כיצד לבנות קישורי אלחוט בהספק נמוך עבור האינטרנט של דברים ‏(IoT) בשימוש ב- Bluetooth® 4.1

By עורכים אירופיים

Contributed By העורכים האירופיים של Digi-Key


הגרסות האחרונות של ®Bluetooth יוצרות רחש, לא רק בתחומי ההתקנים הלבישים והכושר הגופני, אלא גם בחיבור יחדיו של ציוד וחיישנים באינטרנט של דברים ‏(IoT).

ה- Bluetooth 4.0 לקח צעד דרמטי קדימה בהגדלת נצילות ההספק וקלות השימוש בקישורי Bluetooth ישירים, וגרסה 4.1 מוסיפה לכך יכולות רישות נוספות. זה פותח את האפשרות לחבר יחדיו מספר גדול של התקנים תוך שימוש בסמארטפון סטנדרטי.

היכולת להריץ קישור משובץ במשך מספר שנים מסוללה אחת הובילה לאימוץ של Bluetooth Smart 4.0 מאז 2010, ואלמנט הרישות הופך אותו אפילו למעניין יותר עבור מפתחי IoT מאז אישור גרסה 4.1 בדצמבר 2013. עם זאת, הדבר דורש מספר שיקולים חשובים בתכנון, מבחינת החומרה כמו גם מבחינת התוכנה. ה- SIG ממליץ ליצרנים להתחיל וליישם מידית Bluetooth 4.1 בהתקנים שלהם כדי להפיק תועלת מהמאפיינים החדשים. זה מעניק למפתחי מערכות את הביטחון להשתמש במודולי 4.0 הקיימים מספקים כגון Laird Wireless,‏ BlueGiga Technologies,‏ Panasonic ו- ConnectBlue, ולשדרג ל- 4.1 כאשר הקושחה יציבה, ובכך ליהנות משני העולמות.

בפעם הראשונה מאז אימוץ Bluetooth 2.0 + EDR, אין יותר מאפיינים מנדטוריים שחייבים לעמוד בהם כדי להשתמש במפרט Bluetooth 4.1. עם זאת, היצרנים נדרשים ליישם את כל התיקונים הקשורים ל- Bluetooth 4.1 על מנת להיות תואמים למפרט. התקנים המיישמים את מאפיין האנרגיה הנמוכה בלבד (ממותג כ- Bluetooth Smart) יהיו תואמים לאחור עם התקני Bluetooth 4.0 המיישמים גם כן את מאפיין האנרגיה הנמוכה.

ה- Bluetooth Low Energy גרסה 4.0, שנקרא מעתה Bluetooth Smart, משתמש באותו פס תדרים ISM‏ ‎2.4 GHz כמו ה- 'Classic Bluetooth' הקודם, אך משתמש בפרוטוקול הסטת תדר גאוסיאני פשוט יותר להקטנת צריכת ההספק. הוא גם משתמש בערוצים קטנים יותר של ‎2 MHz, ובאפנוןDirect-Sequence Spread Spectrum ‏(DSSS).

שילוב זה של ערוצים שונים ואפנון שונה משמעו שמפרטי ה- LE וה- Classic אינם תואמים ישירות. עם זאת, אין הדבר מהווה בעיה עבור המפתחים שכן כל השבבים והמודולים המאושרים כתואמי Bluetooth יכולים לפעול בכל אחד מהאופנים, Classic עבור ההתקנים הישנים יותר או Bluetooth Smart עם גרסת DSSS‏.

גרסות 4.0 ו- 4.1 זוכות ביתרונות ההספק הנמוך שלהן הודות לשימוש בארבעים מערוצי ה- ‎2 MHz, המעניקים קצב ביטים עבור הקישור של ‎1 Mb/s וקצב העברה (Throughput) עבור היישום של ‎270 kbit/s. למרות שקצב זה נמוך יותר מאשר ב- Bluetooth Classic, קצב הביטים עבור היישומים מקוזז על ידי הקטנת השיהוי Latency)‎) מ- ‎100 ms ל- ‎6 ms, תכונה שהיא חשובה יותר עבור מימוש הרשת וה- IoT מאחר והיא מעניקה תגובה מהירה יותר לבקשות נתונים או למשלוח אותות בקרה.

