze i rośnie liczba aplikacji oraz usług je wykorzystujących. Jednym z najistotniejszych problemów technicznych przy konstrukcji urządzeń wearables jest ograniczenie poboru energii przy komunikacji ze smartfonami lub tabletami, które obecnie stanowią najważniejszy ich punkt styku z Internetem.

Urządzenia typu wearable można zakwalifikować do różnych segmentów rynku w zależności od części ciała, na której są przeznaczone do noszenia - głowa, ramię, pas, itp. Większość tego typu urządzeń jest wyposażonych w jeden lub więcej sensorów, procesor, pamięć masową, interfejs radiowy, wyświetlacz oraz baterię zasilającą.

Ponieważ urządzenia te przeznaczone są do noszenia, przy ich konstrukcji muszą być brane pod uwagę specyficzne uwarunkowania - sposób komunikacji, średni czas pracy na baterii, koszt oraz co istotne - wymiary i masa. Wpływ na powstanie nowego segmentu urządzeń ma coraz większe rozprzestrzenienie smartfonów i tabletów w połączeniu z szeroką dostępnością sensorów MEMS o niskim poborze mocy.

Urządzenia mobilne stanowią huby, przez które wearables mogą być podłączone do Internetu (IoE - Internet of Everything czy IoT - Internet of Things) - udostępniają możliwość komunikacji ze światem przez protokoły TCP/IP i przekazywanie danych z aplikacji do świata zewnętrznego.

Analitycy ABI Research przewidują, że w roku 2020 do Internetu będzie podłączonych blisko 30 mld urządzeń. Obecnie takich urządzeń jest blisko 10 mld i są to głównie komputery, smartfony i tablety. Ważnym czynnikiem pozwalającym na osiągnięcie takiego wzrostu jest upowszechnienie połączeń o niskim zapotrzebowaniu na energię, w tym Bluetooth Low Energy (Bluetooth Smart, BLE). Za 5 lat będą one stanowić około 60% urządzeń podłączonych do Internetu.

Ogłoszony niedawno standard Bluetooth 4.2 otwiera także drogę do bezpośredniej komunikacji urządzeń wearables z Internetem, co może w dłuższym terminie wyeliminować potrzebę pośrednictwa smartfonów czy tabletów przy połączeniu z Internetem. Pozostaje tu do rozwiązania jeszcze sprawa dostępności routera internetowego w zasięgu urządzenia z BLE. Potrzeba połączenia z Internetem lub jej brak zależy oczywiście od konkretnego zastosowania.

Obecnie większość sensorów komunikuje się z aplikacją na telefonie, która w odpowiedni sposób przetwarza i prezentuje dane użytkownikowi. Użytkownik może zdecydować o dalszym ich losie. W zastosowaniach medycznych już dziś często stosowane jest przekazywanie danych przez aplikację na smartfon do serwerów w Internecie - np. w celu zdalnego, ciągłego monitorowania ciśnienia i pulsu pacjenta.

Niskoenergetyczna komunikacja

Rys. 1. Porównanie typowego czasu pracy na baterii i szybkości transmisji danych popularnych protokołów (BLE w specyfikacji Bluetooth 4.0)

Zanim podjęto próby unifikacji, producenci układów elektronicznych oferowali własne, niestandardowe rozwiązania komunikacyjne. Standardowe protokoły, jak Wi-Fi czy Bluetooth, nie były projektowane z myślą o pracy na niskim poziomie mocy, dlatego też wykorzystywanie własnych rozwiązań producentów, bardziej optymalnych pod względem energetycznym, było uzasadnione.

Powodowało to jednak ograniczone możliwości współpracy pomiędzy poszczególnymi elementami. W celu wyeliminowania tego problemu grupa Bluetooth SIG (Special Interest Group) wprowadziła specyfikację Bluetooth Low Energy (BLE), przeznaczoną do połączeń na małe odległości z bardzo niskim poborem mocy. Podobnie jak klasyczny Bluetooth, jego niskoenergetyczna odmiana wykorzystuje pasmo 2,4 GHz. Maksymalna teoretyczna szybkość transmisji danych to 1 Mb/s.

