Bluetooth Low Energy 4.1 - jeszcze bardziej efektywny energetycznie

Wtorek, 14 lipca 2015 | Technika

Jeśli interfejs w standardzie Bluetooth Low Energy (BLE) nie jest jeszcze częścią Twojej aplikacji, wszystko wskazuje na to, że już niedługo z pewnością do niej trafi. Technologie komunikacji bezprzewodowej w ostatnich latach rozwijają się niezwykle dynamicznie, a liczba urządzeń przenośnych, w których wykorzystuje się komunikację w tym standardzie, takich jak zegarki, monitory i czujniki medyczne czy akcesoria do telefonów, jest coraz większa.

Bluetooth Low Energy 4.1 - jeszcze bardziej efektywny energetycznie

Ważnym czynnikiem pozwalającym na osiągnięcie takiego wzrostu jest dostępność standardów komunikacyjnych o niewielkim zapotrzebowaniu na energię, w tym Bluetooth Low Energy (Bluetooth Smart, BLE), który kierowany jest w stronę wykorzystania w aplikacjach typu wearable (elektronika noszona) lub IoT (Internet rzeczy).

Najnowsza wersja specyfikacji tego protokołu oznaczona symbolem 4.1 przynosi głównie uaktualnienie wielu szczegółów, poprawę efektywności komunikacji, lepszą elastyczność pracy i konfiguracji dołączonych urządzeń, w tym możliwość jednoczesnej pracy w trybie nadawania i odbioru danych (dual-mode) oraz można traktować ją jako pierwszy krok w kierunku realizacji komunikacji w oparciu o IP.

Wszystkie te zmiany razem czynią z BLE jeszcze bardziej efektywne narzędzie komunikacyjne pod względem poboru mocy, wydajności i kosztów implementacji. Nowe chipy obsługujące Bluetooth 4.1 w drugiej wersji pobierają o dwie trzecie mniej mocy ze źródła podczas transmisji w porównaniu do poprzedników bez negatywnego wpływu na wydajność. Jak widać, zmiany są więcej niż kosmetyczne, więc warto przyjrzeć się, co zmieniło się w tej technologii i dokąd to wszystko zmierza.

Podstawy BLE

Wiele urządzeń i systemów wykorzystujących komunikację bezprzewodową jest optymalizowanych pod kątem minimalizacji poboru mocy, kosztem wydajności lub zasięgu. W zakresie połączenia tych trzech funkcjonalności Bluetooth LE jest dość dobrym kompromisem zachowującym właściwe proporcje wszystkich tych trzech parametrów.

Średni pobór mocy wynosi jedynie jedną setną tego, co wymagała pierwotna wersja Bluetooth Classic, wartości maksymalne prądu pobieranego z baterii podczas nadawania też zostały ograniczone do ok. 15 mA z dawniejszych 40 mA, co pozwala na pracę interfejsu przez kilka miesięcy, a nawet rok przy zasilaniu z pojedynczej baterii guzikowej o dość dużej rezystancji wewnętrznej, zwłaszcza pod koniec okresu jej eksploatacji.

Alternatywne rozwiązania komunikacji bezprzewodowej efektywne energetycznie

Bluetooth Low Energy nie jest jedynym protokołem komunikacyjnym pozwalającym na realizację efektywnej energetycznie komunikacji bezprzewodowej. Za alternatywne rozwiązania mogą być uważane protokoły takie jak ANT lub ZigBee, których funkcjonalność pokrywa się w wielu obszarach z BLE.

Niemniej BLE można postrzegać jako rozwiązanie bardziej uniwersalne i otwarte. Na rysunku pokazano zestawienie efektywności energetycznej tych rozwiązań rozumianych jako czas pracy z baterii oraz szybkości komunikacji.

