Il futuro con Bluetooth® Low Energy

Bluetooth^® Low Energy (BLE) potrebbe non far parte ancora dei vostri progetti elettronici, ma è probabile che presto lo sarà. Questa tecnologia di connettività wireless ha registrato una crescita esplosiva negli ultimi tre anni e ora fornisce connettività a bassa potenza a milioni di dispositivi elettronici, quali orologi smart, registratori di fitness, accessori smartphone e monitor medicali. Grazie agli imminenti miglioramenti tecnici, BLE è pronta a diventare ancora più pervasiva nella prossima generazione di dispositivi elettronici di consumo e nell'emergente Internet delle cose (IoT).

Molti dei miglioramenti sono stati incorporati in Bluetooth 4.1, un recente aggiornamento della specifica di base. Tra questi, il supporto per velocità di trasferimento dati più efficienti, una maggiore flessibilità nelle comunicazioni tra dispositivi, ruoli simultanei dual-mode e i primi passi verso le comunicazioni basate su IP. Nell'insieme, questi miglioramenti tecnici rendono BLE ancora più attraente dal punto di vista del consumo energetico, delle prestazioni e dei costi.

Oltre ai miglioramenti delineati in Bluetooth 4.1, i chip BLE stessi hanno continuato a migliorare. Grazie ai miglioramenti in efficienza, il consumo energetico di trasmissione nella seconda generazione di BLE scenderà del 66% circa senza perdita di campo o prestazioni.

Con tutte le modifiche recenti a BLE e molte altre presto a venire, questo è un momento ideale per dare un'occhiata alla situazione attuale della tecnologia e al suo futuro.

I fondamenti BLE

Per dispositivi di comunicazione wireless che sono stati ottimizzati per il basso consumo di corrente piuttosto che per la massima velocità di trasferimento dati, BLE è perfetto. Consuma appena un centesimo della potenza media richiesta da Bluetooth Classic. L'assorbimento di corrente di picco di BLE è di soli 15 mA, rispetto a 40 mA o più per Bluetooth Classic. Con un consumo di corrente così ridotto, BLE può funzionare con una singola batteria a bottone per mesi o anni, a seconda dell'applicazione.

BLE ottiene questo basso consumo principalmente a radio spenta per la maggior parte del tempo. BLE analizza solo tre canali di trasmissione e la radio si riattiva solo per inviare o ricevere brevi sequenze di dati, con pacchetti piccoli formati da 8 a 27 ottetti. BLE inoltre configura le connessioni molto rapidamente, fatto che minimizza ulteriormente il periodo di funzionamento della radio. BLE può trasmettere dati autenticati in appena 3 ms, contro i 1000 ms tipici per Bluetooth Classic.

Per quanto riguarda le velocità di trasmissione dati, la velocità dati massima pratica di BLE è in genere ben sotto 100 kbs. Pertanto non è inteso per applicazioni a flusso continuo di dati come con Bluetooth Classic, che offre velocità dati fino a 3 Mbps.

BLE presenta anche altre differenze tecnologiche rispetto a Bluetooth Classic. Tra tutte, BLE utilizza una topologia di rete a stella e un indirizzo di accesso a 32 bit indirizzo su ogni pacchetto per ogni slave, che in teoria consente a miliardi di dispositivi di essere connessi simultaneamente in ogni momento. La topologia piconet di Bluetooth Classic invece consente solo fino a otto dispositivi contemporaneamente.


Figura 1: I dispositivi Bluetooth Low Energy possono funzionare per anni con una singola batteria a bottone.

Altre caratteristiche tecniche di BLE comprendono:

• Modulazione GSFK ottimizzata. Come Bluetooth Classic, BLE fa uso di uno schema di modulazione GSFK. Tuttavia BLE utilizza un indice di modulazione più alto e canali a 2 MHz per tassi di errori bit inferiori che si traducono in un intervallo maggiore.
• Salto di frequenza adattivo. La tecnologia BLE utilizza lo stesso schema del salto di frequenza adattivo di Bluetooth Classic quando i dispositivi sono connessi. Il salto di frequenza adattivo minimizza le interferenze da altre tecnologie nella banda ISM a 2,4 GHz condivisa dalla moltitudine di dispositivi wireless che operano in questo spettro.
• Robustezza. BLE utilizza CRC (controllo a ridondanza ciclica) a 24 bit su ogni pacchetto, che permette ai campi di intestazione e dati di rilevare gli errori di bit a numero dispari, nonché errori a 2 e 4 bit. Il CRC a 24 bit, rispetto a quello a 16 o 32 bit, è ottimizzato per il carico dati utile di BLE.
• Sicurezza rigida. La crittografia e l'autenticazione BLE sono implementate utilizzando il sistema di cifratura avanzato a 128 bit (AES-128), un sistema di crittografia sviluppato dal governo degli Stati Uniti per salvaguardare i dati.

