Die Einrichtung von energiesparenden Drahtlosverbindungen für das Internet der Dinge mit Bluetooth® 4.1

Die neuesten Bluetooth^®-Versionen sorgen für Aufregung, und das nicht nur wegen der neuesten tragbaren Geräte und Fitnessanwendungen, sondern auch wegen der Verbindung von Geräten und Sensoren im Internet der Dinge (Internet of Things, IoT).

So wurde mit Bluetooth 4.0 die Energieeffizienz dramatisch verbessert und die Verwendung direkter Bluetooth-Verbindungen wesentlich erleichtert, und Bluetooth 4.1 ergänzt dies mit weiteren Netzwerkmöglichkeiten. Damit wird allmählich das Potenzial zur Verknüpfung mehrerer Geräte mithilfe eines handelsüblichen Smartphones erschlossen.

Der Antrieb für die Übernahme von Bluetooth Smart 4.0 seit 2010 war die Möglichkeit, eine eingebettete Verbindung für einige Jahre von einer Batterie aus betreiben zu können. Mit dem Netzwerkelement, das seit der Freigabe der Version 4.1 im Dezember 2013 zur Verfügung steht, ist Bluetooth nun für IoT-Entwickler so attraktiv wie nie zuvor. Allerdings müssen einige entscheidende Aspekte bei der Entwicklung sowohl von der Hardware- als auch der Softwareseite bedacht werden. Die Bluetooth Special Interest Group (SIG) empfiehlt Herstellern, umgehend mit der Implementierung von Bluetooth 4.1 in ihren Geräten zu beginnen, um so von den neuen Funktionen zu profitieren. Damit können Systementwickler beruhigt die bestehenden 4.0-Module von Anbietern wie Laird Wireless und Panasonic verwenden und auf 4.1 upgraden, sobald die Firmware zuverlässig läuft – und somit das Beste aus beiden Welten bieten.

Zum ersten Mal seit der Einführung von Bluetooth 2.0 + EDR gibt es keine Pflichtfunktionen, die für die Verwendung der Bluetooth-4.1-Spezifikation zwingend verwendet werden müssen. Gleichwohl sind die Hersteller aufgefordert, sämtliche Berichtigungen für Bluetooth 4.1 zu integrieren, um so der Spezifikation gerecht zu werden. Geräte, in denen nur die Energiesparfunktion implementiert wurde (Bluetooth Smart), sind abwärtskompatibel mit Bluetooth-4.0-Geräten, die ebenfalls die Energiesparfunktion aufweisen.

Bluetooth Low Energy (in der Version 4.0 jetzt als Bluetooth Smart bezeichnet) verwendet die gleichen ISM-Bandfrequenzen von 2,4 GHz wie die "klassische" Bluetooth-Vorgängerversion, bedient sich dabei aber eines einfacheren Protokolls zur Frequenzverschiebung mit Gauß-Filter, um den Stromverbrauch zu reduzieren. Darüber hinaus kommen bei der Version 2-MHz-Kanäle sowie die DSSS-Modulation (Direct-Sequence Spread Spectrum) zur Anwendung.

Aufgrund dieser Kombination verschiedener Kanäle und verschiedener Modulation sind die LE-Spezifikation und die Classic-Spezifikation nicht direkt miteinander kompatibel. Das stellt für Entwickler jedoch kein Problem dar, da sämtliche Chips und Module, die als Bluetooth-kompatibel gekennzeichnet sind, mit beiden Versionen laufen können – Classic für ältere Geräte und Bluetooth Smart mit der DSSS-Version.

Die Versionen 4.0 und 4.1 erzielen ihre Energieeinsparung durch die Verwendung von 40 der 2-MHz-Kanäle und erreichen dabei für Verbindungen eine Datenrate von 1 Mbit/s sowie einen Anwendungsdurchsatz von 270 Kbit/s. Diese Zahl liegt zwar unter der für Bluetooth Classic, aber die Bitrate für Anwendungen wird durch eine Reduzierung der Latenzzeit von 100 ms auf 6 ms ausgeglichen, was für die Vernetzung und Umsetzung des Internets der Dinge wichtiger ist, da damit eine schnellere Reaktion auf Datenanfragen oder Steuersignale ermöglicht wird.

