Наверное, в наше время не осталось людей, которые не слышали о технологии Блютуз. Она достаточно старая. Каждый современный телефон и планшет оснащен таким модулем. Но, вопрос, что такое Bluetooth все еще актуален и встречается достаточно часто.

Несмотря на то, что на сегодняшний день существуют новые технологии беспроводной связи, которые отличаются более высокой скоростью передачи данных, Блютуз все же прочно занял свою нишу. Это обуславливается неоспоримыми преимуществами этого стандарта. Чтобы их понять нужно изучить, что такое Bluetooth, как он работает и какими особенностями обладает.

Что такое Блютуз

Это технология беспроводной связи. То есть передача данных осуществляется по радиоканалам. Блютуз позволяет создавать беспроводное соединение между устройствами, благодаря которому вы можете передавать абсолютно любую информацию. Более того, данная технология позволяет удаленно управлять устройствами и создавать голосовую связь. Это позволяет использовать беспроводные наушники, гарнитуру, а также удаленно управлять принтерами, сканерами и так далее.

Если перевести слово Bluetooth с английского языка, то оно будет означать «Синий зуб». Это название разработчики выбрали неспроста. Дело в том, что в 900 годах в Дании жил король Гаральд Bluetooth (синезубый). Он смог объединить Норвегию и Данию. В его честь и была названа технология.

По сути, ее задача в объединении устройств для обмена информацией и передачи файлов. Итак, что такое Блютуз вы знаете. Теперь можно переходить к вопросу, для чего он нужен.

Описание и особенности технологии Bluetooth: Видео

Как и для чего можно использовать Bluetooth

Ответ на вопрос, для чего нужен Bluetooth, неоднозначен. Ведь, как уже было сказано выше, эта технология позволяет выполнять различные функции. Конечно, суть одна - объединение устройств для обмена данными. Но какими будут эти данные, и с какой целью вы их будете передавать - это уже зависит от вас.

Например, водители часто используют беспроводную гарнитуру. В таких наушниках встроен Блютуз адаптер. Такой же модуль имеется и в телефоне. Благодаря этому гарнитура подключается к мобильному и создается голосовая связь. Помимо этого, Bluetooth используется для удаленного управления. К примеру, для печати при помощи принтера, для управления телевизором или другими бытовыми приборами.

Еще одна функция Bluetooth заключается в том, чтобы передавать звук на акустическую систему. Не стоит путать с гарнитурой. Здесь немного другая специфика. Суть в том, чтобы передавать все звуки с телефона или планшета на колонки. Таких функций две:

• Headset.
• A2DP.

Разница между ними лишь в том, что первая передает все звуки с телефона, а вторая исключительно музыку (стереозвучание). Как вы уже знаете, для работы любой из функций оба подключаемые устройства должны быть оснащены соответствующими адаптера. Отсюда возникает вопрос, что такое Блютуз адаптер.

Что такое модуль Bluetooth

Это устройство, которое позволяет использовать данную функцию в своих целях. Суть работы адаптера заключается в том, чтобы преобразовать цифровой сигнал в аналоговый и передать его по радиоволнам на другой подобный модуль связи. Тот, в свою очередь, принимает радиоволны и преобразует их в цифровой сигнал (в байты данных).

Для этого используется радиосвязь в диапазоне ISM. Эти частоты не нуждаются в лицензии. Другими словами, использовать их может абсолютно каждый желающий, не нарушая закона. Помимо этого, такая особенность избавляет вас от больших затрат на организацию сети.

Как выглядит Блютуз? Сам адаптер имеет вид маленькой платы с чипом. Он настолько мал, что легко вмещается в небольшом USB устройстве, который имеет размеры меньше флешки.

Сама технология обозначается синим значком в виде трех зубьев.

Как пользоваться Bluetooth: Видео

Скорость передачи данных по Блютузу

Поскольку эта технология достаточно старая, следует понимать, что за время от создания до наших дней она претерпела немало доработок и изменений. К примеру, первая версия Блютуз 1.1 ограничивался скоростью в 721 Кбитс. То есть фактическая скорость загрузки не превышала 90 Кбайтс.

Передача данных посредством Bluetooth осуществляется на частоте 2.4 ГГц. Говоря еще точнее, диапазон работы находится в рамках 2402-2480 ГГц. При этом в большинстве стран мира для передачи данных выделены 79 каналов. Ширина одного такого канала составляет 1 МГц. Данный диапазон используется для гражданских целей.

Принцип работы

Принцип работы Bluetooth заключается в передаче данных посредством быстрой смены частот, которая происходит приблизительно 1600 раз в секунду. Данная схема работы обеспечивает отличную защищенность от помех и предоставляет возможность принимающим сигнал устройствам не мешать друг другу, в следствие смешивания частот. Кроме того, это обеспечивает практически полную безопасность пользователям внутренней сети, т.к. подключиться к принимающим устройствам не представляется возможным. К тому же, маленький радиус действия Bluetooth, не располагает к несанкционированному подключению, с возможностью остаться незамеченным.

Скачкообразное изменение частоты

Смена канала при передаче данных посредством Bluetooth происходит каждые 625 мкс. Эти 625 мкс одновременно являются интервалом времени, за который осуществляется передача данных, которая измеряется в пакетах. При этом, один пакет может быть передан не за один такой интервал, а за несколько. После завершения передачи пакета данных, происходит заранее определенная для каждого устройства смена канала (частоты).
Также, может применяться и адаптивное скачкообразное изменение частоты. Оно необходимо для того, чтобы ограничить передачу данных с устройств определенным количеством каналов. При этом, открывшийся частотный диапазон можно использовать для передачи данных другими устройствами. Таким образом уменьшается риск возникновения частотных помех для устройств пикосети.

Кроме того, необходимость ограничить диапазон частот для передачи данных может быть вызван, запретом использования определенных частотных каналов в ряде стран. К примеру, в некоторых европейских странах, в частности в Испании и Франции, разрешается использовать только 22 частоты, вместо обычных 79.

Основные стандарты Bluetooth

1. Серьезные нововведения были введены в стандарт 2.0. При этом, в нем наблюдалось значительное увеличение скорости передачи данных, что было связанно с поддержкой EDR. Передача данных в стандарте 2.0 была увеличена до 2.0-2.4 Мб/с . А кроме того, 2.0 спецификация серьезно увеличило безопасность и защищенность от возникновения помех.
2. Стандарт 3.0 поразил пользователей невиданной до того скоростью передачи данных, которая увеличилась до 24 Мб/с . Связанно это было в первую очередь с тем, что спецификация 3.0 поддерживала Wi-Fi. Однако, производители предпочитают устанавливать на свои устройства два стандарта, т.к. спецификация 3.0 расходует слишком много энергии.
3. Более специфической является стандарт 4.0, который совместил в себе небольшую скорость передачи данных, хорошую безопасность и невероятно малое расходование энергии, основанное на непостоянной работе передатчика. Устройства, использующие данный стандарт, как правило, применяются для спортивных, медицинских и иных целей, являются миниатюрными и не рассчитаны на большое количество передаваемых данных.