הספק השידור המקסימלי מוקטן גם כן ל- 10‎ mW, המקטין את הטווח אל מתחת ל- 50 מ', כשהמשמעות היא שניתן להשתמש בו עבור יישומי IoT רבים. גרסה 4.1 מאפשרת להתקנים לתמוך בו-זמנית במספר תפקידים כך שמוצר מצוייד Bluetooth Smart יכול לפעול כרכזת (Hub) וכהתקן היקפי באותו הזמן. הדו-קיום עם טכנולוגיות אלחוט אחרות, במיוחד עם Wi-Fi על אותו פס של 2.4‎ GHz, עבר שיפור ונוספו ערוצים ייעודיים, והם אלו המאפשרים במיוחד את יישומי IoT.

זוהי התוצאה של ארכיטקטורת Logical Link Control and Adaptation (‏L2CAP) התומכת בריבוב פרוטוקולים ברמה גבוהה יותר, סגמנטציה ובנייה מחדש של מנות (Packets), ומידע על איכות השירות הדרוש עבור ה- IoT, תוך שימוש במנות של ‎64 Kbyte. הארכיטקטורה מבוססת על ערוצים בהם לכל נקודת-קצה יש מזהה ערוץ (CID). הקצאת CID היא יחסית להתקן מסוים והתקן יכול להקצות מזהי CID באופן בלתי-תלוי בהתקנים אחרים, דבר המקל על הוספת התקנים לרשת. זה מאפשר הוספת מספר התקנים ב- Daisy Chains‏, דבר המפשט את כינון הרשת.

תמונה של ארכיטקטורת ערוצים L2CAP‏ עבור Bluetooth Smart 4.1

איור 1: ארכיטקטורת ערוצים L2CAP עבור Bluetooth Smart 4.1 מאפשרת לרשת התקנים להיות מבוקרת ופותחת את האינטרנט של דברים ‏(IoT).

קיימת גם יותר תמיכה עבור המשתמש. עם גרסת 4.1, החיבורים מוקמים מחדש אוטומטית, כך שכאשר משתמש נכנס לחדר, החיבור מתחדש. בנוסף, גרסה 4.1 תומכת בהעברת היקפים גדולים של נתונים תוך כינון קישור והורדה של קובץ גדול יותר, במקום לשמור על חיבור קבוע.

אחד התחומים שיתרחבו עם גרסה 4.1 הוא זה של פרופילי מאפיינים גנריים (GATT). פרופילים אלו מספקים ממשק תכנות יישומים (API) של שרת-לקוח בתוך מערכת ההפעלה, לצד שירותים, מאפיינים ומתארים.

פרופילי GATT אלו משמשים לטיפול בנתונים של יישומים נפוצים כגון לחץ דם, קצב לב, מד-חום בריאותי, קרבה ו"מצא אותי". פרופילים חדשים עבור יישומי IoT יקבצו יחד נתונים בדרכים שונות.

התכונות של השירותים, המאפיינים והמתארים מזוהות באופן קולקטיבי על ידי מזהים אוניברסליים (UUIDs). ה- Bluetooth SIG משריין קבוצה של מזהי UUID (מהצורה xxxxxxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB) עבור מאפיינים סטנדרטיים ואלו מיוצגים בפרוטוקול כערכים בעלי מבנה קצר של ‎16-bit או ‎32-bit, במקום ‎128-bit, כדי לשמור על גודל קוד קטן ועל מורכבות מועטה.

פרוטוקול GATT מעניק ללקוח מספר פקודות כדי לגלות פרטים על השרת. אלו כוללים גילוי של מזהי UUID עבור כל השירותים העיקריים, מציאת שירות עם UUID נתון ולאחר מכן את השירותים המשניים, כמו גם מציאת כל המאפיינים של שירות נתון. כל אלו יהיו חלק מהפרופילים עבור יישומי IoT.

באמצעות GATT, פקודות מסופקות כדי להעביר נתונים על המאפיינים מהשרת ללקוח (נקראות 'קריאה') ומהלקוח לשרת ('כתיבה'). ניתן לקרוא ערך על ידי ציון ה- UUID של המאפיין, או על ידי ערך 'ידית' (Handle), המגיע מפקודות גילוי הפרטים. פעולות כתיבה מזהות תמיד את המאפיין על פי 'ידית', אך יש להן את הבחירה אם נדרש מענה מהשרת או לא.

