Bluetooth smart что это
Стандарт Bluetooth 4.0 становится Bluetooth Smart вслед за появлением в iPhone 4S
Вслед за выпуском компанией Apple своего новейшего iPhone 4S, ставшего, по сути, первым появившимся в широкой продаже смартфоном с поддержкой Bluetooth 4.0, организация Bluetooth Special Interest Group (SIG), занимающаяся поддержкой и развитием соответствующего стандарта беспроводной связи, официально начала продвигать указанную технологию под новым маркетинговым термином Bluetooth Smart.
Как сказано в выпущенном недавно пресс-релизе, Bluetooth SIG анонсирует два новых расширения бренда для устройств с поддержкой Bluetooth 4.0. Под торговой маркой Bluetooth Smart Ready могут фигурировать мобильные телефоны, планшетные компьютеры, ПК и телевизоры, реализующие радиостандарт Bluetooth v4.0 с двумя режимами. В то же время обозначение Bluetooth Smart будут нести на себе, к примеру, пульсометры и шагомеры, использующие для питания аккумуляторы таблеточного типа и созданные для сбора определенного вида информации.
При этом устройства под маркой Bluetooth Smart могут включать поддержку лишь однорежимной радиотехнологии Bluetooth v4.0 с низким энергопотреблением, а сам новый стандарт обещает реализовать беспроводное энергоэффективное взаимодействие портативных устройств, что открывает перед их владельцами множество новых возможностей. В то же время отметим, что пока даже iPhone 4S не может раскрыть связанный с Bluetooth Smart потенциал из-за отсутствия соответствующей периферии.
Три вида Bluetooth: какой выбрать?
Краткая история беспроводной технологии Bluetooth
Технология Bluetooth LE появилась под названием “Bluetooth lite” в исследовательских лабораториях Nokia в середине 2000-х годов и изначально предназначалась для дополнения обычной технологии Bluetooth в приложениях, где использование обычного Bluetooth было слишком сложно или предполагало большие энергозатраты. В Nokia рассмотрели потенциал новой технологии. Позже, в 2006 году компания при содействии ряда других производителей полупроводниковых и беспроводных решений создала отраслевой альянс, который получил название Wibree (Wi — от wireless («беспроводной») и bree — со староанглийского «перекресток»).
Спустя примерно год стало ясно, что дальнейшее развитие технологии представляется более логичным внутри Bluetooth SIG (Special Interest Group), и разработка была передана этой организации. В 2010 году Wibree была включена в следующую спецификацию (Bluetooth v4.0) в качестве Bluetooth-технологии ультранизкого энергопотребления (Ultra-low Power Bluetooth), теперь известную как Bluetooth с низким энергопотреблением (Bluetooth Low Energy). Для потребителей интерфейс Bluetooth v4.0 более знаком как Bluetooth Smart или Bluetooth Smart Ready, в зависимости от того, в какой форме он представлен.
Текущее состояние Smart
С начала работы над этой статьей (октябрь 2012 года) интерфейс Bluetooth Low Energy уже использовался во многих устройствах, например в измерителе пульса Polar H7, спортивных часах Garmin Fenix и других решениях. Многие из них можно найти в списке продуктов на основе Bluetooth Smart на странице Bluetooth SIG Bluetooth Smart: http://www.Bluetooth.com/Pages/Bluetooth-Smart-Devices.aspx /ссылка утеряна/. Что не менее важно, стандарт Bluetooth Low Energy поддерживается в новых мобильных телефонах, планшетах и ПК от Apple, Motorola и Samsung.
Что на самом деле такое Bluetooth Smart/Bluetooth Low Energy?
Есть некоторая неопределенность относительно того, что именно предлагает стандарт Bluetooth 4.0. Некоторые люди, не знакомые с принципами работы технологии Bluetooth, считают, что Bluetooth Smart снижает потребление энергии во всех случаях применения Bluetooth, но это неверно. Преимущества Bluetooth Smart очевидны только в устройствах, действительно использующих возможности Bluetooth Smart/Bluetooth Low Energy относительно экономии энергии, и лишь в определенных режимах. Об этом мы поговорим позже, а сейчас рассмотрим, как можно определить Bluetooth Smart с точки зрения потребителя.
Bluetooth Smart и Bluetooth Smart Ready
Для удобства потребителя Bluetooth-устройства, поддерживающие технологию Bluetooth Low Energy, имеют стикеры Bluetooth Smart и Bluetooth Smart Ready. Эти стикеры необязательно напрямую соответствуют техническим категориям, которые будут описаны ниже, но они олицетворяют определение этих технологий, удобное для восприятия потребителя.