Oszczędności te osiągnięto głównie dzięki utrzymywaniu nadajnika interfejsu komunikacyjnego w stanie wyłączonym przez zdecydowaną większość czasu działania. BLE skanuje tylko trzy kanały dyżurne, a transceiver jest wybudzany ze stanu uśpienia na krótką chwilę niezbędną do wysłania niewielkich paczek danych, o wielkości od 8 do 27 ósemek (oktetów). Co więcej, komunikacja jest zestawiana bardzo szybko, co jeszcze bardziej ogranicza czas, kiedy nadajnik jest włączony. W efekcie BLE jest w stanie wysłać tyle samo danych w czasie 3 ms, ile Bluetooth Classic transmitował w 1000 ms.

Różnicę na minus widać w zasadzie tylko w maksymalnej szybkości transmisji. Wiadomo, że zawsze jest coś za coś i w tym przypadku maksymalna szybkość transmisji w BLE to ok. 100 kbps, podczas gdy w wersji pierwotnej było to aż 3 Mbps. BLE dawało ponadto możliwość konfigurowania komunikacji w formie sieci o topologii gwiazdy, z 32-bitowym adresowaniem pakietów, co w teorii pozwala na praktycznie niczym nieograniczoną pojemność sieci. To też spora zmiana, bo Classic współpracował z maksymalnie 8 urządzeniami w tym samym czasie.

Inne ważne nowe rodzaje funkcjonalności, jakie przynosi BLE, to między innymi:

zoptymalizowana modulacja GSFK, która w porównaniu do starszej wersji charakteryzuje się wyższym indeksem i wykorzystuje kanały komunikacyjne o szerokości 2 MHz. Usprawnienie schematu modulacji danych prowadzi do niższej stopy błędów i pozwala na powiększenie zasięgu przy takich samych parametrach emisji sygnału radiowego,
wykorzystanie adaptacyjnego skakania po częstotliwościach (frequency hopping), które zapewnia minimalizację zakłóceń transmisji i pozwala przełączyć transmisję na inną częstotliwość, gdy w aktualnie używanym kanale warunki nie są dobre. Mechanizm ten jest taki sam jak w wersji Bluetooth Classic,
jakość i niezawodność transmisji. BLE wykorzystuje 24-bitowe sumy kontrolne CRC w każdym transmitowanym pakiecie danych, co pozwala automatycznie skorygować 2 lub 4 błędnie odebrane bity bez powtarzania. W porównaniu z wykorzystywanymi dawniej sumami CRC o wielkości 16 lub 32 bitów, 24-bitowa CRC jest lepiej dopasowana do wielkości transmitowanych pakietów danych,
większe bezpieczeństwo. Szyfrowanie danych oraz proces autoryzacji transmisji wykorzystuje 128-bitowe szyfrowanie AES (Advanced Encryption System).

Jeszcze innym kluczowym czynnikiem przewagi Bluetooth 4.1 jest zdolność do pracy w trybie dual-mode. Urządzenia takie jak czujniki bezprzewodowe lub akcesoria telefoniczne często stanowią element docelowy komunikacji, ale smartfony lub tablety często pełnią funkcję stacji przekaźnikowych (hubów) i obsługują urządzenia BLE oraz starsze wykorzystujące wersję Classic interfejsu jednocześnie. Nowa specyfikacja pozwala na tworzenie takich sieci mieszanych z wykorzystaniem tej samej anteny i stosu komunikacyjnego (Bluetooth Smart).

Przykładowe moduły Bluetooth firmy Panasonic

Single mode Bluetooth "nanoPower" PAN1740

pobór prądu przez nadajnik dla 0 dBm: 5 mA
mała obudowa 9×9,5×1,9 mm
wysoka czułość (typowo -93 dBm, czyli 5 µV)
regulacja mocy nadawania
gotowy do działania po zamontowaniu (place and play)
praca autonomiczna
zgodność z Bluetooth Smart
dostępny stos Embedded BLE i profil GATT
zakres temperatur pracy od -40 do 85°C
wbudowane dwa wewnętrzne oscylatory kwarcowe
konstrukcja ekranowana, co zapewnia dobre parametry w zakresie EMC
brak wymaganych komponentów zewnętrznych