פרוטוקול GATT גם מציע הודעות ואינדיקציות שהם חלק עיקרי בקישורי IoT. הלקוח רשאי לבקש מהשרת הודעה על מאפיין ספציפי, והשרת יכול לאחר מכן לשלוח את הערך ללקוח ברגע שהערך נהיה זמין. למשל, שרת חיישן טמפרטורה בציוד מסוים יכול להודיע ללקוח שלו בכל פעם שהוא מבצע מדידה. זה מונע את הצורך של הלקוח לתשאל את השרת, ומפחית את הצורך בחיבור רדיו רגיל. אינדיקציה דומה להודעה, פרט לכך שהיא דורשת תגובה מהלקוח כאישור לכך שהוא קיבל את ההודעה.

יצרני שבבים ומודולים מוסיפים שכבות בראש ה- GATT בכדי לאפשר למפתחי מערכות לפתח את התוכנה הקניינית שלהם תוך שימוש בפרופילים אלה. זה מאפשר לתוכנה להיות תואמת לכל השבבים והמודולים הקיימים המשתמשים בגרסות 4.0 ו- 4.1 בעת שדרוג המערכות שלהם.

מורכבות זו מוסתרת כעת על ידי יצרני מודולים כמו Laird Wireless, המשתמש בגרסה 4.0 במודולים כגון BT800, והקושחה נמצאת בפיתוח בכדי לתמוך במודולים אלו בגרסה 4.1. ה- BT800 משתמש במקמ"ש מבית CSR עם אנטנה וממשקים, הכול בחתימת-שטח קומפקטית של 13 מ"מ x ‏8.5 מ"מ עם יציאת הספק של ‎8 dBm. המודולים משלבים את כל החומרה והקושחה הדרושות כדי לתמוך בפיתוח של יישומי BLE, כולל ממשקי UART‏, SPI‏, I²C‏, ADC, ו- GPIO לחיבור התקנים היקפיים וחיישנים. החיבור באמצעות ממשקים אלה הוא פשוט יחסית, עם חיבורי חוט-יחיד, חוט-כפול או רב-חוטים.

תמונה של מודול Bluetooth Smart‏ BT800 של Laird Wireless

איור 2: מודול Bluetooth Smart‏ BT800 עם שני אופנים מבית Laird Wireless מאפשר הוספה קלה של חיבוריות גרסה 4.1 לתכנים קיימים ולשדרוג ל- 4.1.

חברת Laird מוסיפה שפת תכנות מונעת-אירועים המאפשרת פעולה עצמאית של המודול, כאשר ניתן לחבר חיישנים באמצעות כל אחד מהממשקים ללא צורך במעבד חיצוני. יישום smartBASIC פשוט עוטף את התהליך השלם מקצה-לקצה של קריאה, כתיבה ועיבוד נתוני החיישן , ולאחר מכן משתמש ב- Bluetooth Smart כדי להעביר אותו לכל התקן Bluetooth 4.1.

בינתיים, חברת CSR מיישמת גישה שונה להספקת רשתות עבור IoT, היכולה לשמש גם את יצרני המודולים. בעוד שגרסה 4.1 יכולה לספק שמונה עד עשרה קישורים נפרדים מסמארטפון להתקנים היקפיים אחרים תוך יצירת רשת אישית (Personal Area Network) או Daisy Chain‏ של קישורים, חברת CSR פיתחה קושחה היושבת בראש חבילת התוכנה 4.0 לבקרה על עד 65,000 התקנים ברשת Mesh.

טכנולוגיה משבשת פוטנציאלית זו ממקמת את הסמארטפון במרכז ה- IoT. רשת Mesh מבית CSR מאפשרת בפעם הראשונה למספר כמעט בלתי מוגבל של התקנים מאופשרי Bluetooth Smart להיות מחוברים יחד ברשת ומבוקרים ישירות מסמארטפון, טאבלט או PC יחיד.