Преимущества Bluetooth 4.0:

1. Совмещает в себе предшествующие протоколы. Поддерживает основные функции предыдущих протоколов.
2. Увеличение скорости.
3. Значительное уменьшение энергопотребления устройства, использующего стандарт 4.0, достигнутое за счет измененного алгоритма работы (передатчик включается только в тот момент, когда происходит передача данных).

Как правило, стандарт 4.0 больше подходит для миниатюрных электронных датчиков. К примеру, для наручных измерителях давления, температуры, для тренажеров, различных миниатюрных устройств с небольшой энергоемкостью.

2011 №4

Обзор современных технологий беспроводной передачи данных в частотных диапазонах ISM (Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi) и 434/868 МГц

В течение последних двух лет ощущается растущий интерес разработчиков радиоэлектронной аппаратуры к стандартам и технологиям беспроводной связи на коротких расстояниях: Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi и в частотных диапазонах 434/868 МГц. Для удобства далее данную группу стандартов будем называть Short Range RF.

Для каждого стандарта группы Short Range RF существует большое многообразие радиочастотных модулей различного уровня готовности, отличающихся друг от друга техническими параметрами и характеристиками. Актуальность приобретает проблема выбора конкретной технологии Short Range RF и конкретной элементной базы для применения в проекте. Решению этой задачи и посвящен данный материал.

Термины и классификация

Сразу определимся с терминологией. Модулем в рамках данной статьи будем считать приемопередающее радиотехническое устройство, предназначенное для монтажа внутрь другого более сложного устройства.

Все стандарты и технологии беспроводной передачи данных могут быть классифицированы по ряду формальных параметров. В таблице 1 приведена общая классификация наиболее актуальных на данный момент стандартов беспроводной передачи данных.

Таблица 1. Общая классификация основных стандартов беспроводной передачи данных

	ZigBee	Bluetooth	Wi-Fi	434/868 МГц	GSM/GPRS/EDGE	3G
Частотный диапазон, МГц	2400-2483	2400-2483	2412-2484	434/868	900/1800	1885-2025; 2110-2200
Скорость передачи данных, кбит/с	250	721	11000/54000	500	14,4/171/473	144/384/2048
Дальность связи, м	200	класс 1 — 100; класс 2 — 10; класс 3 — 1	100	1000	во всей зоне покрытия	во всей зоне покрытия
Потребление тока, active мА/sleep мкА	30/1	70/20	450	30/1	350/3500	350/3500
Модуляция, доступ к среде	DSSS	FHSS	DSSS	FHSS	TDMA/ FDMA	TDMA/ FDMA/CDMA
Топология системы	«точка-точка», «звезда», сеть	«точка-точка», «звезда», сеть	«точка-точка», звезда	«точка-точка», «звезда», сеть	сотовая сеть	сотовая сеть
Частотный диапазон, МГц	2400-2483	2400-2483	2412-2484	434/868	900/1800	1885-2025; 2110-2200

Стандарты сотовой связи GSM/GPRS/EDGE и 3G в данном случае обсуждать не будем. Рассмотрим более внимательно технологии ZigBee, Wi-Fi, Bluetooth и 434/868 МГц. Существуют три технических параметра, которые наиболее часто определяют область применения того или иного стандарта группы Short Range RF в конкретном приложении пользователя: энергопотребление (или потребление тока), дальность связи и скорость передачи данных. По значению этих параметров можно условно выделить следующих лидеров:

• Wi-Fi обладает максимальной скоростью передачи данных.
• ZigBee и технологии 434/868 МГц обладают минимальным энергопотреблением.
• Технологии 434/868 МГц обладают максимальной дальностью действия в прямой видимости.

Данная классификация является достаточно спорной. Сразу оговоримся, что она принята для упрощения предварительного обзора стандартов Short Range RF. На самом деле, как станет видно дальше, стандарты Short Range RF на практике часто пересекаются друг с другом, иногда объединяясь с целью завоевания новых ниш на рынке, иногда вступая в конкуренцию на уже существующих его сегментах. Например, ZigBee «старается» увеличить свою скорость передачи данных и повысить дальность связи, Wi-Fi «стремится» повысить дальность связи и снизить энергопотребление и т. д. Поэтому на практике достаточно сложно провести границу между различными стандартами Short Range RF.

Bluetooth

Стандарт Bluetooth является компромиссным с точки зрения соотношения параметров экономичность/дальность/скорость. По своей функциональности и возможности применения в различных приложениях он имеет наибольшее число пересечений с другими стандартами группы Short Range RF. Поэтому для начала рассмотрим именно его.

Основная идея Bluetooth заключалась в создании универсального, надежного и очень дешевого радиоинтерфейса беспроводного доступа. Технология Bluetooth позволяет обеспечить сопряжение с различным профессиональным и бытовым оборудованием в режимах передачи речи, данных и мультимедиа, при этом гарантируется его электромагнитная совместимость с другим домашним или офисным оборудованием. Как было указано в таблице, существует всего три класса устройств Bluetooth, если градировать их по излучаемой мощности: 1-й — до 100 метров (до 100 мВт); 2-й — до 10 метров (до 2,5 мВт); 3-й — до 1 метра (до 1 мВт).

Для определения модели поведения при установлении соединения между различными типами устройств в технологии Bluetooth введено понятие профиль. Этим термином обозначается набор функций и возможностей, которые использует Bluetooth в качестве механизма транспортировки. Профили гарантируют возможность обмена информацией между устройствами разных производителей. Bluetooth SIG определяет 15 стандартных профилей:

• Generic Access Profile (GAP);
• Service Discover Application Profile (SDAP);
• Serial Port Profile (SPP);
• Dial-up Networking Profile (DUNP);
• Generic Object Exchange Profile (GOEP);
• Object Push Profile (OPP);
• File Transfer Profile (FTP);
• Synchronization Profile (SP);
• AV Control, Headset Profile (HSP);
• Advanced Audio Distribution Profile (A2DP);
• Basic Imaging Profile (BIP);
• Handsfree Profile (HFP);
• Human Interface Device Profile (HID);
• LAN Access Profile (LAP);
• Sim-Card Access Profile (SAP).

По характеру взаимодействия со внешними устройствами и приложениями архитектура всех существующих модулей Bluetooth может быть разделена на три вида (рис. 1). Модули с двухпроцессорной архитектурой (рис. 1а) не содержат в себе программного высокоуровневого стека Bluetooth с поддержкой стандартных профилей. Это значит, что необходимые профили Bluetooth должны быть реализованы на внешнем процессоре. Взаимодействие внешнего процессора с модулем происходит через виртуальный интерфейс HCI (Host Controller Interface). В частном случае HCI может быть реализован через аппаратный интерфейс SPI или UART.

Рис. 1. Разновидности архитектуры модулей стандарта Bluetooth: а) двухпроцессорная; б) встроенная двухпроцессорная; в) однопроцессорная

Модули Bluetooth со встроенной двухпроцессорной архитектурой (рис. 1б) являются наиболее распространенными. Данная разновидность архитектуры подразумевает наличие стека Bluetooth высокого уровня с поддержкой стандартных профилей непосредственно во внутреннем процессоре модуля. В этом случае приложение, работающее на внешнем процессоре, взаимодействует с модулем Bluetooth через аппаратные интерфейсы.