Bluetooth Low Energy (BLE) jest często oznaczany jako Bluetooth Smart. Stanowi lekką odmianę Bluetooth i został opisany w specyfikacji Bluetooth 4.0. Zanim został zaadaptowany przez SIG, był rozwijany wewnętrznie przez firmę Nokia pod nazwą Wibree. Połączenie ze standardem Bluetooth nastąpiło w roku 2010.

Protokół komunikacyjny BLE jest zoptymalizowany do szybkiego przesyłania małych bloków danych w cyklicznych interwałach czasowych. Dzięki temu procesor hosta może pracować jak najdłużej w trybie o niskim poborze mocy, podczas gdy dane nie są transmitowane. Kolejnym istotnym elementem jest niski czas potrzebny na ustanowienie połączenia do wymiany danych - trwa to zaledwie kilka milisekund.

Każda warstwa architektury komunikacyjnej została zaprojektowana z myślą o ograniczeniu poboru mocy. W warstwie fizycznej indeks modulacji został podniesiony w porównaniu z klasycznym Bluetooth, co pozwoliło na ograniczenie prądu w obwodzie nadajnika i odbiornika. Warstwa łącza została przystosowana do szybkiego nawiązywania i wznawiania połączeń, co także ma wpływ na ograniczenie poboru energii. Kontroler Bluetooth Low Energy obsługuje wiele istotnych zadań - jak nawiązywanie połączeń czy ignorowanie zduplikowanych pakietów, dzięki czemu główny procesor urządzenia może pozostawać w trybie niskiej mocy przez dłuższy czas.

Podobnie jak w klasycznym Bluetooth wykorzystywana jest modulacja z kodowaniem Adaptive Frequency Hoping z 24-bitową sumą kontrolną CRC. Bluetooth Low Energy obsługuje tryb tylko broadcaster, w związku z czym komunikacja nie musi przechodzić procedury połączenia. Urządzenia Low Energy nie są kompatybilne ze standardem Bluetooth, ale istnieją interfejsy dual mode pozwalające na komunikację w oparciu o obie specyfikacje - są one oznaczane logo Bluetooth Smart Ready. Dzięki adaptacji Bluetooth Smart Ready eliminowana jest potrzeba instalowania osobnych kart do komputerów, jak w przypadku rozwiązań specjalizowanych.

Do komunikacji można wykorzystać także takie standardy jak Wi-Fi, ZigBee, NFC czy klasyczny Bluetooth, jednak nie zapewniają one jednocześnie kompromisu między niskim poborem energii i przepustowości. Wi-Fi i klasyczny Bluetooth oferują wyższą przepustowość, co jest okupione znacznie większym zużyciem energii.

Zbliżony pod względem energetycznym ZigBee oferuje niższe przepustowości transmisji danych - szczególnie w porównaniu z najnowszą specyfikacją Bluetooth 4.2. Standard NFC (Near Field Communication) działa za to jedynie na odległość kilku centymetrów, nie wymaga źródła zasilania na stałe umieszczonego w sensorze.

Powoduje to, że doskonale sprawdza się w aplikacjach, w których następuje zbliżenie urządzeń oraz w rozwiązaniach hybrydowych, gdy zbliżenie uruchamia transmisję innym standardem np. właśnie Bluetooth Low Energy. Porównanie najpopularniejszych metod transmisji (ZigBee, Bluetooth i BLE) przedstawiono na rysunku 1.

