Annons

Effektsnålt med Bluetooth Smart

Den trådlösa tekniken Bluetooth Smart är den extremt effektsnåla versionen av Bluetooth som just nu förändrar hela den trådlösa lågeffektsbranschen. Allen Cabreros, wirelesspecialist från Future Connectivity Solutions, beskriver här fördelarna.

Bluetooth Smart öppnar snabbt nya möjligheter och finner nya tillämpningar inom marknadssegment från konsumentelektronik, medicinska enheter och hemautomatik till detaljhandeln och bärbar elektronik. Vi på Future Connectivity Solutions (FCS) är engagerade i att tillhandahålla Bluetooth Smart-lösningar som uppfyller den snabba tillväxten och efterfrågan på den trådlösa lågeffektsmarknaden. FCS är partners med STMicroelectronics, Dialog Semiconductor, Murata, Panasonic, Cypress Semiconductor och Microchip Technology.

Bluetooth Smart är också en viktig teknik som används för att driva Internet of Things (IoT), som har en stark fokus på Future Electronics och ovanstående partners.

Den låga energiförbrukningen hos Bluetooth Smart gör tekniken lämplig för enheter som drivs med mycket små batterier under långa perioder, men en av de stora drivkrafterna för tekniken bakom Bluetooth Smart är också dess förmåga att fungera tillsammans med flera olika typer av appar för smarttelefoner eller surfplattor som konsumenter redan äger.

Arkitekturen i Bluetooth Smart har anpassats så att den numera stöds av alla större operativsystem. Detta gör det enkelt för utvecklare att skapa appar som länkar till helt vanlig utrustning som t ex hjärtfrekvensmätare, tandborstar och t o m skor. En marknadsundersökning från 2013 som utfördes av ABI, visar att den totala mängden Bluetooth Smart- och Bluetooth Smart Ready-enheter kommer att fördubblas jämfört med Bluetooth “Classic” år 2014.


Fig 1. Källa: ABI Research; Bluetooth Service (klicka för större bild )

Vad är Bluetooth Smart?
Bluetooth Smart var tidigare känt under namnet Bluetooth Low Energy eller BLE och är en radioteknik med mycket låg effekt som skapats för cellbatterier och som skickar ut korta stötar med en liten mängd data i infrekventa tidsmängder med låg latens.

Bluetooth Smart baseras på en tidigare tillkännagiven teknik från Nokia som kallades Wibree. Nokia lanserade Wibree 2007 som: "en ny interoperabel radioteknik för små enheter. Den kan byggas in i produkter som t ex klockor, trådlösa tangentbord, spel- och sportgivare, som sedan kan ansluta till värdenheter som t ex mobiltelefoner och persondatorer. I ett nötskal är tekniken den länk som saknades mellan små enheter och mobila enheter/personliga datorer."

Tekniken saknade dock en protokollstruktur för interoperabilitet. Wibree integrerades i Bluetooth Special Interest Group och år 2010 godkändes specifikationen Bluetooth 4.0 Low Energy.

Var passar Bluetooth Smart?
Bluetooth Smart är ämnad för låg bandbredd och data med låg latens som skickas infrekvent. Om du undrar vad Bluetooth Smarts maximala kapacitet är för ditt tillämpningsområde, så kanske det inte är rätt teknik för dig.

Bluetooth Smart är perfekt för data av statustyp. Statusdata är där ANT/ANT+ och ZigBee fungerar bra med avseende på kommando och styrning (på/av), övervakning av givare med låg upplösning, och statusvisning. Stegräknare, hjärtfrekvensmätare, termometrar, positionsdata för accelerometrar och närhetsgivare är alla bra exempel på typer av tillämpningar med låg bandbredd och låg latens. Bluetooth Classic har använts som “kabelersättning” för datatillämpningar, medan Bluetooth Smart ses som en teknik som "ersätter trådar".

Bluetooth Smart jämfört med Bluetooth Classic
Ändringar gjordes till Bluetooth Baseband, Link Management Layer och övre datahanteringslager (L2CAP) i syfte att uppnå en mycket låg effektförbrukning. En av de uppenbara ändringarna som gjordes för att uppnå låg effektförbrukning var i radiointermittensfaktorn, länkhantering samt länkupprättande. Även om GFSK-moduleringen fortfarande är densamma hos Bluetooth Classic minskas tillämpningens kapacitet till en teoretisk kapacitet på 0,27 Mbit/s från 0,7–2,1 Mbit/s.

