Verbindung mit dem Internet der Dinge über Bluetooth Smart

Die neuesten Low-Energy-Kommunikationsprotokolle der Bluetooth-Spezifikation 4.0 treiben die Entwicklung eines völlig neuen Marktes für batteriebetriebene und tragbare Systeme voran. Entwickler versuchen zunehmend, diese Verbindungsmöglichkeit in neue und vorhandene Produktserien zu integrieren, um die volle Leistungsfähigkeit des Internets der Dinge sowie von Cloud-Diensten auszuschöpfen. Insbesondere bei Produkten, die weltweit verkauft werden und daher eine globale Zertifizierung benötigen, kann die Implementierung einer Drahtlosverbindung jedoch eine nicht zu unterschätzende Herausforderung darstellen. Die Entwicklung entsprechender Systeme ist zeit- und kostenaufwändig – Zeit und Kosten, die eigentlich in die Entwicklung der Kernfunktionen des Systems fließen sollten.

Bluetooth ist durch seinen Einsatz in Smartphones und Tabletcomputern zu einer zentralen Kommunikationstechnologie geworden. Dank der breiten Verfügbarkeit von Telefonen, die für Bluetooth Smart ausgelegt sind, müssen keine separaten Gateways erstellt werden, die für andere IoT-Drahtlosverbindungen erforderlich sein können. Stattdessen kann einfach eine App auf dem Smartphone verwendet werden, um die nötige Schnittstelle bereitzustellen – ob für Herzfrequenzmesser, Spielzeug oder Fernbedienungen. Diese Bluetooth-Verbindung eröffnet Entwicklern den Zugang zu Internet- und Cloud-Diensten. Daten können automatisch erfasst und kompiliert werden, sodass eine wesentlich größere Rechenleistung genutzt werden kann, als im Zieldesign oder auf dem Smartphone zur Verfügung steht.

Dies ist zwar keine Neuerung, doch die Verbindung lässt sich mit der neuen Spezifikation Bluetooth Low Energy (BLE), die Teil von Bluetooth 4.0 ist, wesentlich einfacher in den IoT-Knoten implementieren. Durch eine Reduzierung des Stromverbrauchs wird die Batterie im Knoten weniger beansprucht, und die Lebensdauer im Endgerät kann auf Monate oder sogar Jahre ausgedehnt werden. Dieser entscheidende Aspekt sorgt dafür, dass die neue Spezifikation zunehmend beliebter wird, insbesondere auf dem Markt der eingebetteten Systeme.

Was ist so smart an Bluetooth Smart?

Um einen geringeren Stromverbrauch zu erreichen, verwendet Bluetooth Smart dieselben 2,4-GHz-ISM-Bandfrequenzen wie das klassische Bluetooth, nutzt dabei jedoch kleinere Datenpakete, eine Verbindungsdatenrate von 1 Mbit/s und einem Anwendungsdurchsatz von 100 kbit/s bei Verwendung von 2-MHz-Kanälen. Der Standard ist damit eher für IoT-Anwendungen geeignet als für das Streamen großer Dateien. Die niedrigere Bitrate für Anwendungen wird jedoch durch eine Reduzierung der Latenz auf 3 ms gegenüber 100 ms beim herkömmlichen Bluetooth-Standard wettgemacht. So können Verbindungen schneller aufgebaut, mehr Überwachungsanwendungen genutzt werden, eine schnellere Reaktion auf Datenanforderungen und ein niedrigerer Betriebszyklus erreicht werden, um den Stromverbrauch zu senken. Die maximale Übertragungsleistung wird auf 10 mW beschränkt, was für Nahbereichsanwendungen immer noch mehr als ausreichend ist. All dies muss bei der Entwicklung des Antennen-Frontends für Bluetooth-Module berücksichtigt werden, um die Leistungsanforderungen von Bluetooth Smart mit denen der Anwendung abzustimmen.

Anwendungen für Bluetooth Smart

Bluetooth Smart wird zunehmend für Anwendungen wie tragbare Herzfrequenz- oder Blutdruckmessgeräte eingesetzt, die über ein Smartphone gesteuert werden und Daten über einen bestimmten Zeitraum hinweg erfassen. Bluetooth Smart kann beispielsweise in Fernbedienungen, Fahrradcomputern, Waagen und einer großen Bandbreite von Sport- und Fitness-Sensoren zum Einsatz kommen. Dank der allgegenwärtigen Smartphone- und Tablet-Schnittstellen und der Datenverbindung mit der Cloud sind die Verwendungsmöglichkeiten praktisch unbegrenzt.