Устройства Bluetooth Smart Ready — это некие «узловые» устройства, например компьютеры, планшеты, мобильные телефоны и подобные продукты, которые поддерживают стандарт Bluetooth Smart (Bluetooth Low Energy) и позволяют в дальнейшем добавлять дополнительные профили за счет загрузки приложений или драйверов, или другими методами.
Рис. 1. Взаимосвязь между устройствами Bluetooth Smart и Bluetooth Smart Ready (источник: Bluetooth SIG)
Устройства Bluetooth Smart — это устройства на основе технологии Bluetooth Low Energy, способные соединяться с устройствами Bluetooth Smart Ready (рис. 1). Следует отметить одну важную вещь: устройства на основе Bluetooth Smart по определению не могут соединяться с «классическими» Bluetooth-устройствами, а только с устройствами Bluetooth Smart Ready. Такой подход направлен на то, чтобы потребитель при покупке устройства Bluetooth Smart знал, что оно будет работать с другим устройством с логотипом Bluetooth Smart Ready, но не с устройствами с обычным логотипом Bluetooth.
Технологические различия
С технологической точки зрения существуют три в корне разных типа устройств: «классический», двухрежимный и однорежимный Bluetooth. Первый тип представлен устройствами с поддержкой «классического» типа интерфейса Bluetooth, притом в эту категорию попадает большинство известных Bluetooth-устройств. Несмотря на то, что аппаратное обеспечение с поддержкой стандарта Bluetooth Low Energy на данный момент уже более чем год поставляется на международный рынок, множество конечных продуктов не имеют программной поддержки технологии Bluetooth Low Energy. Тем не менее есть веские причины ожидать, что большинство устройств в дальнейшем будут поддерживать Bluetooth Low Energy (так как интегральные схемы Bluetooth уже поддерживают его). Однако останутся некоторые категории Bluetooth-продуктов (например, Bluetooth-стереонаушники), где использование Bluetooth Low Energy не дает никаких ощутимых преимуществ, поэтому в обозримом будущем эти устройства продолжат использовать «классический» Bluetooth.
Вторая категория — так называемые двухрежимные устройства. Они поддерживают не только «классический» Bluetooth, но и Bluetooth Low Energy, и могут соединяться как с «классическими» Bluetooth-устройствами, так и с устройствами Bluetooth Smart. В конструкции устройств Bluetooth Smart Ready используются двухрежимные ИС. Эти устройства не могут воспользоваться преимуществами пониженного энергопотребления, которые предлагает технология Bluetooth Low Energy, так как им необходимо соответствовать техническим требованиям устаревших Bluetooth-устройств, но, тем не менее, они являются неотъемлемой частью всей экосистемы.
Третья и, вероятно, самая любопытная категория — это однорежимные устройства, которые используют Bluetooth Low Energy как единственно возможную технологию коммуникации. Эти устройства не могут напрямую соединяться с «классическими» Bluetooth-устройствами, но, с другой стороны, они оптимизированы для применения с Bluetooth Low Energy и способны использовать все ее преимущества.
Отметим, что технология Bluetooth Low Energy была разработана для тех сфер, где длительность работы устройства сравнительно мала. Например, браслет для измерения пульса может быть подключен все время в течение долгой тренировки, но ему нужно передавать всего несколько байт в секунду, то есть при условии использования оптимизированного протокола передатчик будет включаться не более чем на миллисекунду. Сравните это с работой беспроводного аудиодинамика или наушников, где объемы передаваемых данных исчисляются сотнями килобайт в секунду и передатчик, таким образом, находится во включенном состоянии значительное время (десятки процентов от общего времени работы устройства).
Изначальная спецификация Bluetooth предполагала беспроводную передачу данных в средах общего назначения, и она была успешно адаптирована под использование в других областях, например в устройствах ввода и беспроводных аудиопродуктах. Технология Bluetooth Low Energy была специально создана для решений, где применение классической формы Bluetooth не было бы оправданно, таким образом, был расширен потенциальный рынок для технологии Bluetooth.
Рынки для Bluetooth Smart
В настоящее время технология Bluetooth Smart нашла широкое распространение в сфере спорта и фитнеса. Многообещающие перспективы для этой технологии открываются в медицине и здравоохранении, а также в таких сферах, как бесконтактные бирки, так называемые «приложения-аксессуары» и интерфейсы удаленного доступа.
Бесконтактные, небольшого размера бирки работают от батарей. Благодаря им при помощи узловых устройств можно узнать, находится ли тот или иной объект на расстоянии действия Bluetooth. Это может быть очень удобно для отслеживания местоположения мелких предметов, например ключей, или для того, чтобы удостовериться, что телефон не остался дома, или чтобы найти, куда дети спрятали пульт ДУ.