Un altro aspetto fondamentale per Bluetooth 4.1 è la sua capacità dual-mode. Se i dispositivi come sensori o accessori per telefoni spesso usano BLE da solo, gli smartphone e i tablet spesso fungono da hub wireless che comunicano tramite BLE sia Bluetooth Classic. La specifica di base Bluetooth rende possibile questa implementazione dual-mode. In sostanza, i moduli dual-mode combinano gli stack di comunicazione Classic e BLE e permettono l'uso di un'antenna condivisa. I dispositivi single e dual-mode sono designati rispettivamente come "Bluetooth Smart" e "Bluetooth Smart Ready".

Prospettive per BLE

Anche nello stato attuale, la tecnologia BLE fornisce già una soluzione eccezionale per i dispositivi che richiedono connettività wireless a bassa potenza. Tuttavia, BLE sta per diventare ancora più efficiente e i miglioramenti contenuti in Bluetooth 4.1 semplificheranno la progettazione della prossima generazione di dispositivi wireless e degli oggetti intelligenti che compongono l'Internet delle cose.

Questi miglioramenti a Bluetooth 4.1, che rimane retrocompatibile con i dispositivi legacy, comprendono:

• Supporto di più ruoli. Le modifiche al livello di collegamento e alla topologia dual-mode consentiranno ai dispositivi dual-mode di agire contemporaneamente come hub Smart Ready e come dispositivi Smart Device.
• Efficienza nello scambio di dati. L'aggiunta di canali orientati alla connessione al controllo del collegamento logico e al protocollo di adattamento (L2CAP) consente un trasferimento più efficiente dei dati in massa tra dispositivi BLE, riducendo al minimo il sovraccarico.
• Miglioramenti alla connessione. I progettisti avranno maggiore flessibilità nella creazione e nel mantenimento di connessioni Bluetooth, anche le riconnessioni automatizzate.
• Connessioni basate su IP. Aprendo la strada per l'Internet delle cose, la nuova specifica di base forma le basi tecniche per comunicazioni IPv6 aggiungendo canali L2CAP dedicati.

Alternative wireless a bassa potenza

Bluetooth Low Energy (BLE) non è l'unica soluzione possibile quando si tratta di comunicazioni wireless a bassa potenza. ANT e ZigBee hanno capacità sovrapponibili a BLE, ed entrambi questi standard wireless hanno un loro seguito. Tuttavia, BLE offre vantaggi significativi se si considerano le sue capacità tecniche e il fatto che si tratta di un protocollo aperto.


Figura 2: Confronto di durata della batteria e velocità dati tra ZigBee e BLE.

Strategie di implementazione di Bluetooth Low Energy

Dopo aver deciso il protocollo di applicazione desiderato, la domanda successiva da porsi è come implementarlo: acquistare un modulo BLE o creare una propria soluzione discreta. Entrambi gli approcci sono possibili, ma si profilano tre scenari che favoriscono chiaramente i moduli:

• Bassi volumi di produzione. A volumi di produzione sotto le 100.000 unità, i moduli hanno un netto vantaggio di costo sui componenti discreti. Aggiungete i costi di sviluppo, produzione, certificazione RF e di test a un'implementazione BLE basata su chip e il costo in genere ricade entro USD 150.000 e 200.000. Ammortizzate tali costi su volumi sotto 100.000 unità e il costo di RF può risultare proibitivo. A volumi da 100.000 a 150.000 unità, la soluzione del modulo o del chip può aver senso dal punto di vista del costo totale. Oltre le 150.000 unità, l'equilibrio torna alle soluzioni discreti.
• Obiettivi di time-to-market veloce. I moduli offrono anche un vantaggio quando entrano in gioco le considerazioni sul time-to-market. Le applicazioni RF discrete in genere richiedono da tre a sei mesi di sviluppo e questo lasso di tempo vale per team esperti. Sostituendo gran parte della programmazione personalizzata con una API e un set di comandi a stringa, i moduli semplificano notevolmente il processo di sviluppo. I moduli sono inoltre pre-certificati, eliminando i tempi e i costi del processo di certificazione. In sostanza: i moduli possono essere inseriti in un nuovo progetto di prodotto in poche settimane, offrendo un significativo vantaggio per il time-to-market.
• Lunghi cicli di vita. I moduli possono combattere l'obsolescenza di prodotti che hanno cicli di vita che possono sopravvivere i loro circuiti integrati. I progetti dei moduli possono incorporare nuovi chip quando necessario senza modificare la piedinatura, la funzionalità, le dimensioni e l'interfaccia firmware legacy.