Die maximale Sendeleistung wurde ebenfalls auf 10 mW reduziert, wodurch die Reichweite auf unter 50 Meter fällt und eine Nutzung für viele IoT-Anwendungen möglich ist. Die Version 4.1 ermöglicht intelligenten Geräten mehrere Rollen gleichzeitig zu spielen, sodass ein Gerät, das "Bluetooth Smart Ready" ist, zur gleichen Zeit sowohl als Hub als auch als Peripheriegerät agieren kann. Die Koexistenz mit anderen drahtlosen Technologien, insbesondere Wi-Fi im gleichen 2,4-GHz-Band, wurde verbessert, und es wurden dedizierte Kanäle für IoT-Anwendungen hinzugefügt.

Dies beruht auf einer "logischen Übertragungssteuerung und Anpassungsarchitektur" (Logical Link Control and Adaptation Architecture: L2CAP), die Protokoll-Multiplexing höherer Ebene, Paketsegmentierung und Wiederzusammenführung und Servicequalitätsinformationen in 64-KByte-Paketen unterstützt. Die Architektur basiert auf Kanälen, wobei jeder Endpunkt eine Kanalkennung (CID) trägt. Die CID-Zuordnung ist relativ zu einem bestimmten Gerät und ein Gerät kann CIDs unabhängig von anderen Geräten zuweisen. Dadurch können Geräte einfach einem Netzwerk hinzugefügt werden. Somit können mehrere Geräte in Reihe (Daisy Chain) geschaltet werden, wodurch der Aufbau einfacher wird.


Abbildung 1: Mit der L2CAP-Kanalarchitektur für Bluetooth Smart 4.1 kann ein Netzwerk von Geräten gesteuert – und damit das Internet der Dinge erschlossen werden.

Zudem gibt es mehr Unterstützung für den Anwender. Bei 4.1 werden die Verbindungen automatisch wiederhergestellt, sodass die Verbindung wieder da ist, sobald ein Anwender den Raum betritt. Des Weiteren unterstützt 4.1 Bulk-Transfers von Daten, wobei eine Verbindung hergestellt und eine größere Datei heruntergeladen wird – eine dauerhafte Verbindung muss damit nicht mehr aufrechterhalten werden.

Einer der Bereiche, der mit der Version 4.1 weiter ausgebaut werden wird, sind die sogenannten Generic Attribute Profiles (GATT). Diese bieten innerhalb des Betriebssystems eine Client-Server-Programmierschnittstelle (API) sowie verschiedene Dienste, Merkmale und Deskriptoren.

Verwendet werden diese GATTs für die Verarbeitung von Daten für aktuelle Anwendungen wie Blutdruck, Herzfrequenz, Gesundheits-Thermometer, Nähe und "Find Me". Mit neuen Profilen für IoT-Anwendungen werden Daten auf verschiedene Weise zusammengeführt.

Die Attribute für Dienste, Merkmale und Deskriptoren werden zusammen durch sogenannte Universally Unique Identifiers (UUIDs) gekennzeichnet. Die Bluetooth-SIG hat eine Reihe von UUIDs (in der Form xxxxxxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB) für Standardattribute reserviert, welche als 16- oder 32-Bit-Kurzformwerte und nicht mit 128 Bit dargestellt werden, um so Größe und Komplexität des Codes gering zu halten.

Das GATT-Protokoll enthält verschiedene Befehle für den Client, um Informationen über den Server herauszufinden. Dazu gehören die Ermittlung von UUIDs für alle primären Dienste, das Finden eines Dienstes mit einem bestimmten UUID und anschließend das Finden der sekundären Dienste sowie die Ermittlung sämtlicher Merkmale für einen bestimmten Dienst. All dies wird Teil der Profile für IoT-Anwendungen.

Durch GATT werden Befehle zur Übertragung von Merkmalsdaten vom Server zum Client (als Read bezeichnet) und vom Client zum Server (Write) bereitgestellt. Dabei kann ein Wert entweder durch die Angabe des UUID des Merkmals gelesen werden oder durch einen Handle-Wert, der aus den Befehlen zur Ermittlung von Informationen stammt. Bei Write-Vorgängen wird das Merkmal stets durch einen Handle-Wert identifiziert, wobei hier gewählt werden kann, ob eine Antwort vom Server erforderlich ist oder nicht.