Moduły Bluetooth Low Energy single-mode PAN1720 i PAN1721

obudowa do montażu powierzchniowego o wymiarach 15,6×8,7×1,9 mm
mocy wyjściowa do 4,0 dBm z regulacją (2,5 mW)
wysoka czułość, typowo -94 dBm (4,4 µV)
konstrukcja oparta na rozwiązaniu jednoukładowym CC2540 TI
wbudowany wydajny i oszczędny energetycznie rdzeń mikrokontrolera 8051
brak wymaganych komponentów zewnętrznych
szybkie zestawianie połączenia
wbudowane dwa wewnętrzne oscylatory kwarcowe: 26 MHz i 32 kHz do timera wybudzania
dwa układy USART
układ kontroli stanu baterii i monitor jej temperatury
PAN1720 zawiera interfejs USB, PAN1721 ma interfejs I²C

Moduły Bluetooth Low Energy i Classic Dual-Mode PAN1316 i PAN1326

najlepsze w swojej klasie moduły pod względem jakości układu radiowego (moc nadajnika, czułość i selektywność)
Bluetooth v4.0 +EDR z pełną kwalifikacją
wymiary: 6,5×9×1,7 mm (PAN1316)
certyfikaty: Bluetooth, FCC, CE, IC
zakres temperatur pracy od -40 do 85°C
obsługa wszystkich profili
konstrukcja bazująca na CC2564 Texas Instruments
możliwość współpracy z praktycznie wszystkimi mikrokontrolerami
szybko działający algorytm dla ACL i eSCO
wsparcie dla trybu nadawania z dużą mocą do +10,5 dBm (11,2 mW)

Co dalej z BLE?

Nawet jeśli z dzisiejszego punktu widzenia funkcjonalność BLE wydaje się wystarczająca, wyraźnie widać, że większość usprawnień i modyfikacji zmierza w stronę większej efektywności energetycznej komunikacji. Jest to istotne dla popularyzacji nowych idei takich jak Internet od Things. Ważne jest też to, że standard zachowuje tzw. kompatybilność wsteczną ze starszymi urządzeniami, w tym takie aspekty jak:

wsparcie dla wielofunkcyjności urządzeń pozwalające pracować im jako urządzenie końcowe lub węzeł przekaźnikowy (smart device, smart hub),
efektywna komunikacja, usprawniająca wymianę dużych ilości danych (bulk mode), którą osiągnięto za pomocą protokołu L2CAP (logical link control and adaptation), minimalizującego w takiej sytuacji narzut danych ze strony protokołu,
lepsze i szybsze nawiązywanie połączeń z opcją automatycznego wznawiania po zerwaniu,
komunikacja bazująca na IP - nowa specyfikacja przez implementację dodatkowych kanałów L2CAP wprowadza możliwość uruchomienia komunikacji z wykorzystaniem protokołu IPv6, co jest ważne z punktu widzenia aplikacji Internet od Things.

Moduły komunikacyjne wykorzystujące Bluetooth 4.1 i chipy są dostępne na rynku od początku 2014 roku i handlowo określane są jako ultra-low power BLE, niemniej wiele firm nadaje im inne nazwy handlowe jak np. nanoPower w przypadku firmy Panasonic.

Zgodnie z danymi katalogowymi ich średni pobór prądu jest o 66% mniejszy w odniesieniu do zwykłych BLE i nawet 90% mniej w porównaniu do wersji Bluetooth Classic. Warto dodać, że tak wielkie oszczędności osiągnięto bez redukcji zasięgu i funkcjonalności tej komunikacji. Dzięki nim urządzenia komunikacyjne BLE są w stanie pracować przez lata z wykorzystaniem jednego ogniwa zasilającego.

Farnell element14
www.farnell.com/pl