Unabhängig von der Art der Anwendung kann eine größere Zahl von Geräten problemlos mit dem erweiterten Netzwerk verbunden werden, wenn die Batterie zum Betrieb der Drahtlosverbindung über Monate oder sogar Jahre nutzbar bleibt. Bluetooth Smart kann unter Verwendung eigenständiger Komponenten implementiert werden – SoC, Quarz, Filter, Antenne und andere. Der Einsatz vorgefertigter Module kann sich jedoch insbesondere bei Anwendungen mit geringem oder mittlerem Volumen als die kostenaufwändigere Lösung herausstellen. Module verringern den Entwicklungsaufwand und verkürzen die Markteinführungszeit – vor allem dann, wenn sie „Bluetooth Qualified“ sind und durch die entsprechenden Aufsichtsbehörden für die Länder, in denen sie verwendet werden sollen, zugelassen wurden.

Was macht ein gutes Bluetooth Smart-Moduldesign für IoT aus?

Ein gutes Bluetooth Smart-Modul für IoT muss flexible Designmöglichkeiten und eine kurze Markteinführungszeit bieten, ob für Consumer-, Gesundheits- oder andere Anwendungen. So kann z. B. die Hardware-Komponente EYSFCNZXX von Taiyo Yuden einfach in das Design integriert werden, indem eine Verbindung über das UART mit einem vorhandenen Host-Controller vorgenommen wird.


Abbildung 1: Der System-on-Chip-Baustein nRF51822 für Bluetooth Smart von Nordic Semiconductor wurde im Modul EYSFCNXX von Taiyo Yuden verbaut.

Durch Kombination des neuesten Bluetooth Smart-System-on-Chip-Bausteins (SoC) nRF51822 von Nordic Semiconductor (Abbildung 1) mit einer optimierten Keramikantenne auf einem Bluetooth Qualified-Modul lässt sich die Bluetooth Smart-Funktion zuverlässig integrieren. Mit einer Größe von 9,6 x 12,9 x 2 mm (siehe Abbildung 2) eignet sich das Modul für eine Vielzahl an Geräten. Entwickler können gleichzeitig die Software von Nordic Semiconductor nutzen, einschließlich der Bluetooth Qualified-Profile und Demoanwendungen. Zu den Demoanwendungen zählen der UART-Dienst, Temperatursensoren, Näherungs-Tags, Beacons und ein Herzfrequenzmessgerät.

Das Modul verfügt über eine Keramikantenne und einen Filter in der Frontend-Funkimplementierung und ist in den USA (FCC), Kanada (IC RSS) und Japan (MIC) für den Drahtlosbetrieb zugelassen – ein weiteres Merkmal, das die Markteinführungszeit für das Endprodukt verkürzt.

Differenzierung


Abbildung 2: Das Bluetooth Smart-Modul EYSFCNZXX von Taiyo Yuden lässt sich einfach und schnell in Designs integrieren, sodass die Entwicklung sich ganz auf die zentrale Differenzierung des Produkts konzentrieren kann.

Für neue IoT- oder Consumer-Designs kann der ARM Cortex-M0-Kern mit 32 Bit im nRF51822 als Host-Mikrocontroller verwendet werden. Während dieser den Protokoll-Stack für Bluetooth Low Energy verarbeitet, bietet er zusätzliche Kapazität und Extra-Speicherplatz im 256-KB-Flash-Memory sowie 16 KB RAM, um auch einige kleinere Host-Anwendungen auszuführen.

Ermöglicht wird dies durch die Modul-Schnittstelle. Das Modul EYSFCNZXX bietet Zugriff auf 29 E/A-Pins, von denen einige als SPI-, I²C- oder UART-Schnittstellen bzw. als Verbindungen mit dem 8/9/10-Bit-, 6-Kanal-Analog-Digital-Wandler konfiguriert werden können, sodass sich die Sensoren direkt mit dem Modul verbinden lassen. Ein externer Mikrocontroller und Speicher kann daher entfallen und das Design wird vereinfacht, wodurch Kosten und Platzbedarf reduziert werden und das Produkt seine eigene Nische im Zielmarkt finden kann. Die Möglichkeit der vollständigen Kontrolle über den SoC-Baustein im Modul ist für Entwickler ein entscheidender Vorteil bei der Gestaltung des gesamten Systems.

Zusammenfassung

Eine ganz neue Generation tragbarer und verbundener Heimgeräte wird in Zukunft die Bluetooth Smart-Technologie nutzen. Da Bluetooth Low Energy 4.0 für eine große Bandbreite an neuen Anwendungen auf Smartphones und Tablets unterstützt wird, lassen sich neue, spannende Funktionen für Produkte, die mit dem Internet der Dinge verbunden werden, ohne großen Aufwand implementieren.