Однопроцессорная архитектура (рис. 1в) является наименее распространенной. Для ее реализации разработчик должен создать специальное приложение, которое будет работать на внутреннем процессоре модуля Bluetooth. В этом случае модуль превращается в автономное устройство, доступ к которому через внешние аппаратные интерфейсы закрыт.

Принадлежность модуля к той или иной архитектуре может определяться как его аппаратной реализацией, так и внутренним программным обеспечением. Например, в частном случае один и тот же модуль Bluetooth может быть отнесен к любой из трех разновидностей архитектуры в зависимости от типа прошивки, загруженной во внутренний процессор модуля. Такой подход пользуется наибольшей популярностью среди зарубежных производителей.

Немного истории

Чтобы получить наиболее полное представление о роли Bluetooth среди других представителей группы Short Range RF, обратимся к истории (рис. 2). Развитие Bluetooth с самого начала шло по пути увеличения скорости обмена данными, снижения энергопотребления, повышения безопасности и надежности соединения. Вплоть до версии 3.0 сохранялась обратная совместимость всех версий Bluetooth между собой. До сих пор в эксплуатации встречаются устройства Bluetooth версий 1.1 и 1.2, которые успешно используются совместно с 2.0 и 2.1.

Рис. 2. Хронология развития стандарта Bluetooth

Bluetooth 3.0 является чем-то средним между Bluetooth и Wi-Fi. Модули с ее поддержкой соединяют в себе две радиосистемы: первая обеспечивает передачу данных в 3 Мбит/с (стандартная для Bluetooth 2.0) и имеет низкое энергопотребление; вторая совместима со стандартом 802.11 (Wi-Fi) и обеспечивает возможность передачи данных со скоростью до 24 Мбит/с (сравнима со скоростью сетей Wi-Fi). Выбор радиосистемы для передачи данных зависит от размера передаваемого файла. Это один из наиболее ярких примеров объединения двух разных технологий для завоевания новых сегментов рынка. Правда, успеха эта попытка не имела: распространения Bluetooth 3.0 не получил.

Bluetooth 4.0 не имеет обратной совместимости с предыдущими версиями. Сверхнизкое энергопотребление достигается за счет использования специального алгоритма работы. Передатчик включается только на время отправки данных, что обеспечивает возможность работы от одной батарейки типа CR2032 в течение нескольких лет. Стандарт предоставляет скорость передачи данных в 1 Мбит/с при размере пакета 8-27 байт. В новой версии два Bluetooth-устройства смогут устанавливать соединение менее чем за 5 мс и поддерживать его на расстоянии до 100 м. Для этого используется усовершенствованная коррекция ошибок, а необходимый уровень безопасности обеспечивает 128-битное шифрование.

Предполагается, что Bluetooth 4.0 будет конкурировать и вытеснять ZigBee в классе малопотребляющих радиочастотных устройств с поддержкой сложных сетей. Это также является ярким примером пересечения двух разных технологий, в данном случае — ZigBee и Bluetooth.

Плюсы и минусы

Проанализировав современное состояние технологии Bluetooth, можно обозначить плюсы и минусы. К достоинствам стандарта относятся:

• высокий уровень стандартизации и совместимость между устройствами Bluetooth разных производителей;
• защита передаваемых данных;
• низкая стоимость;
• высокая дальность действия (до 1000 м);
• универсальность и большое разнообразие модулей под разные задачи.

Среди недостатков отметим:

• Относительно высокое энергопотребление (работа от автономных источников питания не всегда возможна). Предполагается, что этого недостатка будет лишена новая версия спецификации Bluetooth 4.0.
• Относительно невысокая скорость обмена данными (до 1 Мбит/с). Как правило, реальная скорость обмена данными ограничивается пропускной способностью внешних аппаратных интерфейсов модуля.

Одно из основных преимуществ стандарта Bluetooth заключается в его высоком уровне стандартизации и широчайшем распространении в составе пользовательских электронных устройств. Это позволяет в ряде случаев практически в два раза сэкономить время и затраты на разработку при проектировании некоторой системы сбора данных, телеметрии или управления на основе Bluetooth, поскольку в качестве одной из сторон беспроводного обмена данными может выступать, например, обычный серийно выпускаемый ноутбук или коммуникатор с поддержкой данной технологии.

Области применения

Исходя из характерных особенностей модулей Bluetooth, сформировались их области применения в России и за рубежом:

• Автомобильная электроника. Модули Bluetooth могут использоваться в бортовых автомобильных системах контроля и управления. Эта область применения характерна для России.
• Системы удаленного управления и телеметрии. Здесь устройства Bluetooth могут использоваться наряду с модулями технологий Wi-Fi, ZigBee, Short Range RF 434/868 МГц. Данная область применения в равной степени актуальна как для России, так и для зарубежных стран.
• Компьютерная техника и телекоммуникационное пользовательское оборудование. Ноутбуки, сотовые телефоны, смартфоны, торговые терминалы со встроенной функцией Bluetooth. Это применение характерно в основном для зарубежных производителей.

Устройства Bluetooth

В качестве примера рассмотрим хорошо известные в России недорогие модули Bluetooth производства тайваньской компании Rainsun (табл. 2). Характерной особенностью данных изделий является то, что они имеют встроенный стек с поддержкой одного из стандартных профилей Bluetooth (выбирается по заказу) и не имеют командного интерфейса. Для перенастройки модуля необходимо специальное оборудование и программное обеспечение. В разных применениях это может быть как достоинством, так и недостатком. С одной стороны, модуль внутри конечного устройства клиента полностью защищен от внешних несанкционированных воздействий. Настройки его не могут быть сбиты или нарушены без применения специальной аппаратуры. Но с другой стороны, пользователь не может оперативно вмешаться в настройки модуля, если есть такая необходимость.

Таблица 2. Модули Bluetooth производства компании Rainsun

Модуль	Описание	Профили	Фото
BTM-222	Класс 1. Размер 28,0×15×2,2 мм	По выбору: SPP; HCI
BTM-370	Класс 2. Аудио кодек. Контроллер аккумулятора. Размер 16,5×13×2,2 мм	По выбору: HeadSet/HandsFree; SPP; HCI
BTM-111	Класс 2. Размер 25,0×14,5×2,2 мм	По выбору: SPP; HCI
BTM-160	Класс 2. Размер 14,0×12,0×2,2 мм	По выбору: SPP; HCI

Финская компания Bluegiga предлагает обширную линейку модулей [ - ] (табл. 3), которая перекрывает практически весь диапазон возможных применений Bluetooth. В линейке продукции этой компании можно выделить модуль WT41. За счет высококачественной радиочастотной части, собранной на дискретных компонентах, и специальной встроенной антенны с высоким коэффициентом усиления он обеспечивает дальность связи до 1000 метров. Это значит, что модуль может успешно конкурировать с технологиями 434/868 МГц. Это еще один типичный пример пересечения двух технологий группы Short Range RF.