Bluetooth LE w układach SoC

Rys. 2. Typowy pulsometr optyczny na rękę z wykorzystaniem procesora Cortex M3 i modułu BLE

Do budowy urządzenia noszonego niezbędne są oprócz modułu komunikacji także specyficzne dla jego zastosowania elementy, takie jak: czujniki, część analogowa do przetwarzania i kondycjonowania sygnału, blok cyfrowego przetwarzania i filtrowania sygnału, przechowywania danych oraz procesor do implementacji funkcji wyższego poziomu. Niezbędne jest także źródło zasilania i opcjonalnie inne elementy pomocnicze.

Na rysunku 2 przedstawiono typową implementację optycznego pulsometru na rękę. Działa on w oparciu o metodę PPG, w której czujniki optyczne są wykorzystywane do wykrywania zmian w objętości krwi. Diody LED są używane do oświetlania tkanki i mierzone jest natężenie odbitego światła z wykorzystaniem fotodiody.

Wzmacniacz transimpedancyjny (TIA - Trans-Impedance Amplifier) jest używany do zamiany wartości prądu fotodiody na napięcie. W dalszej kolejności sygnał napięciowy jest przekształcany na sygnał cyfrowy z wykorzystaniem przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). Za pomocą cyfrowej obróbki sygnałów usuwany jest szum i off set napięcia stałego. Informacja trafia następnie do kontrolera BLE i jest transmitowana do innych urządzeń.

W niektórych rozwiązaniach obliczenia tętna przeprowadzane są jeszcze w samym urządzeniu, w innych przesyłany jest sygnał, który stanowi podstawę dalszych obliczeń w urządzeniu końcowym. W przypadku bardziej skomplikowanych układów pewnym problemem może być zgodność elektryczna poszczególnych elementów i wysoka komplikacja układowa sprawiająca trudność w testowaniu. Co ważniejsze, może mieć to wpływ także na pobór mocy zasilającej ze względu na brak kontroli programowej nad działaniem obwodów wejściowych (AFE - Analog Front End), kiedy interfejs nie jest używany, na koszty produkcji, a także rozmiary urządzenia.

Producenci układów elektronicznych oferują do takich zastosowań rozwiązania jednoukładowe typu SoC (System on Chip). Zawierają one nie tylko kontroler, ale także zintegrowane moduły: analogowy i cyfrowy, dzięki którym można zaimplementować podstawowe układy analogowego wejścia i cyfrowej konwersji sygnału. Jednym z takich układów jest PSoC 4 BLE firmy Cypress.

Dostępne są także układy SoC firmy Texas Instruments z serii CC2540 czy nRF51822 firmy Nordic Semiconductor. Układy jest wyposażony w procesor ARM Coretex M0 taktowany zegarem 48 MHz, ma konfigurowalne bloki wejść i wyjść analogowych oraz cyfrowych, a także zawiera wbudowany kontroler BLE.

Rys. 3. Implementacja pulsometru z wykorzystaniem układu SoC z modułem BLE

W części analogowej są dostępne 4 nieskonfigurowane wzmacniacze operacyjne, dwa komparatory o niskim poborze mocy oraz jeden szybki przetwornik analogowo-cyfrowy o sukcesywnej aproksymacji (SAR - Succesive Approximation Register). Dodatkowo jest blok do obsługi urządzeń dotykowych. W części cyfrowej do użytku są dwa bloki komunikacji szeregowej z wykorzystaniem protokołu I²C, UART lub SPI, cztery 16-bitowe liczniki oraz cztery uniwersalne bloki Universal Digital Block (UDB), w których można zaimplementować cyfrową logikę - podobnie jak w układach FPGA.

W projekcie pulsometru z wykorzystaniem układu SoC z modułem BLE (rys. 3) większość funkcji może być zaimplementowana z wbudowanych zasobów. Jedynie kilka elementów pasywnych oraz tranzystor do sterowania diodą LED, a także elementy wymagane do dopasowania obwodów w.cz. są wymagane z zewnątrz.