«Приложения-аксессуары» — это устройства, которые подключаются по беспроводной связи к телефону или планшету и расширяют таким образом функциональность приложения, что не всегда возможно при помощи сенсоров, встроенных в мобильное устройство. Примером может служить измеритель пульса, применяемый в спортивных приложениях. (Сейчас вряд ли существует технология, позволяющая мобильному телефону напрямую измерять пульс человека.)
Рис. 2. Типичный встроенный пользовательский интерфейс
Удаленный пользовательский интерфейс основан на концепции, согласно которой различными устройствами можно управлять при помощи интерфейса на мобильном устройстве или компьютере: при таком подходе нет необходимости в использовании физического интерфейса с кнопками и дисплеями (рис. 2). Такая концепция уже применяется в более сложных устройствах, которые подключены к Интернету (например, домашний роутер автора статьи конфигурируется через веб-браузер). Но Bluetooth Smart расширяет эту функциональность на ряд других устройств, которые работают от батареи или не всегда подключены к Интернету.
Любимый пример автора: обогреватель в комнате его детей имеет термостат, который можно программировать с учетом различных температур днем и ночью каждый день недели. Пользовательский интерфейс этого прибора оснащен двумя семисекционными индикаторами, тремя LED-индикаторами и пятью кнопками. Абсолютно непонятно, как можно научиться им пользоваться, даже при помощи мануала. Однако если бы аппаратную начинку устройства можно было бы заменить микросхемой с Bluetooth Low Energy, работу обогревателя можно было бы программировать при помощи смартфона, что сделало бы использование устройства максимально удобным и могло бы сэкономить средства производителя (за счет компонентов, а также сокращения возвратов и обращений в службу поддержки).
Можно рассмотреть возможности Bluetooth Smart как катализатора так называемой концепции «Интернета вещей». Устройствам с поддержкой Bluetooth Smart не нужно напрямую подключаться к Интернету, это можно сделать посредством распространенных устройств вроде смартфонов, планшетов или ПК. Основным преимуществом такой реализации является возможность сделать беспроводные устройства проще, дешевле и экономичнее с точки зрения энергопотребления, чем устройства с прямым подключением к сети через интерфейсы GSM/3G/LTE или по Wi-Fi. Им не нужна инфраструктура: у пользователей уже есть все оборудование, необходимое для подключения таких устройств к Интернету.
Итак, чем же конкретно отличается Bluetooth Low Energy от «классического» Bluetooth? Различия начинаются на нижних уровнях: трансивер (PHY) Bluetooth Low Energy — это более тонкая и оптимизированная версия трансивера номинальной скорости Bluetooth (рис. 3). (PHY — трансивер для физической передачи радиосигнала; BR и EDR — термины, обозначающие номинальную скорость передачи и повышенную скорость передачи данных. Этими терминами ранее обозначались режимы передачи данных на уровне 1 и 2–3 Мбит/с в «классическом» Bluetooth.)
Рис. 3. Сравнение архитектуры:
а) Bluetooth Low Energy;
б) «классический» Bluetooth
В то время как трансивер номинальной скорости перестраивает частоту по 79 каналам (количество каналов можно снизить до 20 путем адаптивной перестройки частоты) и обнаруживает радиосигнал на 32 каналах, трансивер номинальной скорости Bluetooth Low Energy имеет только 37 каналов и обнаруживает радиосигнал на трех каналах. Так как сигналу Bluetooth Low Energy нужно пройти намного меньшее количество каналов во время обнаружения, этот процесс происходит намного быстрее, и связь можно установить в течение нескольких миллисекунд, а не в течение пары секунд, необходимых «классическому» Bluetooth. Шаг сетки частот у Bluetooth Low Energy составляет 2 МГц, а этот же параметр для интерфейсов номинальной скорости составляет 1 МГц, что снижает требования к фильтрации радиочастот.
На уровне выше соединения Bluetooth Low Energy в основном похож на так называемый режим sniff sub-rating, свойственный трансмиттеру номинальной скорости. Благодаря этому свойству Bluetooth Low Energy может поддерживать соединения энергоэффективным методом, при этом нет необходимости включать радиопередатчик. Также из спецификаций Bluetooth следует не вполне очевидный факт: более гибкие требования технологии дают производителям ИС возможность проводить множество действий по оптимизации, которые невозможны в «классическом» Bluetooth, например снижать активные и неактивные токи и сокращать время переключения. Эти приемы позволяют сделать однорежимные микросхемы маломощными, простыми и недорогими по сравнению с двухрежимными и классическими микросхемами.