Таблица 3. Модули компании Bluegiga

Модуль	Описание	Профили	Фото
WT11/WT11i	Класс 1. Размер 35×14×2,3 мм
WT12	Класс 2. Размер 26×14×2,4 мм	16 стандартных профилей iWRAP
WT21	Класс 1. Размер 17,1×11,6×2,6 мм	Только HCI
WT32	Класс 2. Аудиокодек. Размер 17,9×15,0×2,5 мм	16 стандартных профилей iWRAP
WT41	Класс 1. Дальность до 1000 м. Размер 35,3×14×5,65 мм	16 стандартных профилей iWRAP
BLE112	Класс 2. Размер 18,1×12×2,3 мм	SPP, Bluetooth 4.0

Модуль BLE112 — самый новый в линейке . Он поддерживает стандарт Bluetooth версии 4.0 и не имеет обратной совместимости с предыдущими версиями. BLE112 предназначается для конкуренции с модулями ZigBee в классе малопотребляющих радиочастотных устройств с поддержкой сложных сетей.

Wi-Fi

Стандарт беспроводной передачи данных Wi-Fi был создан специально для объединения нескольких компьютеров в единую локальную сеть. Обычные проводные сети требуют прокладки множества кабелей через стены, потолки и перегородки внутри помещений. Также имеются определенные ограничения на расположение устройств в пространстве. Беспроводные сети Wi-Fi лишены этих недостатков: можно добавлять компьютеры и прочие беспроводные устройства с минимальными физическими, временными и материальными затратами. Для передачи информации беспроводные устройства Wi-Fi используют радиоволны из спектра частот, определенных стандартом IEEE 802.11. Существует четыре разновидности стандарта Wi-Fi (табл. 4). 802.11n поддерживает работу сразу в двух частотных диапазонах одновременно на четыре антенны. Суммарная скорость передачи данных при этом достигается 150-600 Мбит/с.

Таблица 4. Разновидности стандарта Wi-Fi

Плюсы и минусы

Сформулируем некоторые ключевые особенности стандарта Wi-Fi. К его достоинствам относятся:

• высокая скорость передачи данных;
• компактность;
• большое разнообразие модулей под разные задачи;
• высокий уровень стандартизации и совместимость между устройствами Wi-Fi разных производителей;
• защита передаваемых данных.

Основные недостатки таковы:

• большое энергопотребление и невозможность работы в течение длительного времени от автономных источников питания;
• относительно высокая стоимость (по сравнению с Bluetooth и ZigBee).

Области применения

Характерные особенности стандарта Wi-Fi диктуют основные области его применения. Это:

• Автомобильная электроника. Модули Wi-Fi могут применяться в системах мониторинга автотранспорта и в бортовых автомобильных системах, поскольку тут практически отсутствуют ограничения по потреблению энергии.
• Системы удаленного управления и телеметрии. Модули Wi-Fi могут применяться наряду с модулями технологий Bluetooth, ZigBee, Short Range RF 434/868 МГц. Главные преимущества — высокая скорость передачи данных и высокий уровень стандартизации.
• Компьютерная и офисная техника. Построение компьютерных сетей для обмена большими потоками данных с высоким уровнем безопасности.

Все перечисленные применения в одинаковой мере актуальны для России и других стран с достаточным уровнем технического оснащения.

Устройства Wi-Fi

Одним из наиболее популярных в России производителей модулей Wi-Fi является тайваньская компания WIZnet. В линейке ее продукции присутствует четыре их основных разновидности (табл. 5). Модуль WIZ610wi был одной из первых разработок компании. В нем имеется богатый функционал, предоставляемый встроенным стеком Wi-Fi высокого уровня с поддержкой командного интерфейса. Но модуль имел некоторые технические проблемы: очень высокое энергопотребление, сильный нагрев во время работы и большое время загрузки после включения питания. Большинство этих проблем было устранено в модуле WIZ620wi , который, по сути, представляет собой улучшенную и усовершенствованную версию модуля WIZ610wi. Кроме того, WIZ620wi стал поддерживать Wi-Fi 802.11n (2,4 ГГц), на что не был способен его предшественник.

Таблица 5. Модули компании WIZnet

Модуль	Описание	Режимы	Фото
Wiz610wi	IEEE 802.11b/g 20 дБм; штырьковый разъем.
Wiz620wi	Доработанный и улучшенный аналог WIZ610wi. Не pin-to-pin.	Serial-Wi-Fi; точка доступа; узел беспроводной сети; шлюз.
WizFi210	IEEE 802.11b/g 8 дБм; под пайку.	Только Serial-Wi-Fi.
WizFi220	Pin-to-pin аналог WizFi210, но с увеличенной мощностью (до 17 дБм).	Только Serial-Wi-Fi.

Модуль WizFi210 — самый новый и самый перспективный в линейке. Функционал его ограничен только поддержкой режима работы Serial-Wi-Fi, благодаря чему удалось значительно снизить энергопотребление устройства. Добавлены режимы пониженного энергопотребления (в режиме Standby всего 5 мкА). По этим показателям модуль приближается к некоторым разновидностям модулей Bluetooth и даже ZigBee. Это еще один пример попытки нескольких беспроводных стандартов Short Range RF вступить в конкуренцию.

Модуль WizFi220 — полный аналог модуля WizFi210, но с увеличенной выходной мощностью. Дальность связи может достигать нескольких сотен метров, что позволит ему в ряде случаев конкурировать с модулями, поддерживающими радиосвязь в частотных диапазонах 434/868 МГц и с Bluetooth-модулем WT41 компании Bluegiga (табл. 3).

ZigBee

В случаях, когда дальность радиосвязи в прямой видимости оказывается недостаточно большой и возникает необходимость ее наращивания при сохранении энергопотребления на низком уровне, целесообразно обратить внимание на стандарт беспроводной связи ZigBee. Характерные особенности данного стандарта позволяют:

• Создавать сложные сетевые решения с автоматической маршрутизацией, ретрансляцией пакетов данных и автоматическим восстановлением сети в случае выхода из строя отдельных узлов.
• Обеспечивать высокий уровень защиты передаваемых данных.
• Гибко настраивать узлы сети.
• Поддерживать в одной сети от нескольких сотен до нескольких тысяч узлов.
• Получить скорость обмена данными 250 кбит/с по радиоканалу.

Для облегчения процесса разработки и обеспечения максимальной совместимости устройств ZigBee разных производителей между собой была разработана библиотека ZigBee-кластеров (ZigBee Cluster Library, ZCL) . Этот документ вводит понятие стандартных типов устройств, стандартных команд для этих устройств, наборы стандартных атрибутов, диапазоны значений этих атрибутов, типы данных для задания значений атрибутов и т. д. ZCL группирует кластеры по целевому предназначению: общего назначения; для работы с датчиками; для управления осветительными устройствами, вентиляцией и т. д. Использование стандартных кластеров для пересылки сообщений является обязательным требованием всех новых спецификаций ZigBee с 2007 г.

