Protokół Bluetooth Low Energy (BLE), znany również jako Bluetooth Smart, stał się najpopularniejszym sposobem realizacji urządzeń ubieralnych i sprzętów domowych z łącznością bezprzewodową oraz tagów zbliżeniowych. Ten standard łączności bezprzewodowej bliskiego zasięgu pozwolił obniżyć pobór mocy dzięki szybszym połączeniom, które przesyłają mniejsze ilości danych z krótszym opóźnieniem.

Bluetooth Smart ma w założeniu zużywać jedną dziesiątą mocy w porównaniu do Bluetooth Classic. To osiągnięcie pokazuje dotychczasowy postęp w inżynierii, który umożliwia adaptację łączności bezprzewodowej w urządzeniach o małych rozmiarach (Rys. 1).

Bluetooth Smart wykorzystuje połączenie o szybkości 1 Mbit/s, co pozwala uzyskać użyteczną przepustowość 800 Kbit/s. Ten spadek przepustowości jest kompensowany przez obniżenie opóźnienia do 6 ms w porównaniu do 100 ms specyfikacji Bluetooth Classic. Takie innowacyjne rozwiązania pozwoliły wykorzystać Bluetooth Smart nie tylko w typowych zastosowaniach, jak najpopularniejsze urządzenia ubieralne – inteligentne zegarki i opaski – ale także we wszelkich innych urządzeniach ubieralnych oraz w Internecie Przedmiotów (IoT).

Rys. 1. Bluetooth Smart (lub BLE) wyewoluował z istniejących protokołów, aby obsłużyć urządzenia ubieralne oraz IoT. (rys. autorstwa Aislelabs)

Przykładowo, czujniki w ubieralnych systemach rzeczywistości wirtualnej stosowanych na potrzeby gier wykorzystują połączenia Bluetooth Smart, aby przesłać dane do bezprzewodowego zestawu VR z minimalnym opóźnieniem. Istnieją również aparaty słuchowe, które dzięki połączeniom BLE pozwalają regulować dźwięk, zgłaszać alarmy, sprawdzać stan baterii i modyfikować ustawienia za pomocą smartfona.

Beacony, czujniki bezprzewodowe i paszporty biometryczne w postaci urządzeń ubieralnych są innymi istotnymi obszarami zastosowań technologii Bluetooth Smart. BLE jest wykorzystywane w reklamach mobilnych i sprzedaży, systemach biletowych, zamkach do drzwi i innych systemach zabezpieczających. Urządzenie obsługujące Bluetooth Smart – smartfon czy tablet – pozwala monitorować położenie, przyspieszenie i obecność dowolnego otagowanego urządzenia w promieniu od 5 do 30 metrów.

Ostatnia wersja specyfikacji – Bluetooth 4.2 – stanowi podstawę dla urządzeń ubieralnych i IoT następnej generacji, pozwalając większej liczbie urządzeń połączyć się w sieć. Obecnie specyfikacja zwiększa maksymalną przepustowość transferu do 800 Kbit/s, co daje wartość 2,6 razy większą od poprzedniej wersji. Umożliwia to szybszą rejestrację danych i sprawniejszą aktualizację oprogramowania.

Upraszczanie projektu BLE

Na rynku pojawiły się nowe oferty zapewniające kompletne rozwiązania BLE – od układów półprzewodnikowych, poprzez stosy oprogramowania, a na modułach kończąc. Pozwalają one tworzyć projekty BLE lepsze pod względem łączności, bezpieczeństwa i poboru mocy. Bezpieczeństwo jest już tu najważniejszą kwestią, która została już  zidentyfikowana jako największe wyzwanie dla Internetu Przedmiotów.

Wersja 4.2 standardu Bluetooth wnosi wiele ulepszeń pod względem bezpieczeństwa, a jednocześnie utrudnia śledzenie urządzeń na podstawie połączeń Bluetooth. Przede wszystkim zawiera mechanizm uwierzytelniania na poziomie Bluetooth Classic i pozwala na parowanie urządzeń tylko wówczas, gdy połączenie jest w pełni bezpieczne.