הפתרון, הממוטב עבור יישומי בית חכם ו- IoT, משלב פרוטוקול תצורה ובקרה עם התקני Bluetooth Smart המוכחים מבית CSR, כולל CSR101x ו- CSR8811. הוא יאפשר לצרכנים, מכל מקום בו הם נמצאים, לבקר כל התקן מאופשר Bluetooth Smart בביתם, כולל תאורה, חימום, מכשירי חשמל ומערכות אבטחה. חיוני ביותר עבור חוויית הצרכנים, הפתרונות המבוססים על הפרוטוקול אינם דורשים כינון מורכב, שיוך או שימוש בהתקן גישה כגון נתב.

שלא כמו פתרונות אחרים של חיבוריות אוטומציה ביתית, CSR Mesh‏ מבטיח בקרה ישירה מהתקנים ניידים מכל מקום בבית מאחר ואין לו טווח מוגבל ואינו דורש רכזת (Hub). המפתחים אינם מחויבים להשתמש בפתרונות קנייניים או להוסיף כל דבר אחר כדי ליצור מוצרים העובדים בקלות ללא תצורה מורכבת.

פרוטוקול CSR Mesh‏ משתמש באופן פעולה הקיים ב- Bluetooth Smart כדי לשלוח הודעות להתקני Bluetooth Smart אחרים ברשת. ניתן לשלוח הודעות להתקנים בודדים או לקבוצות התקנים. אפשרי גם שהתקנים ישתייכו ליותר מקבוצה אחת. הבקרה מאופשרת באמצעות מכשירים סטנדרטיים מאופשרי Bluetooth Smart, כגון מתגי תאורה, או באמצעות מירב הסמארטפונים והטבלטים הקיימים כיום.

כדי להבטיח את יכולת המפתחים להביא במהירות מוצרים לשוק, חברת CSR תשחרר ללקוחות ערכת פיתוח. הערכה תציע קוד מקור ליישומי iOS ו-Android כמו גם גישה לספריות CSR Mesh בינריות.

התוכנה איננה משתמשת במאפייני 4.1 אלא מרחיבה את 4.0 כך שתכסה טופולוגיית Mesh. זהו פרוטוקול מסוג Flood Mesh‏, להבדיל מ- Routed Mesh‏, כך שכל ההתקנים יכולים להשתתף כחברים ולשלוח הודעות לצמתים אחרים. משמעות הדבר היא שכינון על ידי הצרכן הוא פשוט מאד כיוון שהפרוטוקול מטפל אוטומטית במשלוח ההודעות. מקור ההודעה יכול להיות כל מקום ברשת Mesh וההודעה נמסרת לצמתים שהם מחוץ לתחום; כדי לטפל ברוויה ובמחלוקת (Contention‏), הפרוטוקול כולל את המאפיינים משך החיים (Time of Life‏) ומספר הדילוגים (Hops‏).

בעוד שגרסה 4.1 מאפשרת אופני Master ו- Slave בו-זמנית, על המשתמש לנהל חיבורים אלו ידנית עדיין, דבר שיעבוד עם בקרת רשתות התקנים קטנות יותר או עם ליבות רשת. בטכניקה זו מגבלות אלו אינן קיימות - ניהול החיבורים הוא במתכוון קל הרבה יותר.

לתקן יש מיעון, הקבצה, שיוך ואבטחה המובנים בתוך מבנה המנות (Packets). זה דומה ל- IPv4 אך מאידך קיים שדה כתובת נפרד עבור רשת ה- Mesh עצמה. זה עושה אותו קל משקל הרבה יותר מ- IPv4 עבור מידע, פיקוד ובקרה פשוטים של חיישן. כרגע, היכולת היא ייחודית לחברת CSR ואנו עובדים עם לקוחות ושותפים מובילים כדי להביא לסטנדרטיזציה של היכולת, באמצעות מקור פתוח או באמצעות Bluetooth SIG.

חברת CSR הדגימה רשת Mesh הפועלת ישירות עם סמארטפון בעזרת קבוצת מהנדסים שפרשו חמישים נורות אגס LED אותן הפעילו בעזרת טלפון Android. ללא תצורה פורמלית, הם יכולים לבקר את רשת הנורות.