GATT bietet zudem Benachrichtigungen und Hinweise, die ein wesentlicher Bestandteil von IoT-Verbindungen sind. So kann der Client eine Benachrichtigung für ein bestimmtes Merkmal vom Server anfordern, der dann den Wert an den Client senden kann, sobald er zur Verfügung steht. Der Server eines Temperatursensors auf einem Gerät zum Beispiel kann seinen Client informieren, wenn dieser eine Messung vornimmt. So muss der Client nicht den Server abfragen, wodurch der Bedarf an einer regelmäßigen Funkverbindung reduziert wird. Ein Hinweis ähnelt einer Benachrichtigung mit dem Unterschied, dass hier eine Antwort vom Client erforderlich ist als Bestätigung dafür, dass er die Nachricht erhalten hat.

Die Chip- und Modulhersteller setzen auf GATT weitere Schichten auf, damit Systementwickler mithilfe dieser Profile ihre eigene Software entwickeln können. Damit ist die Software auch bei einem Upgrade der Systeme mit allen bestehenden Chips und Modulen kompatibel, die 4.0 und 4.1 verwenden.

Diese Komplexität wird von Modulherstellern wie Laird Wireless gegenwärtig gut versteckt: So verwendet das Unternehmen bei Modulen wie dem BT800 die Version 4.0, während die Firmware so ausgelegt wird, dass auch Version 4.1 auf diesen Modulen unterstützt wird. Das Modul BT800 verwendet einen Transceiver von CSR mit einer Antenne und Schnittstellen und zeichnet sich durch kompakte Abmessungen (8,5 mm x 13 mm) sowie einer Leistung von 8 dBm aus. Die Module verfügen über sämtliche Hardware und Firmware, die für die Entwicklung von BLE-Anwendungen erforderlich sind, darunter UART, SPI, I²C, ADC und GPIO-Schnittstellen zum Anschluss von Peripheriegeräten und Sensoren. Der Anschluss über diese Schnittstellen ist relativ einfach und erfolgt über Einzel-, Zwei- oder Mehrdraht-Verbindungen.


Abbildung 2: Mit dem Dual-Mode-Modul BT800 Bluetooth Smart von Laird Wireless kann die in Version 4.1 enthaltene Anschlussfunktionalität problemlos in bestehende Entwicklungen integriert und diese auf 4.1 upgegradet werden.

Laird hat eine ereignisgesteuerte Programmiersprache aufgenommen, welche einen Standalone-Betrieb des Moduls ermöglicht. Dabei können Sensoren über die Schnittstellen angebracht werden, ohne dass ein externer Prozessor benötigt wird. Eine einfache smartBasic-Anwendung verkapselt den kompletten End-to-End-Prozess, der aus Lesen, Schreiben und Verarbeiten der Sensordaten besteht und anschließend mit Bluetooth Smart die Daten auf ein beliebiges Bluetooth-4.1-Gerät überträgt.

Inzwischen bietet CSR auch eine andere Möglichkeit zur Vernetzung für das Internet der Dinge an, die auch von den Modulherstellern verwendet werden kann. Während 4.1 acht bis zehn separate Verbindungen von einem Smartphone zu anderen Peripheriegeräten herstellen kann und damit ein privates Netzwerk bzw. eine Reihenschaltung von Verbindungen schafft, hat CSR eine Firmware entwickelt, die auf dem 4.0-Stapel sitzt und bis zu 65.000 Geräte in einem vermaschten Netz steuern kann.

Diese potenziell bahnbrechende Technologie rückt das Smartphone in den Mittelpunkt des Internets der Dinge. Mit CSR Mesh kann eine nahezu unbegrenzte Anzahl von Bluetooth Smart-fähigen Geräten von einem einzigen Smartphone, Tablet oder Rechner aus einfach miteinander vernetzt und gesteuert werden.