Po drugie, jest możliwość automatycznego parowania, jak również komunikacji w dwóch trybach. Jeden z trybów umożliwia łatwiejsze parowanie urządzeń, natomiast drugi zapewnia bezpieczeństwo transferu danych. Kolejną istotną funkcją łączącą bezpieczeństwo i oszczędność energii jest wymaganie, aby beacony i tagi zbliżeniowe otrzymały zezwolenie od urządzeń, z którymi zamierzają się komunikować.

Układy Bluetooth Smart mogą zapewnić prywatność i filtrację połączeń – istnieje opcja budzenia tylko w sytuacji, gdy obiekt uznany za zaufany znajdzie się w bliskiej odległości. Co więcej, nowe podsystemy BLE oszczędzają znaczną ilość energii wyłączając się, gdy nie są używane.

Rys. 2. Układy Bluetooth o wysokim stopniu integracji – SoC i moduły – pozwalają bezproblemowo stosować połączenia BLE w projektach urządzeń ubieralnych i IoT (rys. autorstwa Cypress Semiconductor)

Układy Bluetooth Smart mogą teraz pracować w jednym z wielu trybów – aktywnym, uśpienia, głębokiego uśpienia, hibernacji i zatrzymania – aby zaoszczędzić energię. Przykładowo, układ Bluetooth może zadecydować o przejściu urządzenia w tryb głębokiego uśpienia, gdy procesor jest wyłączony, ale łącze BLE nadal pracuje.

Układ Bluetooth Smart w trybie głębokiego uśpienia może pobierać prąd poniżej 500 nA, zachowując dane w odświeżanej pamięci. Natomiast  tryby hibernacji i zatrzymania przerywają połączenie, ale dzięki nim układ pobiera prąd rzędu pojedynczych nanoamperów.

Koszty projektu i powierzchnia płytki są dwoma głównymi wyzwaniami podczas tworzenia projektów BLE. W takich sytuacjach pomocne są jednoukładowe rozwiązania Bluetooth oraz moduły o  wysokim stopniu integracji zgodne z najnowszą wersją specyfikacji Bluetooth. Ułatwiają one projektantom zoptymalizowanie powierzchni projektu i zaoszczędzenie na kosztach elementów, pozwalają także skrócić czas projektowania.

Jednoukładowe rozwiązania BLE

Wykorzystanie wielu układów jest zaprzeczeniem idei BLE, zarówno z powodu kosztów, jak i zużycia energii. Warto zatem zapoznać się z energooszczędnymi układami typu system-on-chip (SoC), które łączą innowacyjną architekturę procesora z układem radiowym obsługującym wiele protokołów. Pozwalają one zmniejszyć całkowity koszt i rozmiar układu, a także pobór mocy.

Znajdujący się wewnątrz tych SoC procesor obsługuje funkcje kontroli, takie jak wybór odpowiednich trybów zużycia energii w zależności od wymagań w danej chwili. Dzięki odpowiedniej pojemności pamięci może on również obsłużyć stos protokołów Bluetooth Smart, który obejmuje funkcje bezpieczeństwa i wiele profilów. Ten sam układ scalony zawiera także pamięć do przechowywania danych i programu użytkownika. Realizacja wszystkich tych funkcji eliminuje potrzebę użycia drugiego mikrokontrolera – co oznaczałoby dodatkowe koszty, większy pobór mocy i dodatkową moc używaną przez interfejs komunikacji.

Kolejnym rozwiązaniem jest radio Bluetooth z obsługą wielu protokołów. Pozwala ono zoptymalizować połączenia BLE dla danych o krytycznym znaczeniu. Jednocześnie umożliwia realizację usług o niskim opóźnieniu, jak strumieniowanie audio z użyciem własnego protokołu na częstotliwości 2,4 GHz. Silniejszy sygnał i wiele opcji transferu danych oznacza obniżenie poboru energii z baterii przy zachowaniu stabilnego zasięgu transmisji.