W takim podejściu jest możliwa kontrola nad poborem energii przez AFE i zpewniono wyłączanie modułu analogowego, gdy nie jest potrzebny. W niektórych zastosowaniach wymagających większej mocy obliczeniowej warto wziąć pod uwagę jakiś innych układ SoC wyposażony w mocniejszy procesor - np. ARM Cortex-M3.

Elementy specyfikacji Bluetooth Low Energy (zgodnie z Bluetooth 4.0)

Prąd zasilania - maksymalny prąd pobierany przez moduły Bluetooth LE ze źródła 3,7 V to około 15 mA. W klasycznym Bluetooth jest to 40 mA lub więcej. Dzięki temu możliwa jest praca przez miesiące a nawet lata na jednej baterii.

Transfer danych - obsługiwane są bardzo krótkie pakiety danych (od 8 do 27 oktetów) transferowane z szybkością do 1 Mb/s.

Frequency Hopping - znany z innych implementacji Bluetooth mechanizm przeskakiwania częstotliwości pracy. Wykorzystywany do minimalizacji interferencji z innymi technologiami w paśmie 2,4 GHz.

Host Control - umieszcza większość inteligencji związanej z komunikacją w sterowniku, co pozwala hostowi na trwanie w stanie uśpienia przez dłuższe okresy i na budzenie przez kontroler tylko w sytuacji, gdy wymagana jest akcja. To daje największe oszczędności energetyczne w urządzeniach wearable, ponieważ najczęściej jego pobór mocy jest dużo wyższy niż kontrolera komunikacyjnego.

Opóźnienia - Bluetooth Smart pozwala na zestawienie połączenia i przesłanie danych nawet w ciągu 3 ms. Pozwala aplikacji na stworzenie połączenia, przesłanie danych a następnie szybko zrywa połączenie.

Zasięg - zwiększony indeks modulacji pozwala na połączenia na odległość nawet powyżej 100 m.

Stabilność - wykorzystywana jest 24-bitowa suma kontrolna CRC na wszystkich pakietach.

Bezpieczeństwo - szyfrowanie AES-128 z wykorzystaniem CCM.

Topologia - możliwe są połączenia jeden do jednego oraz jeden do wielu w topologii gwiazdy. Wykorzystywane jest adresowanie 32-bitowe dla każdego pakietu danych urządzeń slave.

Bezpośrednie połączenie IP

Ogłoszona na początku grudnia 2014 specyfikacja Bluetooth 4.2 zawiera bardzo istotne, głównie z punktu widzenia Bluetooth Low Energy, zmiany. Najistotniejszą z nich jest opracowywany już od dłuższego czasu profil dla połączeń IP. Urządzenia zgodne z nowym standardem będą w stanie komunikować się za pomocą protokołu IPv6 i 6LoWPAN (low power wireless personal network) bezpośrednio z Internetem. Łącznikiem ze światem będzie router. Dzięki temu będzie można pominąć w komunikacji urządzenie pośredniczące - telefon, tablet czy komputer.

Nowa specyfikacja nakreśla także kilka usprawnień w zakresie bezpieczeństwa. Do tej pory Bluetooth Beacons mogły służyć do śledzenia użytkowników urządzeń - dla przykładu ruchów klienta w sklepie. W nowej wersji standardu wprowadzono możliwość maskowania adresów MAC urządzeń zanim zostaną połączone z zaufanym urządzeniem. Inne istotne zmiany to dalsze ograniczenie poboru mocy, zwiększenie transferu danych (nawet 2,5 razy) i 10-krotne powiększenie rozmiaru pakietów danych.

Zaproponowane zmiany i rosnąca popularność BLE w urządzeniach mobilnych (do 2018 roku BLE ma być obsługiwane przez około 90% tabletów i smartfonów będących w użyciu) powodują, że Bluetooth Low Energy stanie się prawdopodobnie najpopularniejszą metodą komunikacji urządzeń typu wearable.

Paweł Szczepaniak