חברת CSR גם מספקת ערכה שלמה של כלים לפיתוח תוכנה, תכנון לוחות ובדיקות ייצור לסביבת השבבים שלה. הערכה משלבת ממשק תכנות USB וממשקים עבור I/O המתחברים למפעילים (Actuators) וחיישנים ייחודיים-ליישום. סביבת פיתוח התוכנה CSR xIDE עם רישיון מלא כוללת יישומים לדוגמה עבור פרופילי Bluetooth Smart נפוצים ויישומי מארח עבור טלפונים חכמים הן iOS והן Android בכדי לפשט את הפרויקט. לוח המטרה מוזן בדרך כלל מחיבור מארח USB, אך יכול גם להיות מוזן עצמאית מסוללת תא-כפתור על-הלוח כדי לאפשר ביצוע מדידות הספק.

תמונה של מערכת פיתוח Bluetooth Smart מבית CSR

איור 3: מערכת פיתוח Bluetooth Smart מבית CSR מאפשרת למפתחים להוסיף את היכולות שלהם מעל לשכבת Bluetooth GATT.

שילוב המודולים בתוך התכנים הוא פשוט יחסית, למרות שישנן מספר אפשרויות בחירה עיקריות כאשר משתמשים בסוללות להספקת-הכוח עבור התקנים אלה. זה יעזור להשקת יישומי IoT תוך שימוש בגרסה 4.1, מאחר וניתן להוסיף בקלות את המודולים לתכנים קיימים.

מודול BLE112 מבית BlueGiga משתמש במקמ"ש Bluetooth 4.0 מבית Texas Instruments וניתן להשתמש בו ישירות עם סוללת תא-כפתור. עקב ההתנגדות הפנימית הגבוהה יחסית של סוללת תא-כפתור, מומלץ לחבר קבל ‎100 μF במקביל לסוללה. ההתנגדות הפנימית של סוללת תא-כפתור היא בתחילה בתחום של ‎10 Ω, אך ההתנגדות הולכת וגדלה במהירות עם השימוש בה.

ככל שערך הקבל גבוה יותר, כך גבוהה יותר הקיבולת האפקטיבית של הסוללה ואורך חייה ארוך יותר עבור היישום. הערך המינימלי של הקבל תלוי ביישום הסופי ובהספק השידור המקסימלי בו משתמשים. זרם הזליגה של קבל ‎100 μF נמצא בתחום של ‎0.5 μA עד ‎3 μA, ובדרך כלל, לקבלים קרמיים יש זרם זליגה נמוך יותר מאשר לקבלי טאנטאלום או אלקטרוליט אלומיניום.

תמונה של מודול Bluetooth Smart‏ BLE112 מבית Bluegiga

איור 4: מודול Bluetooth Smart‏ BLE112 מבית Bluegiga. השימוש בקבל במקביל לסוללה יכול להאריך את משך חיי הסוללה.

השימוש בממיר DC/DC כדי להפחית את צריכת הזרם בזמן פעולת שידור או קליטה ועיבוד נתונים היא אפשרות נוספת. ממיר DC/DC בהספק אולטרה-נמוך עם אופני מעקף יצמצם את צריכת הזרם בזמן שידור בערך ב- 20% ויאריך את חיי סוללת תא-כפתור 3‎ V.

סיכום

התוספת של Bluetooth Smart 4.1 עשויה להיראות כצעד קטן בהתפתחות התקן, אך יש לה את הפוטנציאל לגרום למספר שינויים משמעותיים. מפתחי התקנים, מודולים ומערכות בוחנים גם את 4.0 וגם את 4.1 כדי להעניק יכולות רישות מתוחכמות יותר בהספק-נמוך עבור מגוון רחב של התקנים בעלות נמוכה, כולם נשלטים באמצעות הסמארטפון המצוי. קיום מסוף מוכן לחיבור לרשת התקנים הוא יתרון גדול מאד, ובין אם הוא מתחבר דרך ערוצי 4.1 או דרך שכבת רשת על גבי 4.0, טכנולוגיית Bluetooth Smart עתידה להיות טכנולוגיה חשובה עבור האינטרנט של דברים ‏(IoT).

Digi-Key Electronics logo

מיאון אחריות: דעות, אמונות ונקודות מבט המובעות על ידי מחברים שונים ו/או משתתפי פורום באתר אינטרנט זה לא בהכרח משקפות את הדעות, האמונות ונקודות המבט של חברת Digi-Key Electronics או את המדיניות הרשמית של חברת Digi-Key Electronics.