Dzięki układom SoC o wysokim stopniu integracji projektanci, którzy maja niewielkie doświadczenie w projektowaniu systemów Bluetooth lub systemów radiowych w ogóle, ominą typowe problemy i w łatwy sposób dodadzą łączność BLE do projektu. Co więcej, te gotowe rozwiązania zapewniają wysoką czułość odbiornika, daleki zasięg i, co najważniejsze, automatyczny system zarządzania zużyciem energii.

Rys. 3. Energooszczędny układ Bluetooth typu SoC firmy Cypress jest przeznaczony dla wyposażonych w  czujniki urządzeń ubieralnych i IoT

Dobrym przykładem takiego rozwiązania jest układ PSoC 4 BLE firmy Cypress Semiconductor. Stanowi on połączenie analogowych układów wejściowych, cyfrowych układów logicznych, modułu radiowego Bluetooth Smart i czujnika pojemnościowego CapSense. PSoC 4 BLE wykorzystuje procesor z rdzeniem ARM Cortex-M0 i darmowy stos protokołów BLE kompatybilny z wersją Bluetooth 4.2.

Cypress dokłada starań, aby ułatwić stworzenie kompletnego systemu w oparciu o układ PSoC 4 – zaczynając od modułów. Moduł PSoC EZ-BLE zawiera układ BLE PSoC 4, antenę, oscylatory kryształowe i wszystkie elementy pasywne potrzebne do stworzenia systemu Bluetooth typu plug-and-play.

Rys. 4. Moduły EZ-BLE w ofercie Cypress Semiconductor pokrywają pełen zakres zintegrowanych, programowalnych modułów, które otrzymały niezbędne certyfikaty. Dzięki wbudowanym oscylatorom kryształowym, antenie scalonej, ekranowaniu i elementom pasywnym ułatwiają i przyspieszają tworzenie projektu. Moduły o wymiarach 10 x 10 x 1,80 mm są mniejsze od monety

Co więcej, Cypress oferuje płytkę ewaluacyjną, która pozwala inżynierom opracować i przetestować system wykorzystujący moduł PSoC EZ-BLE.  Płytka ewaluacyjna ułatwia opracowanie prototypu – obsługuje za pomocą wejść ogólnego przeznaczenia (GPIO) takie komponenty, jak czujnik CapSense, diody LED i przyciski. Dodatkowo aplikacja PSoC Creator umożliwia szybkie projektowanie z użyciem graficznego interfejsu użytkownika (Rys. 5).

Rys. 5. Narzędzie Cypress PSoC Creator przyspiesza projektowanie. Ilustracja przedstawia monitor pracy serca z łącznością BLE i autorskimi analogowymi układami wejściowymi. (rys. autorstwa Cypress Semiconductor)

Narzędzie to zawiera gotowe graficzne komponenty obsługiwane metodą „przeciągnij-i-upuść”. Gdy projekt zostanie ukończony, program generuje interfejsy aplikacji (API) dla każdego elementu na schemacie. Program BLE Component upraszcza konfigurację stosu i profili.

Moduł: Kompletny podsystem BLE

Wielu dostawców układów SoC dla Bluetooth – Atmel, Cypress i Silicon Labs – oferuje moduły, co jest korzystną sytuacją dla projektantów. Są to innowacyjne rozwiązania mające wiele zalet – małą powierzchnię, niską cenę i niewielki pobór mocy. Moduły BLE są kolejnym krokiem na drodze rozwoju sprzętowych podsystemów dla urządzeń ubieralnych i IoT.

Moduły zawierają kompletne układy sprzętowe i oprogramowanie potrzebne do realizacji systemów opartych o BLE. Stanowią połączenie układu SoC Bluetooth, anteny i interfejsów do podłączenia układów peryferyjnych oraz czujników. Moduły te są certyfikowane, dzięki czemu projektanci mogą ominąć złożony proces opracowania anteny i dopuszczenia urządzenia do użycia.