Также существуют различия на уровне профиля. Уровень профилей Bluetooth Low Energy находится поверх GATT и для обмена данными связывается по протоколу GATT/ATT. В «классическом» Bluetooth профили самостоятельно определяют свой протокол. То есть эта технология обладает большей гибкостью, но усложняет внедрение, так как требует для исполнения больше строк кода.
Какой из вариантов технологии Bluetooth выбрать?
Более новые ИС, как правило, являются двухрежимными, а не классическими, поэтому с точки зрения аппаратного обеспечения в большинстве случаев выбор сделают за вас. Некоторые устройства, привязанные к определенным приложениям, вероятно, останутся только BR или BR/EDR, если их сфера применения не предполагает использования Bluetooth Low Energy. Относительно ПО многие распространенные стеки Bluetooth уже поддерживают Low Energy, но и среди них могут быть продукты, которые его не поддерживают.
Если приходится делать выбор между двухрежимными и однорежимными ИС или микросхемами типа «система на кристалле», следует учитывать, в какой сфере будет применяться устройство. Если вам нужно, чтобы устройство могло соединяться с «классическими» Bluetooth-устройствами, выбор прост: вам необходимо двухрежимное устройство. Если вы можете варьировать типы подключения на обоих концах соединения, то важным критерием отбора является предполагаемый объем данных, который нужно будет передавать по беспроводному соединению. Если объем данных велик или вы хотите организовывать потоковую передачу, вам следует остановить выбор на BR/EDR-решении. Примером такой ИС может служить CC2564 от TI. Эта ИС имеет стек Bluetooth v4.0 до уровня HCI, в то время как остальная часть стека исполняется на хост-контроллере (MCU).
Если вам нужно передавать малые объемы информации, то наилучшим выбором станет Bluetooth Low Energy. Bluetooth Low Energy обеспечивает более длительное время автономной работы, особенно если его использовать в сферах применения, для которых он был изначально разработан. Например, сенсор, соединяющийся с мобильным телефоном каждую секунду, может проработать без перерыва более года, питаясь от батареи-таблетки типа CR2032. Энергопотребление (а следовательно, и время автономной работы) зависит от длительности соединения. Минимальная длительность соединения, поддерживаемая в BLE, составляет 7,5 мс, а максимальная — 16 с. Время 16 с — это максимальное время ожидания. Если необходимо более длительное соединение, можно прервать соединение и переподключаться каждый раз, когда это необходимо. Как уже было сказано, так как только три канала используются для переподключения, само переподключение происходит намного быстрее, чем у «классического» Bluetooth, и исчисляется миллисекундами, а не секундами.
Отраслевой стандарт смещается в сторону ИС, способных обеспечить полную функциональность в устройствах сенсорного типа, за исключением самого элемента сенсорики. TI CC2541 — это пример однорежимного однокристального решения для Bluetooth Low Energy, которое содержит радиопередатчик, MCU и периферийные элементы, а также программируемую встраиваемую флэш-память.
Свою роль могут сыграть и другие факторы. Например, если вы хотите, чтобы ваше устройство могло соединяться с устройствами на базе iOS, для этой цели подойдет Bluetooth Low Energy. В настоящее время Apple требует, чтобы все устройства BR/EDR, поддерживающие профили помимо рекомендованных, проходили сертификацию по программе MFI. Относительно устройств на базе Bluetooth Low Energy таких ограничений нет, поэтому приложения на основе iOS для iPhone 4S, iPhone 5, iPod touch (пятого поколения) или iPad 3 (на базе iOS 5 или старших версий) cмогут использовать API на основе GATT для связи с BLE-устройствами.
Что касается других операционных систем, некоторые смартфоны на Android уже поддерживают Bluetooth v4.0, и количество таких решений будет расти. ОС Windows 8 предлагает полную поддержку Bluetooth v4.0, а соответствующие API уже были представлены на мероприятиях разработчиков Microsoft.
Также имеет смысл принять во внимание простоту внедрения и доступность инструментов и документации для разработчиков. Некоторые производители устройств на основе однорежимного Bluetooth Low Energy предлагают бесплатные программные стеки и документацию в открытом доступе на веб-сайтах. При разработке решений на основе «классического» Bluetooth принято требовать лицензионные выплаты за стек протоколов и предлагать техническую документацию и другие сведения при условии соблюдения политики неразглашения.
Заключение
Благодаря Bluetooth v4.0 разработчики Bluetooth-устройств получили новый полезный инструмент, существующий под различными названиями: Bluetooth Smart, Bluetooth Smart Ready или Bluetooth Low Energy. Но как ее ни называй, эта новая технология основана на долговременном успехе Bluetooth на рынке устройств на основе ближней радиосвязи и позволяет комбинировать изначальные преимущества Bluetooth с низким энергопотреблением, простотой и дешевизной.