Die Lösung, die für Smart Home- und IoT-Anwendungen optimiert ist, kombiniert ein Konfigurations- und Steuerprotokoll mit den bewährten Bluetooth Smart-Geräten von CSR, darunter CSR101x und CSR8811. Damit können Anwender jedes Bluetooth Smart-fähige Gerät in ihrem Haus – zum Beispiel Lampen, Heizungen, Haushaltsgeräte und Alarmanlagen – von jedem beliebigen Ort aus steuern. Entscheidend für die Benutzerfreundlichkeit ist hierbei der Umstand, dass die auf dem Protokoll basierenden Lösungen keinen komplizierten Aufbau, kein umständliches Pairing oder die Verwendung eines Zugangsgeräts wie einen Router erfordern.

Im Gegensatz zu anderen Verbindungslösungen im Bereich Gebäudeautomation ermöglicht CSR Mesh nämlich die direkte Steuerung von tragbaren Geräten im gesamten Haus aus, da die Lösung keine begrenzte Reichweite hat und auch keinen Hub benötigt. Entwickler müssen nicht auf proprietäre Lösungen zurückgreifen oder weitere Elemente hinzufügen, um Produkte zu entwickeln, die einfach funktionieren und ohne komplizierte Konfiguration auskommen.

Das CSR-Mesh-Protokoll bedient sich eines Modus innerhalb von Bluetooth Smart, um Nachrichten an andere Bluetooth Smart-Geräte im Netzwerk zu senden. Dabei können Nachrichten sowohl an einzelne Geräte als auch an Gruppen von Geräten geschickt werden. Zudem können Geräte auch zu mehr als einer Gruppe gehören. Die Steuerung erfolgt über handelsübliche Bluetooth-Smart-fähige Geräte wie Lichtschalter oder die Mehrzahl der heutzutage erhältlichen Smartphones oder Tablets.

Damit Entwickler ihre Produkte schnell vertreiben können, wird CSR einen auf Kunden ausgerichteten Entwicklungskit herausbringen. Der Kit wird Quellcode für Android- und iOS-Anwendungen sowie Zugang zu binären CSR-Mesh-Bibliotheken bieten.

Die Software verwendet keine Funktionen der Version 4.1, erweitert aber 4.0, um die Maschentopologie zu ermöglichen. Dabei handelt es sich um eine vollständig vermaschte Topologie und nicht um eine einfache Maschentopologie, sodass sämtliche Geräte als Mitglieder teilnehmen und Nachrichten an andere Knoten weiterleiten können. Das macht die Einrichtung für Endanwender sehr einfach, da das Protokoll sich automatisch um die Weiterleitung von Nachrichten kümmert. Der Urheber einer Nachricht kann an einem beliebigen Ort innerhalb des vermaschten Netzwerks sein; die Nachricht wird auch an Knoten weitergeleitet, die außerhalb der Reichweite liegen. Um Fragen wie Sättigung und Zugriffskonflikte zu begegnen, enthält das Protokoll die Funktionen Lebensdauer und Anzahl von Sprüngen.

Bei Version 4.1 können die Modi Master und Slave gleichzeitig laufen. Dennoch muss der Anwender die Verbindungen manuell verwalten, was bei der Steuerung von kleineren oder Kernnetzen auch kein Problem ist. Bei der CSR-Technik hingegen gibt es diese Beschränkungen nicht – das Verbindungsmanagement ist bewusst viel leichter gehalten.

Bei der Standardausführung sind Adressierung, Gruppierung, Zusammenschluss und Sicherheit in die Paketstruktur eingebaut. Das ist ähnlich wie bei Ipv4, aber es gibt ein eigenes Adressfeld für das vermaschte Netzwerk selbst. Damit ist diese Lösung bei einfachen Sensorinformationen sowie bei Befehl und Steuerung weitaus schlanker als IPv4. Im Moment ist diese Funktion ein absolutes Alleinstellungsmerkmal von CSR. Das Unternehmen arbeitet nun mit wichtigen Kunden und Partnern daran, die Funktion zu standardisieren, entweder über den Open-Source-Weg oder über die Bluetooth-SIG.

CSR hat demonstriert, wie das vermaschte Netzwerk direkt mit einem Smartphone gesteuert werden kann, indem eine Gruppe von Ingenieuren zunächst 50 LED-Lampen installierte und dann mit einem Android-Smartphone den Raum betrat. Ohne formale Konfiguration konnten sie das Lampennetzwerk steuern.