Figura 3: Costo di un modulo rispetto a un chip.

Moduli Bluetooth Low Energy

Panasonic offre diversi moduli BLE. Tre di questi sono descritti di seguito:


Figura 4: Modulo PAN1740 Single-Mode Bluetooth LE.

Modulo PAN1740 Single-Mode Bluetooth Low Energy — “nanoPower”

• Corrente Tx a 0 dBm: 5 mA
• Ingombro compatto: 9 x 9,5 x 1,9 mm
• Alta sensibilità (-93 dBm tipico)
• Controllo di potenza Tx fino a un massimo di 0 dBm
• Place-and-play
• Funzionamento standalone autonomo
• Modulo Bluetooth Smart®
• Stack BLE e profilo GATT embedded
• Intervallo di temperatura industriale: -40 ~ 85 °C
• Due oscillatori a cristallo interni
• Schermatura integrata per la resistenza EMI
• Non richiede componenti esterni

Figura 5: Modulo PAN1720/PAN1721 Single-Mode Bluetooth LE.

Modulo PAN1720 e PAN1721 Single-Mode Bluetooth Low Energy

• Contenitore a montaggio superficiale, 15,6 x 8,7 x 1,9 mm
• Potenza Tx tipica fino a 4,0 dBm con controllo di potenza Tx
• Alta sensibilità: -94 dBm tipica
• Basato sulla soluzione CC2540 Single-Chip BLE di Texas Instruments
• Core per microcontroller 8051 ad alte prestazioni, bassa potenza
• Non richiede componenti esterni
• Rapida configurazione della connessione
• Oscillatore a cristallo interno, 26 MHz
• Oscillatore a cristallo interno a 32 kHz per timer di sospensione
• Due potenti USART
• Monitoraggio batterie e sensori di temperatura
• PAN1720 offre interfaccia USB
• PAN1721 offre interfaccia I²C

Figura 6: Modulo PAN1326 Dual-Mode BLE e Classic.

Moduli PAN1326 Dual-Mode BLE e Classic

• Le migliori prestazioni in radiofrequenza Bluetooth per potenza Tx, sensibilità Rx e blocco
• Bluetooth v4.0 + EDR pienamente qualificato
• Dimensioni: 6,5 x 9 x 1,7 mm (PAN1316)
• Certificazioni: Bluetooth, FCC, CE, IC
• Intervallo temperatura di funzionamento: -40 ~ 85 °C
• Profili: tutti sono supportati
• Basato su CC2564 di TI
• Integrabile con quasi tutti i microcontroller
• Algoritmo ultraveloce per ACL ed eSCO
• Supporta un intervallo di potenza esteso per Tx con uscita tipica di 10,5 dBm

I miglioramenti contenuti in Bluetooth 4.1 dovrebbero iniziare ad essere integrati nei chip e moduli BLE e dual-mode all'inizio del 2014. Guardando più avanti, si prospetta una vera e propria rivoluzione BLE che influenzerà positivamente la potenza disponibile per le applicazioni alimentate a batteria.

L'inizio di questa rivoluzione è visibile nei nuovi moduli e CI discreti BLE che stanno per essere introdotti nel mercato. Questi dispositivi sono comunemente noti come BLE ad assorbimento di potenza ultrabasso, anche se i singoli produttori hanno già adottato nomi commerciali, come la famiglia nanoPower di Panasonic. I dispositivi a nanopotenza riducono il consumo di corrente in trasmissione e ricezione di oltre il 66% rispetto all'attuale generazione di dispositivi BLE e quasi del 90% rispetto ai dispositivi Bluetooth Classic. Inoltre, queste riduzioni di corrente sono state ottenute senza ridurre il campo, la potenza di trasmissione e senza manipolare la specifica Bluetooth.