Как выбрать лучший протокол Bluetooth для вашего приложения?
Беспроводная связь становится неотъемлемой частью электроники, так как все больше и больше потребителей требуют возможности отправлять и получать данные, не привязываясь к разъемам и кабелям. Одним из самых популярных протоколов беспроводной связи является Bluetooth, который имеет универсальность для поиска «родственников» в самых разных приложениях.
Среди многих других приложений Bluetooth встроен в автомобили, так что пользователи могут воспроизводить свою любимую музыку со смартфона на автомобильной стереосистеме. Новая область безопасности «умного дома» использует Bluetooth, чтобы позволить людям выполнять такие задачи, как запирание и отпирание входной двери с помощью телефона. Bluetooth также можно использовать для отправки файлов между планшетом и компьютером, отправки уведомлений с фитнес-трекера на компьютер или телефон и многое другое. На рисунке ниже изображены два распространенных устройства с поддержкой Bluetooth, смартфон и ноутбук.
Все эти различные приложения подпадают под общий термин «Bluetooth», но, что удивительно, не все из них используют одни и те же беспроводные протоколы. Некоторые используют Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE), в то время как другие используют базовую скорость Bluetooth / повышенную скорость передачи данных (Bluetooth BR / EDR). Более новые приложения даже могут использовать Bluetooth 5.
Большинство людей не знают ни о разнице между Bluetooth BR / EDR и BLE, ни о том, какой из них лучше всего подходит для их конкретных приложений. С появлением Bluetooth 5 все стало более запутанным, что еще больше стирает грань между этими протоколами. Цель этой статьи — объяснить, чем BLE отличается от Bluetooth BR / EDR и как Bluetooth 5 обещает улучшить оба протокола. Это также поможет вам определить версию, наиболее подходящую для вашего приложения.
История
Чтобы лучше понять, чем отличаются Bluetooth с базовой скоростью передачи данных (BR) / повышенную скорость передачи данных (EDR) и BLE, важно изучить историю этих беспроводных технологий. Каждый из них был разработан Специальной группой по интересам Bluetooth (Bluetooth SIG), которая управляет всеми протоколами Bluetooth. По мере разработки Bluetooth SIG выпускает новую спецификацию для внесения улучшений. Временная шкала на рисунке ниже показывает спецификации Bluetooth, которые были выпущены и где Bluetooth BR, Bluetooth EDR, BLE и Bluetooth 5 соответствуют этим спецификациям.
Bluetooth с базовой / повышенной скоростью передачи данных (BR/EDR)
Bluetooth BR был первым разработанным протоколом Bluetooth. В нем реализован уникальный метод использования гауссовой частотно-сдвиговой манипуляции (GFSK) для обмена данными в диапазоне ISM 2,4 ГГц. Эта полоса была выбрана потому, что, в отличие от большинства полос частот, для работы в ней не требуется лицензия, поэтому связь полностью бесплатна. Bluetooth BR быстро завоевал популярность, поскольку он предоставил недорогой и маломощный способ отправки и получения данных по беспроводной сети на короткие расстояния со скоростью передачи данных до 0,7 Мбит / с.
Несколько лет спустя была выпущена новая спецификация Bluetooth 2.0, которая включала опцию Bluetooth EDR. Bluetooth EDR позволяет передавать данные в два-три раза быстрее, чем предыдущая версия. Это стало возможным потому, что он использует дифференциальную квадратурную фазовую манипуляцию (QDPSK) и дифференциальную 8-уровневую фазовую манипуляцию (8DPSK) вместе с GFSK. GFSK передает один бит на символ, тогда как QDPSK передает два бита на символ, а 8DPSK передает три бита на символ.
Когда BLE был впервые разработан, на самом деле это был даже не Bluetooth! Он был разработан Nokia как беспроводная технология под названием Wibree. Данный стандарт был разработан так, чтобы потреблять очень мало энергии (а также быть очень дешевым и простым в настройке), что делает его идеальным решением для устройств, работающих от батарей небольшой емкости.
Wibree включает в себя множество методов, аналогичных Bluetooth BR / EDR, включая работу в диапазоне ISM 2,4 ГГц, модуляцию GFSK, схему канала и скачкообразную перестройку частоты. Параллели между ними привели к тому, что Bluetooth SIG принял Wibree в свою спецификацию. Он был выпущен как новый беспроводной стандарт потребляющий мало энергии для работы под названием Bluetooth Low Energy (BLE). BLE впервые появился в спецификации Bluetooth 4.0.