Weiterhin stellt CSR einen umfassenden Satz an Tools für die Softwareentwicklung, die Platinenauslegung und die Produktionstests rund um seine Chips bereit. Dazu gehören eine USB-Programmierschnittstelle und E/A-Schnittstellen zum Anschluss anwendungsspezifischer Sensoren und Aktuatoren. Die vollständig lizenzierte Softwareentwicklungsumgebung xIDE von CSR enthält Beispielanwendungen für beliebte Bluetooth-Smart-Profile und Host-Anwendungen sowohl für iOS- als auch Android-Smartphones, um das jeweilige Projekt zu vereinfachen. Die Zielplatine wird normalerweise von der Host-USB-Verbindung mit Strom versorgt, kann aber auch mithilfe einer auf der Platine angebrachten Knopfzelle im Standalone-Betrieb laufen, um so Strommessungen zu ermöglichen.


Abbildung 3: Mit dem CSR-Entwicklungssystem für Bluetooth Smart können Entwickler ihre eigenen Funktionen auf die Bluetooth-GATT-Schicht setzen.

Auch wenn bei der Auswahl der Batterien zur Stromversorgung der Geräte einige wichtige Entscheidungen zu treffen sind – die Integration der Module in das jeweilige Design ist relativ unkompliziert. Das wird der Einführung von IoT-Anwendungen mit der Version 4.1 zuträglich sein, da die Module problemlos in bestehende Installationen eingebaut werden können.

Das Modul BLE112 von BlueGiga verwendet einen Bluetooth-4.0-Transceiver von Texas Instruments und kann direkt mit einer Knopfzelle betrieben werden. Aufgrund des relativ hohen internen Widerstands einer Knopfzelle wird empfohlen, einen 100-μF-Kondensator parallel zur Batterie zu schalten. Der interne Widerstand einer Knopfzelle liegt anfangs in einem Bereich von 10 Ω, steigt mit Nutzung der Kapazität aber rasch an.

Je höher der Wert des Kondensators, desto höher die nutzbare Kapazität der Batterie und desto länger die Lebensdauer für die jeweilige Anwendung. Der Mindestwert für den Kondensator hängt dabei von der Endanwendung sowie von der verwendeten maximalen Sendeleistung ab. Der Leckstrom eines 100-μF-Kondensators liegt in einem Bereich von 0,5 μA bis 3 μA, wobei Keramikkondensatoren in der Regel einen niedrigeren Leckstrom aufweisen als Tantal- oder Aluminium-Elektrolytkondensatoren.


Abbildung 4: Das Bluetooth-Smart-Modul BLE112 von BlueGiga. Durch die Verwendung eines Kondensators bei der Batterie kann die Lebensdauer der Batterie verlängert werden.

Eine weitere Möglichkeit hierfür ist der Einsatz eines DC/DC-Wandlers, um während des Sendens oder Empfangens und bei der Datenverarbeitung den Stromverbrauch zu reduzieren. So verringert ein extrem stromsparender DC/DC-Wandler mit Bypass-Modus den Stromverbrauch während des Sendevorgangs um etwa 20 % und verlängert die Lebensdauer der 3-V-Knopfzelle.

Fazit

Die Einführung von Bluetooth Smart 4.1 mag wie ein kleiner Schritt für die Weiterentwicklung des Standards aussehen, hat aber das Potenzial, einige wichtige Änderungen anzustoßen. So setzen die Geräte-, Modul- und Systementwickler sowohl auf 4.0 als auch auf 4.1, um noch anspruchsvollere stromsparende Netzwerkoptionen für eine breite Palette kostengünstiger Geräte zu entwickeln, die alle über das allgegenwärtige Smartphone gesteuert werden. Ein vorgefertigter Anschluss für die Anbindung eines Netzwerks von Geräten stellt einen unschätzbaren Vorteil dar, und unabhängig davon, ob diese Anbindung über 4.1-Kanäle oder eine auf 4.0 gesetzte Netzwerkschicht erfolgt, wird sich Bluetooth Smart als eine entscheidende Technologie für das Internet der Dinge erweisen.