Для стандартных типов устройств существуют стандартные профили приложения . Спецификация профиля определяет параметры, необходимые для совместной работы устройств в одной сети. Существует по крайней мере два основных профиля:

• Home Automation. Этот профиль дает возможность производителям беспроводных систем домашней автоматизации во всем мире разрабатывать совместимые устройства класса «Умный дом». Он регламентирует работу устройств управления осветительным оборудованием, системами кондиционирования, отопления, вентиляции и т. д.
• Smart Energy. Этот профиль позволяет обеспечить беспроводную связь между устройствами домашней автоматизации и устройствами измерительной инфраструктуры коммунальной службы, занимающейся учетом энергоресурсов.

Плюсы и минусы

Исходя из особенностей стандарта ZigBee, сформулируем его плюсы и минусы.

Достоинства:

• защита передаваемых данных;
• поддержка сложных беспроводных сетей;
• ультранизкое энергопотребление (возможна автономная работа от батарейки до 10 лет).

Недостатки:

• недостаточно высокий уровень стандартизации и отсутствие единой программно-аппаратной платформы для разработки сложных приложений;
• невысокая скорость передачи данных. Большая часть трафика ZigBee тратится на передачу пакетов, содержащих адресную информацию, пакеты синхронизации и т. д. Полезная скорость передачи данных составляет около 30 кбит/с.

Области применения

Основные области применения технологии ZigBee:

• Домашние развлечения и контроль — рациональное освещение, продвинутый температурный контроль, охрана и безопасность, фильмы и музыка.
• Домашнее оповещение — датчики воды и энергии, мониторинг энергии, датчики задымления и пожара, рациональные датчики доступа и переговоров.
• Мобильные службы — мобильные оплата, мониторинг и контроль, охрана и контроль доступа, охрана здоровья и телепомощь.
• Коммерческое строительство — мониторинг энергии, света, контроль доступа.
• Промышленное оборудование — контроль процессов, промышленных устройств, управление энергией и имуществом.

Устройства ZigBee

В качестве примера рассмотрим линейку модулей стандарта ZigBee известной итальянской компании Telit, построенных на основе чипа CC2430 от TI [ - ] (табл. 6). Размеры всех указанных модулей 21×14,2×2,2 мм.

Таблица 6. Модули компании Telit

Модули ZE50 и ZE60 на данный момент считаются достаточно устаревшими. Вместо них во всех новых проектах рекомендуется использовать ZE51 и ZE61 соответственно. Немаловажно то, что компания Telit является членом ассоциации ZigBee Alliance. Вся линейка модулей может предоставляться со встроенным стеком ZigBee, поддерживающим стандартные профили этой технологии. Также существует возможность поставки модулей без стека. Такой вариант будет стоить дешевле, но конечному разработчику придется взять на себя все затраты, связанные с разработкой собственной модификации ZigBee-стека и его лицензированием в ассоциации ZigBee Alliance.

В развитии линейки модулей компании Telit прослеживается явная тенденция к увеличению дальности радиосвязи при сохранении низкого энергопотребления. Налицо явная попытка стандарта ZigBee конкурировать с технологиями частотных диапазонов 434/868 МГц, предназначенными для радиосвязи на больших расстояниях.

434/868 МГц

Иногда на практике встречаются ситуации, когда ни один из существующих стандартов беспроводной связи Short Range RF не удовлетворяет требованиям приложения разработчика. Специально для таких случаев во всем мире существует группа радиочастотных диапазонов 434/868 МГц, открытых для свободного использования, в которых не существует стандартов беспроводной связи. Устройства для передачи данных на этих РЧ имеют следующие отличительные особенности:

• Отсутствие стандартизации. Каждый разработчик может создавать свой стек протоколов взаимодействия между устройствами радиосети.
• Большое разнообразие компонентов. Разработчик всегда может подобрать компоненты, оптимальным образом соответствующие требованиям проекта по цене, степени интеграции, способу монтажа и т. д.
• Большая дальность действия по сравнению с устройствами диапазона 2,4 ГГц. Радиоволны ВЧ-диапазона менее интенсивно затухают при распространении в различных средах и лучше огибают физические препятствия.
• Относительно невысокая скорость по сравнению с устройствами диапазона 2,4 ГГц.

Плюсы и минусы

Бесспорные достоинства Short Range RF 434/868 МГц:

• высокая дальность (до 10 км);
• ультранизкое энергопотребление (возможна автономная работа от батарейки до 10 лет);
• возможность беспрепятственной разработки собственного стека.

Недостатки:

• невысокая скорость передачи данных (до нескольких десятков кбит/с).

Области применения

Характерные особенности технологий 434/868 МГц ограничивают их применение следующими областями:

• Системы контроля доступа и безопасности:
  - бесконтактные ключи и карты доступа;
  - автомобильные сигнализации.
• Бытовая электроника:
  - пульты дистанционного управления;
  - беспроводные станции погодного мониторинга;
  - радиоуправляемые игрушки;
  - персональные пейджеры.
• Системы домашней автоматизации.

Устройства для РЧ-диапазона 434/868 МГц

Telit пошла по пути стандартизации радиосвязи в частотных диапазонах 434/868 МГц [

В настоящее время интерфейс Bluetooth широко применяется в ПК, мобильных телефонах и множестве других цифровых устройств. Естественно, что время от времени пользователи сталкиваются с различными проб­лемами. В большинстве случаев разобраться в причинах неполадок не так уж сложно - для этого достаточно знать основные принципы работы данного интерфейса. В настоящей статье, построенной в форме ответов на часто задаваемые вопросы, мы приведем наиболее важную информацию, касающуюся интерфейса Bluetooth.

Что такое Bluetooth?

Bluetooth - это беспроводной интерфейс с небольшим радиусом действия, созданный в 1994 году инженерами шведской компании Ericsson. В 1998-м компании Ericsson, IBM, Intel, Nokia и Toshiba основали организацию Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), которая и по сей день занимается разработкой и продвижением данной технологии. Впоследствии членами Bluetooth SIG стали многие компании: в минувшем году их количество превысило 13 тыс.

Основными преимуществами Bluetooth по сравнению с конкурирующими решениями являются низкий уровень энергопотребления и невысокая стоимость приемопередатчиков, что позволяет применять его даже в малогабаритных устройствах с миниатюрными элементами питания. Кроме того, производители оборудования не должны выплачивать лицензионные отчисления за использование интерфейса Bluetooth в своих изделиях. Разумеется, этот фактор также способствовал широкому распространению данного интерфейса.

Для чего нужен Bluetooth?

Основным назначением Bluetooth является создание так называемых персональных сетей (Private Area Networks, PAN), которые обеспечивают возможность обмена данными между расположенными поблизости (внутри одного дома, помещения, транспортного средства и т.д.) настольными и портативными ПК, периферийными и мобильными устройствами и пр.

Варианты топологии пикосетей

Сколько устройств можно подключить при помощи Bluetooth?

Посредством Bluetooth можно объединить как два, так и сразу несколько устройств. В первом случае подключение осуществляется по схеме «точка­точка», во втором - по схеме «точка­многоточка». Независимо от применяемой схемы одно из устройств является ведущим (master), остальные - ведомыми (slave). Ведущее устройство задает шаблон, который будут использовать все ведомые устройства, а также синхронизирует их работу. Соединенные таким образом устройства образуют пикосеть (piconet). В рамках одной пикосети могут быть объединены одно ведущее и до семи ведомых устройств. Кроме того, допускается наличие в пикосети дополнительных ведомых устройств (сверх семи), которые имеют статус заблокированных (parked): они не участвуют в обмене данными, но при этом находятся в синхронизации с ведущим устройством.