Bluetooth 4.0 не «уничтожил» полностью стандарты Bluetooth BR / EDR, но вместо этого предлагал BLE в дополнение к Bluetooth BR / EDR. Потребительские устройства с BLE часто назывались Bluetooth Smart, а Bluetooth BR / EDR — Bluetooth Classic; однако эти термины больше не используются для дифференциации каждого протокола. В соответствии с этой спецификацией радиостанции могут быть разработаны для работы в качестве радиомодуля BD / EDR только Bluetooth, радиомодуля BLE или спаренного радиомодуля, который поддерживает Bluetooth BR / EDR и BLE.
Bluetooth 5.0
Bluetooth SIG делает все возможное, чтобы вносить улучшения, соответствующие эволюции технологий, и одним из ключевых достижений, которые, по-видимому, движут электроникой, является Интернет вещей (IoT). BLE сыграл большую роль в развитии IoT, но Bluetooth SIG хотел еще больше расширить возможности Bluetooth в приложениях IoT. Новые достижения в оригинальной технологии BLE были выпущены в Bluetooth 5.0, который называется Bluetooth 5.
Bluetooth BR/EDR vs. BLE
Давайте сравним сходства и различия только между Bluetooth BR / EDR и BLE. Хорошее место для начала — физический уровень (PHY) протоколов. PHY содержит схему, используемую для модуляции и демодуляции аналоговых сигналов и преобразования их в цифровые символы. Различия на физическом уровне — это один из факторов, который делает каждый протокол ориентированным на конкретные приложения. Четыре области PHY, где BR / EDR и BLE различаются, — это схема канала, энергопотребление, задержка и пропускная способность.
Схема канала
И Bluetooth BR / EDR, и BLE обмениваются данными в диапазоне ISM 2,4 ГГц, но различаются по количеству каналов, в которых они делят диапазон частот. Bluetooth BR / EDR делит полосу на 79 каналов, разнесенных на 1 МГц. BLE использует более простой передатчик и приемник, поэтому он разделяет полосу на 40 каналов, разнесенных на 2 МГц.
Одна вещь, с которой должны работать Bluetooth BR / EDR и BLE, независимо от количества используемых каналов, это помехи. Диапазон ISM 2,4 ГГц полон передатчиков, использующих все преимущества нелицензионного диапазона. Чтобы минимизировать помехи, как Bluetooth BR / EDR, так и BLE используют скачкообразную перестройку частоты, когда радиостанция работает на одном канале в течение короткого периода времени, прежде чем перейти на другой канал для продолжения связи.
BLE также добавляет еще один элемент в свою схему канала. BLE резервирует три канала для передатчика BLE, чтобы «заявить», что он доступен для подключения. Частота этих трех рекламных каналов была стратегически выбрана таким образом, чтобы они не мешали трем наиболее часто используемым каналам Wi-Fi, также работающим в диапазоне ISM 2,4 ГГц. После установления соединения радиостанции продолжат свою связь на одном из 37 других каналов. На рисунке ниже изображена схема канала для BLE и показано, где три рекламных канала расположены в полосе частот.
Мощность
Минимизация потребления энергии является ключевым отличием между Bluetooth BR / EDR и BLE, о чем свидетельствует тот факт, что BLE имеет «низкое энергопотребление» в своем названии! Bluetooth BR / EDR использует максимальную выходную мощность 100 мВт для передачи данных примерно до 10-100 м. Это было хорошо в те дни, когда большинство устройств можно было часто заряжать. Однако, поскольку спрос на продукты, которые могут работать от батареи в течение нескольких месяцев или лет без подзарядки, увеличивается, такой уровень выходной мощности будет слишком большим, поскольку это приведет к быстрому разряду батареи.
BLE предлагает идеальное решение. Он уменьшает энергию, включая передатчик и приемник только тогда, когда они необходимы для отправки или получения данных, с максимальной выходной мощностью всего 10 мВт для передачи в одном и том же диапазоне. BLE также отправляет данные короткими пакетами. Когда пакеты не отправляются, радиоприемник бездействует, потребляя мало энергии. Этот процесс помогает BLE соответствовать своему названию.
Задержка
Еще одно преимущество BLE делает его лучше, чем Bluetooth BR / EDR — задержка. Переход Bluetooth BR / EDR в активное состояние (готовность передавать данные) занимает около 100 мс. Существует дополнительная задержка в 100 мс с момента получения данных на передатчике до момента их получения на приемнике. В некоторых случаях это может привести к довольно заметной задержке. Это также приводит к увеличению энергопотребления, поскольку дополнительное время, необходимое для отправки данных, приводит к увеличению потребления энергии от батареи.