Mimo to obsługa komunikacji radiowej przez Bluetooth może być trudna. Projekt anteny jest kluczowy dla Bluetooth – jej pozycja i charakterystyka kierunkowa muszą być dobrze dobrane. W przeciwnym wypadku, jeśli antena jest umieszczona w złym miejscu płytki, może to negatywnie wpłynąć na parametry pracy – emitowaną moc i czułość odbiornika, a w konsekwencji na czas pracy urządzenia.

Aktualnie dostępnych jest wiele modułów BLE ze zintegrowanymi układami wejściowymi. Zawierają one antenę scaloną na podłożu ceramicznym, filtr dolnoprzepustowy i odpowiedni symetryzator. Symetryzator zapewnia dopasowanie anteny, konwertując sygnały symetryczne na niesymetryczne i odwrotnie. Takie rozwiązanie obniża poziom niepożądanej emisji i zawartość harmonicznych. Wszystkie te cechy pozwalają zmniejszyć rozmiary tworzonych urządzeń ubieralnych.

Przykładem jest moduł wejściowy Skyworks Solutions SKY66111-11. Składa się on z przełącznika anteny (tryb nadawczy / odbiorczy), filtra i wzmacniacza (schemat 6). Stosowany jest najczęściej w połączeniu z układami radiowymi Bluetooth Nordic Semiconductor, Dialog Semiconductor, Texas Instruments i innych producentów. Moduł wejściowy eliminuje ryzyko słabej jakości połączenia z urządzeniem Bluetooth i pozwala uzyskać niski pobór prądu – 10 mA w przypadku sygnału o mocy +10 dBm.

Schemat 6. Rozwiązanie SKY66111-11 firmy Skywork Solutions to przykład radiowego modułu wejściowego, który można połączyć z modułem SoC, aby wydłużyć zasięg transmisji. Moduł wydaje się prosty, ale jest to układ o dużej skali integracji, który zapewnia wysokie parametry podczas pracy z sygnałami radiowymi

Wymiary modułu Cypress EZ-BLE to 10 x 10 mm, natomiast moduł Skyworks zajmuje powierzchnię tylko 3,3 x 3,0 mm i ma 20 wyprowadzeń. Pracuje w zakresie napięć zasilania od 1,8 V do 5 V. W trybie uśpienia pobiera prąd poniżej 1 µA. Używając go trzeba uważać, aby nie przesterować przełącznika zbyt silnym sygnałem radiowym na wejściu. Początkową moc wejściową należy ustawić na -20 dBm i dopiero od tej wartości można pracować nad poprawą jakości sygnału.

Kolejnym modułem jest opracowany przez Silicon Labs moduł BLE Blue Gecko BGM113. Łączy on układ komunikacji bezprzewodowej 2,4 GHz Blue Gecko i stos protokołów zgodny z Bluetooth 4.1. Można jednak zaktualizować oprogramowanie producenta do wersji 4.2. Ponadto Silicon Labs oferuje narzędzia projektowe, takie jak Energy Profiler i Packet Trace.

Rys. 7. Moduł Blue Gecko BGM113 firmy Silicon Labs stanowi kompletną i przetestowaną platformę – wbudowany stos, antena i odpowiednie certyfikaty

Moduł BGM ma też własny zasilacz prądu stałego i dodatkowe funkcje bezpieczeństwa – autonomiczny sprzętowy układ kryptograficzny i generator liczb prawdziwie losowych (TRNG).

Podsumowanie

Jasne jest, że pewne i szybkie wprowadzenie produktu na rynek łatwiej osiągnąć dzięki gotowym modułom Bluetooth Smart i odpowiednim modułom wejściowym. Wiedzą o tym projektanci, wiedzą również producenci i dostawcy, którzy starają się zapewnić jak najlepsze wsparcie techniczne i ofertę oprogramowania pomocniczego. Staranny projekt płytki, dobór elementów i opracowanie oprogramowania pozwala tworzyć innowacyjne urządzenia ubieralne, inteligentne sprzęty domowe i wiele innych rozwiązań IoT.