Det nya länkhanteringslagret minskar intermittensfaktorn och lägger till nya mekanismer som håller effektförbrukningen nere men som samtidigt lägger till låg latens till länken och gör den robust. Exempelvis måste Bluetooth Classic-radiopaket bekräftas omedelbart av den mottagande änden innan nästa paket överförs. Detta innebär att den mottagande enheten måste överföra ett ACK-paket och hålla sig vaken under en längre tid innan den bestämmer sig för att gå in i lågeffektsläge eller hålla sig vaken för att ta emot mer data. I Bluetooth Smart behöver det mottagande paketet inte bekräftas omedelbart och enheten kan gå in i lågeffektsläge under X mängd tid och sedan vakna för att skicka ett ACK-paket. Resultatet innebär att Bluetooth Smart-enheten kan ta emot eller t o m skicka data utan att använda upp dyrbart batteriliv på bekräftelser.

Kanalutrymme, moduleringsindex, och max utgångseffekt samt andra pakettyper är andra saker som har ändrats med Bluetooth Smart. Detta innebär att Bluetooth Classic inte är kompatibel med Bluetooth Smart. Endast Bluetooth Smart- och Bluetooth Smart Ready-enheter kan kommunicera med varandra. Bluetooth Smart Ready-enheter stödjer både Bluetooth Classic och Bluetooth Smart, vilket gör den till en enhet med två lägen. Nya Smart Ready-enheter dyker hela tiden upp på dagens marknad. Apple iPhone 4 och senare, iPad 2 och senare, nya Macbooks, Android-enheter och bärbara persondatorer är bara några få exempel på enheter som är Smart Ready idag.

Nya roller och datalägen
Bluetooth Smart definierar även nya roller och enhetstyper. Detta liknar master- och slav-rollerna i Bluetooth Classic. Det finns rolltyper för centrala enheter och kringutrustning i Bluetooth Smart. Rollerna definieras i profilerna samt på vilket sätt tjänster kan tillhandahållas mellan Bluetooth Smart- och Bluetooth Smart Ready-enheter. Varje enhet kan dock anta alla roller och växla mellan dem.

En central enhet utför funktionen att upptäcka, ansluta och komma åt de tillgängliga tjänsterna från kringutrustningen. Smarttelefoner, surfplattor och persondatorer utgör normalt den centrala enheten eftersom de har skärmar och användargränssnitt som kan upptäcka, ansluta och visa data och tjänster från kringutrustning.

Kringutrustning utför funktioner som att kunna upptäckas och anslutas till, av centrala enheter samt att tillhandahålla tjänster Exempel på kringutrustning idag är nycklar, motionstillbehör, klockor, temperaturgivare, möss eller tangentbord. Sådan kringutrustning har normalt endast Bluetooth Smart och drivs av batterier.

Visningsläge
En av de största fördelarna med Bluetooth Smart är förmågan att kunna annonsera och visa data utan att behöva upprätta en fullständig anslutning. Att upprätta en fullständig anslutning skulle kräva en högre intermittensfrekvens vilket skulle leda till större effektförbrukning. Vissa tillämpningar och data kan använda visningsläget till att spara effekt och kräver inte en dubbelriktad fullständig duplex RF-länk. Ett exempel är en temperaturgivare där temperaturen kan visas periodvis. En central enhet behöver inte skapa en fullständig anslutning till kringutrustningen för att ta emot den här lilla mängden temperaturdata.

I visningsläge används bara tre kanaler till att visa informationen. De tre kanalerna används för visning, scanning och anslutning av Bluetooth Smart-enheten. Det finns 37 andra kanaler som kan användas för anslutningsorienterade datakanaler. Detta är sammanlagt 40 kanaler med sändningsutrymme på 2 MHz. Bluetooth Classic använder 80 kanaler med sändningsutrymme på 1 MHz. De tre visningskanalerna är strategiskt placerade på 2 402 MHz, 2 426 MHz och 2 480 MHz för att undvika de tre icke-överlappande WiFi-kanalerna kanal 1, kanal 6 och kanal 11. I en aktiv anslutning finns det fortfarande nio kanaler som inte överlappar med dessa WiFi-kanaler. De tre visningskanalerna används också till att upptäcka och skapa aktiva anslutningar mellan enheter. Efter upptäckt och förfrågningar om anslutning startar enheterna sedan ett FHSS-program (frequency hopping spread spectrum) på de andra 37 kanalerna.