Несколько пикосетей можно объединить в распределенную сеть (scatternet). Для этого устройство, работающее в качестве ведомого в одной пикосети, должно выполнять функции ведущего в другой (см. вторую схему). При этом пикосети, входящие в состав одной распределенной сети, не синхронизированы друг с другом и используют разные шаблоны.

Топология распределенной сети, объединяющей несколько пикосетей

Максимальное количество пикосетей в составе распределенной сети не может превышать десяти. Таким образом, распределенная сеть позволяет объединить в общей сложности до 71 устройства.

Как осуществляется передача данных?

Передача данных ведется по радиоканалу в частотном диапазоне 2,4-2,4835 ГГц с использованием метода псевдослучайной перестройки рабочей частоты (Frequency-Hopping Spread Spectrum, FHSS). Этот диапазон разбит на 79 каналов, каждый из которых занимает полосу шириной в 1 МГц. В верхней и нижней частях диапазона предусмотрены неиспользуемые (защитные) полосы. Для передачи данных применяется гауссова фазовая модуляция, которая предусматривает изменение несущей частоты во времени в соответствии с гауссовой кривой, что позволяет ограничить спектр излучаемого сигнала.

Обмен данными осуществляется внутри временных интервалов (тайм-слотов) длиной 625 мкс. После передачи каждого слота производится переход на другой частотный канал. На канальном уровне обмен данными осуществляется пакетами, каждый из которых может иметь длину от одного до пяти слотов. Часть слотов может быть зарезервирована для синхронных каналов (которые задействуются для передачи потоковых данных). Таким образом, параллельно с синхронными данными могут передаваться и асинхронные.

Спецификация Bluetooth предусматривает два вида связи: синхронную с установлением соединения (Synchronous Connection-Oriented, SCO) и асинхронную без установления соединения (Asynchronous Connection-Less, ACL). Первый вариант используется для организации канала «точка­точка» между ведущим и ведомыми устройствами. Второй служит для связи по схеме «точка­многоточка» между ведущим и всеми ведомыми устройствами данной пикосети.

Что такое классы Bluetooth?

В зависимости от мощности и эффективного радиуса действия приемопередатчики Bluetooth подразделяются на три класса (см. таблицу). Наиболее распространенным вариантом, который применяется в большинстве ныне выпускаемых мобильных электронных устройствах и ПК, являются приемопередатчики Bluetooth Class 2. Маломощными системами Class 3 оснащается медицинская аппаратура, а основной сферой применения наиболее «дальнобойных» модулей Class 1 являются системы мониторинга и управления промышленным оборудованием.

Чем различаются версии Bluetooth?

Если кратко, то набором поддерживаемых технологий передачи данных, протоколов и профилей, а также максимальной скоростью соединения. По мере развития технологий и расширения функциональности мобильных устройств возникает необходимость во внесении соответствующих изменений и дополнений в спецификацию Bluetooth. Это позволяет реализовать новые функциональные возможности, а также повысить пропускную способность интерфейса.

Первая версия спецификации (Bluetooth 1.0) была утверждена в 1999 году. В ходе эксплуатации первых устройств было выявлено немало недостатков, в том числе проблемы перекрестной совместимости продуктов разных производителей.

Вскоре после промежуточной спецификации (Bluetooth 1.0В) была утверждена Bluetooth 1.1 - в ней были исправлены ошибки и устранены многие недостатки первой версии.

В 2003 году была утверждена базовая специ­фикация Bluetooth 1.2. Одним из ее ключевых новшеств стало внедрение метода адаптивной перенастройки рабочей частоты (Adaptive frequency-hopping spread spectrum, AFH), благодаря которому беспроводное соединение стало гораздо более устойчивым к воздействию электромагнитных помех. Кроме того, удалось сократить время, затрачиваемое на выполнение процедур обнаружения и подключения устройств.

Еще одним важным улучшением версии 1.2 стало повышение скорости обмена данными до 433,9 Кбит/с в каждую сторону при использовании асинхронной связи по симметричному каналу. В случае асимметричного канала пропускная способность составляла 723,2 Кбит/с в одну сторону и 57,6 Кбит/с - в другую.

Кроме того, был добавлен усовершенствованный вариант технологии синхронной связи с установлением соединения (Extended Synchronous Connections, eSCO), который позволил улучшить качество передачи потокового звука за счет использования механизма повторной отправки пакетов, поврежденных в процессе передачи.

В конце 2004 года была утверждена базовая спецификация Bluetooth 2.0 + EDR. Наиболее важным новшеством второй версии стала технология Enhanced Data Rate (EDR), благодаря внедрению которой удалось значительно (в несколько раз) увеличить пропускную способность интерфейса. Теоретически использование EDR позволяет достичь скорости передачи данных 3 Мбит/с, однако на практике этот показатель обычно не превышает 2 Мбит/с.

Необходимо отметить, что EDR не является обязательной функцией для приемопередатчиков, соответствующих спецификации Bluetooth 2.0.

Устройства, оборудованные приемопередатчиками Bluetooth 2.0, обратно совместимы с модулями предыдущих версий (1.x). Естественно, что скорость передачи данных ограничивается возможностями более медленного устройства.

В 2007 году была утверждена базовая спецификация Bluetooth 2.1 + EDR. В ней была добавлена технология расширенного запроса характеристик устройства для дополнительной фильтрации списка при сопряжении. Еще одно новшество - энергосберегающая технология Sniff Subrating, которая позволила значительно (от 3 до 10 раз) увеличить продолжительность автономной работы мобильных устройств. Также была существенно упрощена процедура установления связи между двумя устройствами и реализована поддержка NFC-соединений.

В августе 2008-го были утверждены базовые дополнения (Core Specification Addendum, CSA) к спецификациям Bluetooth 2.0 + EDR и Bluetooth 2.1 + EDR. Внесенные изменения направлены на снижение уровня энергопотребления, повышение уровня защиты передаваемых данных и оптимизацию процедур идентификации и соединения Bluetooth-устройств.

В апреле 2009 года была утверждена базовая спецификация Bluetooth 3.0 + HS. Аббревиатура HS в данном случае расшифровывается как High Speed - высокая скорость. Ее главное новшество - реализация технологии Generic Alternate MAC/PHY (AMP), обеспечивающей возможность передачи данных со скоростью до 24 Мбит/с. Кроме того, предусматривается использование двух модулей приемопередатчиков: низкоскоростного с невысоким энергопотреблением и высокоскоростного, совмес-тимого со стандартом 802.11. В зависимости от ширины потока транслируемых данных (или размера передаваемого файла) задействуется либо низкоскоростной (до 3 Мбит/с), либо высокоскоростной приемопередатчик. Это позволяет снизить уровень энергопотребления в тех случаях, когда не требуется высокая скорость передачи данных.