BLE предлагает гораздо меньшую задержку. BLE будет готов отправлять данные уже через 3 мс. Кроме того, задержка с момента получения данных на передатчике до момента их доступности на приемнике составляет всего 6 мс. Это позволяет отправлять данные гораздо быстрее и экономит электроэнергию.
Пропускная способность
В этот момент вам может быть интересно, почему кто-то выбрал бы Bluetooth BR / EDR вместо BLE. Хорошо, где BLE отстает от Bluetooth BR / EDR в пропускной способности. И Bluetooth BR / EDR, и BLE используют GFSK, поэтому теоретически максимальный предел пропускной способности составляет 1 Мбит / с. Однако такие факторы, как издержки протокола, ограничения радиосвязи и искусственные программные ограничения, ограничивают фактическую пропускную способность.
На практике Bluetooth BR может достигать пропускной способности до 0,7 Мбит / с, в то время как Bluetooth EDR может достигать пропускной способности 2,1 Мбит / с. Этой пропускной способности достаточно для приложений, таких как потоковое аудио. Поскольку BLE отправляет данные короткими пакетами для экономии энергии, его пропускная способность сталкивается с дополнительными ограничениями. Максимальная пропускная способность может достигать только 0,27 Мбит / с. Хотя этой пропускной способности недостаточно для потоковой передачи звука, более чем достаточно для отправки данных датчика, которые не нужно постоянно передавать.
Из этих четырех разделов становится ясно, что различия на физическом уровне для каждого из этих протоколов вызывают много различий в рабочих параметрах. В таблице ниже приведены основные параметры между Bluetooth BR / EDR и BLE.
BLE 5.0
Bluetooth 5 использует оригинальную технологию BLE с низким энергопотреблением, но включает некоторые новые улучшения. Одним из самых больших улучшений является нововведения на физическом уровне, которые можно выбрать для улучшения максимальной дальности или пропускной способности. Bluetooth 5 также добавляет улучшения, которые улучшают публикацию объявлений в сети.
Первый физический слой (PHY), который предлагает Bluetooth 5, называется LE 1M. Это тот же PHY используется для BLE в спецификации Bluetooth 4.2, поэтому большинство его параметров будут соответствовать параметрам, показанным в таблице 1. LE 1M является единственным физическим слоем, который является обязательным в Bluetooth 5. Другие два PHY являются дополнительными.
Bluetooth 5 интегрирует закодированный физический уровень как один из дополнительных физических слоев, который может расширить диапазон связи. Кодированный PHY достигает большей дальности, вводя избыточность для получения некоторого выигрыша в обработке вместо увеличения мощности передатчика.
Bluetooth 5 вводит дополнительные избыточные биты, которые используются для определения правильного значения бита. Кодированный физический слой существует в двух вариантах: S = 2 и S = 8. S = 2 отправляет два символа на бит, что уменьшает пропускную способность в два раза, но теоретически удваивает диапазон. S = 8 отправляет восемь символов на бит. Хотя это снижает пропускную способность до 125 кбит / с, но примерно в четыре раза увеличивает диапазон. На практике фактический диапазон будет немного ниже теоретических значений, но этот метод все же помогает достичь гораздо большего диапазона.
Радиус действия маловажен для большинства конечных приложений, поэтому Bluetooth 5 обязательно включил что-то для приложений, где пропускная способность важнее дальности. Существует опция двойной скорости передачи данных под названием LE 2M, которая увеличивает скорость передачи необработанных данных до 2 Мбит / с. Это позволяет передавать данные с максимальной фактической пропускной способностью 1,4 Мбит / с. Это означает, что данные могут передаваться даже быстрее, чем Bluetooth BR, но с меньшим энергопотреблением.
Таблица 2 сравнивает три физических уровня, доступные в Bluetooth 5, чтобы показать, как они отличаются с точки зрения скорости передачи данных и диапазона.
Bluetooth 5 предлагает множество улучшений в публикации данных. Он по-прежнему использует ту же схему каналов, что и BLE, но включает опции для рассылки данных на всех 40 каналах вместо трех. В Bluetooth 5 небольшие пакеты данных могут передаваться по трем каналам, используемым в BLE. Однако теперь они могут указывать на большие публикуемые пакеты (до 255 октетов), которые можно отправлять по дополнительным 37 каналам. Это также помогает уменьшить объем контента на трех основных каналах. Bluetooth 5 также включает улучшения для цепочки пакетов, периодической публикации данных и меньшего минимального интервала между передачей сообщений.
Приложения
Различия в PHY являются ключом к определению того, какой протокол лучше всего подходит для каждого приложения. В последних нескольких разделах мы рассмотрели много технических деталей, которые можно применять для лучшего понимания идеального использования каждого протокола.