Fig 2. Bluetooth Smart kanalkarta med WiFi (klicka för större bild )

Ny datastruktur ATT och GATT
Tidigare talade vi om Bluetooth Smart som en teknik som “ersätter trådar”, även om informationen byts ut med hjälp av en klient-server-modell. Den använder en servicebaserad arkitektur som baseras på ATTribute-protokollet (ATT). All kommunikation i Bluetooth Smart äger rum över Generic ATTribute-profilen (GATT). En tillämpning eller annan profil använder GATT-profilen så att en klient och server kan interagera på ett strukturerat sätt. Servern innehåller ett antal attribut och GATT-profilen definierar hur ATT-protokollet ska användas för att upptäcka, läsa, skriva och hämta data. Tjänsterna används enligt definitionerna i profilspecifikationerna och GATT gör det möjligt för dig att visa dessa tjänster och egenskaper inom de specificerade profilerna.

För närvarande finns det 18 GATT-baserade profiler med definierade attribut som är reserverade. Dessa attribut har globalt unika identifierare (UUID – Universally Unique Identifiers). Det finns 26-bit, 32-bit och 128-bit UUID:er som kan användas. 16-bit och 32-bit reserveras för nuvarande och framtida Bluetooth Smart-tillämpningar och profiler. 128-bit UUID:er kan användas för egna profiler samt till tillämpningar för säljarspecifik data. Det saknas en SPP (Serial Port Profile) i Bluetooth Smart. Tillämpningar som använder SPP består i grund av överföring av skyddad data. Anpassade GATT-profiler är i stort sett samma koncept som överföring av skyddad data och kan användas för SPP-liknande implementering.


Fig 3. Exempel på Proximity Profile med GATT


Fig 4. Anpassad profil med GATT och anpassade UUID:er

Bluetooth Smart revidering 4.1
I december 2013 godkände Bluetooth Special Interest Group kärnspecifikationen 4.1 som lade till valfria funktioner i Bluetooth Smart. Revidering 4.1 utökar den funktionalitet som redan finns i revidering 4.0 av specifikationen. Alla de nya funktionerna i 4.1 finns som tillval och ändrar inte eller lägger till obligatoriska objekt till revidering 4.0. Detta innebär att enheterna 4.1 och 4.0 är kompatibla. Tidigare kvalificerade Bluetooth Smart 4.0-lösningar behöver inte värderas igen, men för 4.1-certifieringen måste lösningen testas igen.

Ändringar i revidering 4.1:
1.) Tillade signalering som förekommer samtidigt mellan Bluetooth Smart och mobiltekniker som t ex LTE
a. Nya mobilradior som t ex LTE/LTE-A Time Division Duplex-läge (TDD) (band 40) som ofta fungerar på 2,300-2,400 GHz. Detta är i samma band som Bluetooth Smart. Funktionen möjliggör att mobilradion och Bluetooth Smart sömlöst kan fungera samtidigt
2.) Förbättrad hantering av Link Supervision Timeout
a. Länkhanteraren mellan enheterna kan också förhandla om anslutningsintervall ifall anslutningen upphör t ex om enheten hamnar utanför räckvidd. Tidigare kunde länkövervakningen endast förhandla om hur länge länken skulle hållas öppen ifall en enhet hamnade utanför räckvidd eller förlorade RF-linjen. För att enheten skulle kunna ansluta igen var den tvungen att starta om anslutningsprocessen. Detta slösar på batteriet eftersom det ständigt befinner sig i det här läget och eftersom det inte finns något deterministiskt sätt att ta reda på när den andra enheten befinner sig inom räckvidd igen och kan ansluta. Den extra funktionaliteten i 4.1 gör det möjligt för enheten att förhandla om tidsintervall då de ska ansluta till varandra igen ifall länken går förlorad. Detta sparar på dyrbart batteriliv eftersom enheterna kan gå in i viloläge mellan tidsintervallen.
3.) Speciella L2CAP-orienterade kanaler
a. Den här funktionen har lagts till för Bluetooth SIG att bygga vidare på en IPV6-implementering i framtiden. Bluetooth Smart 4.0 använder L2CAP-lagret med attributprotokollet och GATT-profilen. Data finns dock endast tillgänglig genom dessa lager. En Bluetooth Smart-tillämpning kommer sedan att kunna ha en direktanslutning till L2CAP-lagret och kanalerna att ha en direkt dataström på samma sätt som Bluetooth Classic.
4.) Programfunktioner för Dual Mode Topology och Link Layer Topology
a. Den här funktionen gör det möjligt för en Bluetooth Smart-enhet att bli både en central enhet och kringutrustning samtidigt. Den här funktionen kan komma till stor nytta när det gäller att skicka information mellan två kringutrustningsenheter i ett ekosystem. Exempelvis kan en Bluetooth Smart-klocka ta emot information från en hjärtfrekvensmätare som central enhet men fortfarande vara kringutrustning till en smarttelefon. Tidigare skulle data ha skickats via smarttelefonen som centralenhet mellan klockan och hjärtfrekvensmätaren.