В июне 2010 года была утверждена базовая спецификация Bluetooth 4.0. Ключевая особенность этой версии - использование технологии передачи данных с низким энергопотреблением (low energy technology). Снижение энергопотребления достигается как за счет ограничения скорости передачи данных (не более 1 Мбит/с), так и за счет того, что приемопередатчик не работает постоянно, а включается только на время обмена данными. Применение данной технологии обеспечивает до нескольких лет автономной работы устройств, получающих питание от малогабаритной литиевой батарейки.

Необходимо отметить, что спецификация Bluetooth 4.0 ориентирована главным образом на миниатюрные цифровые устройства и различные электронные датчики (температуры, давления, влажности и т.д.), применяемые в медицинских и промышленных системах удаленного мониторинга.

Что такое профили Bluetooth?

Любое устройство, оборудованное интерфейсом Bluetooth, поддерживает заданный его производителем набор профилей. Каждый профиль обеспечивает поддержку определенных функций (например, передачу файлов или потока медиаданных, обеспечение сетевого соединения и т.д.), которые могут быть задействованы при подключении двух или более устройств посредством Bluetooth. Таким образом, набор профилей определяет функциональные возможности устройства, доступные через Bluetooth-соединение.

Чтобы задействовать Bluetooth-соединение для выполнения определенной задачи, требуется наличие поддержки соответствующего профиля как у ведущего, так и у ведомого устройства. Так, передать по Bluetooth-соединению список контактов с одного мобильного телефона на другой можно лишь при условии, что оба аппарата поддерживают профиль OPP (Object Push Profile). А, например, для использования мобильного телефона в качестве беспроводного сотового модема необходимо, чтобы этот аппарат и применяемый компьютер поддерживали профиль DUN (Dial-up Networking Profile). Если же Bluetooth-соединение между двумя устройствами установлено, но выполнить какое­либо действие (скажем, передать файл) не удается, то вероятной причиной возникновения этой проблемы может быть отсутствие поддержки соответствующего профиля у одного из устройств.

Иерархия профилей Bluetooth

Существует большое количество разно­образных профилей Bluetooth, которые описывают разные варианты и способы использования подключенных устройств.

Каждый профиль Bluetooth обязательно содержит следующую информацию:

• зависимость от других профилей;
• предлагаемый формат пользовательского интерфейса;
• части стека протоколов Bluetooth, применяемые данным профилем.

Всё многообразие профилей можно разделить на две группы: базовые и прикладные. Далее приведена краткая информация о трех базовых профилях:

• GAP (Generic Access Profile) - общий профиль доступа Bluetooth. Поддерживается всеми без исключения Bluetooth-устройствами и служит базисом для функционирования всех остальных профилей;
• SPP (Serial Port Profile) - профиль эмуляции последовательного порта. Базируется на профиле GAP и описывает механизм обмена данными между двумя устройствами, аналогичный тому, который задействуется при подключении через последовательный проводной интерфейс (RS-232, USB и пр.);
• GOEP (Generic Object Exchange Profile) - общий профиль обмена объектами, базирующийся на GAP и SPP. Описывает механизм обмена данными между двумя устройствами с использованием протокола передачи OBEX (OBject EXchange) и требования к передаваемым объектам.

В настоящее время существует большое количество прикладных профилей, обеспечивающих работу самых разных функций. Далее мы рассмотрим лишь те из них, которые получили наибольшее распространение в ПК, периферийных устройствах и современных гаджетах:

• A2DP(Advanced Audio Distribution Profile) - обеспечивает передачу двухканального (стереофонического) аудиопотока от источника сигнала (ПК, плеера, мобильного телефона) к беспроводной стереогарнитуре или иному воспроизводящему устройству. Для сжатия передаваемого потока может использоваться стандартный кодек SBC (Sub Band Codec) либо другой, определенный производителем устройства;
• AVRCP (Audio/Video Remote Control Profile) - позволяет управлять стандартными функциями телевизоров, систем домашнего киноте-атра и т.д. Устройство с поддержкой профиля AVRCP способно выполнять функции беспроводного пульта ДУ. Может применяться в связке с профилями A2DP или VDPT;
• BIP (Basic Imaging Profile) - обеспечивает возможность передачи, приема и просмотра изображений. Например, позволяет передавать цифровые фотографии с цифровой камеры в память мобильного телефона. Преду-смотрена возможность изменения размеров и форматов передаваемых изображений с учетом специфики подключенных устройств;
• BPP (Basic Printing Profile) - базовый профиль печати, обеспечивающий передачу различных объектов (текстовых сообщений, визитных карточек, изображений и т.п.) для вывода на печатающем устройстве. Например, можно распечатать на принтере текстовое сообщение с мобильного телефона или фотографию с цифрового фотоаппарата. Важной особенностью профиля BPP является то, что на устройстве, с которого производится отправка объекта на печать, не требуется устанавливать специфический драйвер для применяемой модели принтера;
• DUN (Dial-up Networking Profile) - этот базирующийся на SPP профиль обеспечивает подключение ПК или иного устройства к Интернету посредством мобильного телефона, выполняющего в данном случае функцию внешнего модема;
• FAX (Fax Profile) - позволяет использовать внешнее устройство (мобильный телефон или МФУ с факсимильным модулем) для приема и отправки факсимильных сообщений с ПК;
• FTP (File Transfer Profile) - базируется на GOEP и обеспечивает передачу файлов, а также доступ к файловой системе подключенного устройства. Стандартный набор команд позволяет осуществлять навигацию по иерархической структуре диска подключенного устройства, а также копировать и удалять файлы;
• GAVDP (General Audio/Video Distribution Profile) - обеспечивает передачу звукового и видеопотока от источника сигнала к воспроизводящему устройству. Является базовым для профилей A2DP и VDP;
• HCRP (Hard Copy Cable Replacement Profile) - задействуется в качестве альтернативы кабельному соединению между ПК (или иным устройством) и принтером. В отличие от профиля BPP, требуется установка специфического драйвера для используемой модели принтера;
• HFP (Hands-Free Profile) - обеспечивает подключение автомобильных устройств hands-free к мобильному телефону для голосовой связи;
• HID (Human Interface Device Profile) - описывает протоколы и способы подключения беспроводных устройств ввода (мышей, клавиатур, джойстиков, пультов ДУ и пр.) к ПК. Профиль HID поддерживается в ряде моделей мобильных телефонов и КПК, что позволяет применять их в качестве беспроводных пультов для управления графическим интерфейсом ОС или отдельными приложениями на ПК;
• HSP (Headset Profile) - позволяет подключить беспроводную гарнитуру к мобильному телефону или иному устройству. Помимо передачи звукового потока обеспечивается работа таких функций, как набор номера, ответ на входящий звонок, завершение вызова и регулировка громкости;
• OPP (Object Push Profile) - базовый профиль для пересылки объектов (изображений, визитных карточек и т.д.). Например, можно передать список контактов с одного мобильного телефона на другой или фотографию со смартфона на ПК. В отличие от FTP, профиль OPP не обеспечивает доступ к файловой системе подключенного устройства;
• PAN (Personal Area Networking Profile) - позволяет объединить два или насколько устройств в локальную сеть. Таким способом можно подключить несколько ПК к одному, имеющему доступ в Интернет. Кроме того, данный профиль обеспечивает удаленный доступ к ПК, выполняющему функции ведущего устройства;
• SYNC (Synchronization Profile) - используется в связке с базовым профилем GOEP и осуществляет синхронизацию персональных данных (ежедневника, списка контактов и пр.) между двумя устройствами (например, настольным ПК и мобильным телефоном);
• VDP (Video Distribution Profile) - передает видеопоток с одного устройства на другое.