Давайте начнем с Bluetooth BR / EDR. Он снижает скорость задержки и мощность пакета для более высокой пропускной способности, поэтому он лучше всего подходит для приложений, где пропускная способность является критически важной спецификацией. Это делает его идеальным протоколом для приложений, таких как потоковая передача видео / звука или отправка больших объемов данных. Распространенными приложениями являются беспроводные гарнитуры (рисунок ниже) и приложения типа точка-точка.
BLE лучше всего подходит для приложений, которым необходимо отправлять только небольшие объемы данных, в результате чего устройство может проснуться, передать необходимые данные и затем вернуться в спящий режим. Низкое энергопотребление BLE делает его обязательным для устройств, которые питаются от небольшой батареи. Приложение, которое хорошо подходит для BLE, — это пульсометр. Монитор сердечного ритма не должен часто отправлять данные, но он должен работать в течение длительного периода времени от батареи. Поскольку область IoT продолжает развиваться, мы, вероятно, увидим много новых приложений BLE.
Важно отметить, что когда вы выбираете устройство Bluetooth с поддержкой для своего приложения, вы должны быть уверены, что выбрали интегральную схему (ИС), которая поддерживает протокол, который вы планируете использовать. Вы не можете купить ИС наугад и предположить, что она поддерживает как Bluetooth BR / EDR, так и BLE. Как упоминалось ранее, Bluetooth BR / EDR и BLE используют разные физические уровни, поэтому вам необходимо убедиться, что выбранная интегральная схема поддерживает физический уровень для протокола, который вы планируете использовать, или она поддерживает оба PHY, если вы считаете, что оба могут быть полезны для вашего приложение.
Bluetooth 5, который обещает значительные улучшения, уже начал появляться в популярных технологиях. Многие популярные смартфоны уже предлагают поддержку Bluetooth 5. Как и в случае с большинством беспроводных протоколов, Bluetooth 5 интегрировался в большую часть электроники. Тем не менее, становится очевидным, что настало время Bluetooth 5.
Если вы хотите быть готовым к использованию Bluetooth 5, необходим микроконтроллер, совместимый с Bluetooth 5, для соответствия основным требованиям. Одним из примеров является Maxim MAX32666GWPBT, который имеет два ядра Arm Cortex-M4 и отдельное оборудование, предназначенное для работы стека Bluetooth (рисунок ниже). Это оставляет два ядра полностью бесплатными для вашего приложения. Другим вариантом является маломощный микроконтроллер Arm Cortex-M4 MAX32665 с блоком с плавающей запятой (FPU) и Bluetooth 5. Этот микроконтроллер имеет функции управления питанием, такие как импульсный источник питания с одним индуктором и несколькими выходами (SIMO), и динамическое масштабирование напряжения для минимизации энергопотребления и, следовательно, хорошо подходит для систем с батарейным питанием.
Итоги
Как и в любом хорошем уроке, лучший способ проверить свои знания — это викторина. Испытайте себя, вернитесь к приложениям, перечисленным в начале этой статьи, и посмотрите, сможете ли вы определить, какой протокол Bluetooth используется каждым из них. Если вы не помните, ответы ниже …
Bluetooth BR / EDR хорош для приложений, где критична максимальная пропускная способность. Он может потреблять значительное количество энергии, поэтому он не подходит для приложений, в которых требуется длительное время автономной работы. Он также имеет большую задержку и занимает больше времени для настройки соединения для начала отправки данных. Следовательно, он не предназначен для приложений, которые передают и получают нечастые короткие сообщения. Вы можете найти его используемым для подключения телефона к автомобильной стереосистеме для воспроизведения музыки или отправки файлов между компьютерами или планшетами. Оба приложения требуют высокой пропускной способности и могут позволить себе «потреблять некоторую мощность».
BLE используется тогда, когда критически важно низкое энергопотребление и высокая пропускная способность не требуется. Он может отправлять данные очень быстро и имеет малую задержку. Вы найдете его в приложениях, которые должны работать в течение длительного времени на аккумуляторе или в тех, которым не требуется часто отправлять данные. BLE используется в системах домашней безопасности, таких как интеллектуальные дверные замки и в фитнес-трекерах.
Хотя все эти технологии и называются Bluetooth, они действительно предлагают различные преимущества в мире беспроводной электроники. Чтобы определить, какой протокол лучше всего подходит для ваших приложений, обязательно посмотрите на различия в PHY, перечисленные в таблице 1, чтобы увидеть, где каждый протокол превосходит. Кроме того, следите за тем, как Bluetooth 5 изменит отрасль в ближайшие несколько лет благодаря более высокой пропускной способности, большему диапазону и расширенным возможностям публикации сообщений.