Ändringar till Bluetooth kvalificeringsstatus
Den 1 februari 2014 implementerades ytterligare ett sätt att finansiera Bluetooth SIG:s aktiviteter för att uppfylla de krav som ställdes på alliansen i samband med tillväxten i de Bluetooth-produkter som kommer ut på marknaden.

Dessa förändringar ändrar inte kvalificeringsprocessen och Bluetooth:s interoperabilitetstestning fortsätter att stödja tidigare och nuvarande modeller. Förändringen påverkar de mekanismer som används för att kvalificera och lista produkter. Förut kunde kunder referera komponenter och undersystem som kvalificerats i förväg för sådana moduler och lista deras produkter avgiftsfritt. Nu måste medlemmar som implementerar Bluetooth trådlös teknik i en produkt fylla i en deklaration om överensstämmelse (DoC – Declaration of Compliance) och en lista för de kvalificerade modellerna som de byggt, ändrat, använt eller märkt. En lista kan inkludera flera produkter om varje produkt implementerar samma kvalificerade modell som hänvisas till i DoC. Om en kund skapar en OEM-produkt som kan märkas som ett annat företag eller flera andra företag, måste även de lista produkten själva. En EPL (End Product Listing) kan endast skapas av en Bluetooth SIG-medlem, och en EPL kan inte skapas av en medlem åt ett annat företag.

En avgift tas efter DoC- och listprocessen. Avgiften ligger på mellan 2 000 dollar och 8 000 dollar per EPL beroende på vilken status den som utför processen har hos Bluetooth SIG, dvs. Associate Member eller Adopter samt storlek och intäkt för den som listar. Avgifterna har inget att göra med Future Electronics eller partners. Avgiften har implementerats direkt av Bluetooth SIG och är separat från certifierings- och testningskostnaderna. EPL-avgifterna gäller trots att certifiering i förväg för Bluetooth- och Bluetooth Smart-lösningar finns tillgänglig från Future Connectivity Solutions och våra partners.

Lösningar
Vi på Future Connectivity Solutions (FCS) förpliktar oss att tillhandahålla de bästa och effektivaste Bluetooth Smart-lösningarna till våra kunder. Systems on Chip (SoC) och modullösningar finns tillgängliga från FCS. Dessa lösningar tillhandahålls med färdiga Bluetooth Smart Protocol-stackar som har certifierats i förväg med enkla profil- och apputvecklingsmiljöer. Fullständigt certifierade moduler finns i storlekar så små som 2,5 mm x 2,5 mm SoC till 5 mm x 5 mm. Lösningar med 4 mA topp med <600 nA vilolägen finns också tillgängliga.

Moduler och SoC:er med integrerade långsamma klockor, nedstegning/förstärkning, BALUN-antenn, med Bluetooth och FCC IC, CE-certifiering finns nu tillgängliga. Produkter i utvecklingsplanen kommer att ha fler funktioner som t ex CapTouch IO, integrerad accelerometer och MEMS-givare, tillämpningar med M0+-processor och energiskördande kapacitet. Varje lösning kommer att ha en bästa passform i olika typer av Bluetooth Smart-enheter. FCS har lösningar från nedanstående försäljare för Bluetooth Smart- och Bluetooth Smart Ready-tillämpningar från någonting så enkelt som temperaturgivare till ett 180 mAh CR2032-cellbatteri som varar i sju år till den senaste nätverkstermostaten.
Allen Cabreros, wirelesspecialist, Future Connectivity Solutions

Comments are closed.