Bluetooth 5.0 стал реальностью. По сравнению с Bluetooth 4.0 новая версия имеет вдвое большую пропускную способность, увеличенную в четыре раза дальность действия и целый ряд других улучшений. Рассмотрим преимущества Bluetooth 5.0 над предшественниками, в том числе на примере процессора CC2640R2F от Texas Instruments .

Популярность версии протокола Bluetooth 4, а также некоторые его ограничения стали причинами для создания следующей спецификации Bluetooth 5. Разработчики ставили перед собой целый ряд целей: расширение радиуса действия, рост пропускной способности при рассылке широковещательных пакетов, улучшение помехозащищенности и так далее.

Теперь, когда стали появляться первые устройства с Bluetooth 5, у пользователей и разработчиков справедливо возникают вопросы: какие из заявленных ранее обещаний воплотились в реальность? Насколько выросли радиус действия и скорость передачи данных? Как это отразилось на уровне потребления? Каким образом изменился подход к формированию широковещательных пакетов? Какие были сделаны усовершенствования, направленные на рост помехозащищенности? И, конечно, главный вопрос — существует ли обратная совместимость между Bluetooth 5 и Bluetooth 4? Ответим на эти и некоторые другие вопросы и рассмотрим основные преимущества Bluetooth 5.0 перед предшественниками, в том числе – на примере реального процессора с поддержкой Bluetooth 5.0 производства компании Texas Instruments .

Начнем обзор Bluetooth 5.0 с ответа на самый часто задаваемый вопрос об обратной совместимости с Bluetooth 4.x

Обеспечивает ли Bluetooth 5.0 обратную совместимость с Bluetooth 4.x?

Да, обеспечивает . Bluetooth 5 перенял большинство особенностей и расширений Bluetooth 4.1 и 4.2. Например, устройства Bluetooth 5 сохраняют все улучшения Bluetooth 4.2 в области повышения защищенности данных и поддерживают расширение LE Data Length Extension. Стоит напомнить, что благодаря LE Data Length Extension начиная с Bluetooth 4.2 размер пакета данных (packet data unit, PDU) при установленном соединении может быть увеличен с 27 до 251 байта, что позволяет поднять скорость обмена данными в 2,5 раза.

Из-за большого количества различий между версиями протокола сохраняется традиционный механизм согласования параметров между устройствами при установлении соединений. Это значит, что перед тем как начать обмениваться данными, устройства «знакомятся» и определяют максимальную частоту передачи данных, длину сообщений и так далее. При этом по умолчанию используются параметры Bluetooth 4.0. Переход к параметрам Bluetooth 5 происходит только если в процессе согласования оказывается, что оба устройства поддерживают более позднюю версию протокола.

Говоря об инструментах, которые уже сейчас доступны для разработчиков, стоит отметить новый процессор CC2640R2F и бесплатный стек BLE5-Stack от Texas Instruments. К радости разработчиков, BLE5-Stack основан на предыдущей версии BLE-Stack, и изменения в его использовании коснулись только новых особенностей Bluetooth 5.0.

Как увеличилась скорость передачи данных в Bluetooth 5?

Bluetooth 5 использует беспроводное соединение с физической скоростью передачи данных до 2 Мбит/с, что в два раза выше, чем у Bluetooth 4.х . Здесь стоит отметить, что эффективная скорость обмена данными зависит не только от физической пропускной способности канала передачи, но и от соотношения служебной и полезной информации в пакете, а также от сопутствующих «накладных» расходов, например, потери времени между пакетами (таблица 1).

Таблица 1. Скорость обмена данными для различных версий Bluetooth

В версиях Bluetooth 4.0 и 4.1 физическая пропускная способность канала составляла 1 Мбит/с, что при длине пакета данных PDU в 27 байт позволяло достигать скорости обмена до 305 кбит/с. В версии Bluetooth 4.2 появилось расширение LE Data Length Extension. Благодаря ему после установления соединения между устройствами появлялась возможность увеличить длину пакета до 251 байта, что приводило к росту скорости обмена данными в 2,5 раза – до 780 кбит/с.

В версии Bluetooth 5 сохранилась поддержка LE Data Length Extension, что совместно с ростом физической пропускной способности до 2 Мбит/с позволяет достигать скорости обмена данными до 1,4 Мбит/с.

Как показывает практика, такое ускорение передачи данных не является пределом. Например, беспроводной микроконтроллер CC2640R2F способен работать со скоростями вплоть до 5 Мбит/с.

Стоит сказать и о распространенном заблуждении, что рост пропускной способности до 2 Мбит/с был достигнут за счет сокращения радиуса действия. Конечно, физически микросхема приемопередатчика (PHY) при работе с частотой 2 Мбит/с имеет на 5 дБм меньшую чувствительность, чем при работе с частотой 1 Мбит/с. Однако кроме чувствительности есть и другие факторы, которые способствуют увеличению радиуса действия, например, переход к кодированию данных. По этой причине при прочих равных условиях Bluetooth 5 оказывается более надежным и имеет больший радиус действия по сравнению с Bluetooth 4.0. Подробно об этом рассказывается в одном из следующих разделов статьи.

Как активировать высокоскоростной режим передачи данных в Bluetooth 5?

При установлении соединения между двумя устройствами Bluetooth изначально используются настройки Bluetooth 4.0 . Это значит, что на первом этапе устройства обмениваются данными на скорости 1 Мбит/с. После установления соединения мастер с поддержкой Bluetooth 5.0 может начать процедуру PHY Update Procedure, цель которой — установление максимальной скорости 2 Мбит/с. Эта операция будет успешной, только если ведомый также поддерживает Bluetooth 5.0. В противном случае скорость остается на уровне 1 Мбит/с.

Для разработчиков, ранее использовавших BLE-Stack от Texas Instruments, хорошей новостью станет то, что для выполнения приведенной процедуры в новом стеке BLE5-Stack выделена одна единственная функция HCI_LE_SetDefaultPhyCmd(). Таким образом при переходе на Bluetooth 5.0 у пользователей продуктов TI первоначальная инициализация не вызовет проблем. Также для разработчиков будет полезен пример, выложенный на портале GitHub , который позволяет оценить работу двух микроконтроллеров CC2640R2F, работающих в составе CC2640R2 LaunchPads в режимах High Speed и Long Range.

Как увеличился радиус действия Bluetooth 5?

В спецификации Bluetooth 5.0 говорится об увеличении радиуса действия в четыре раза по сравнению с Bluetooth 4.0. Это достаточно тонкий вопрос, на котором стоит остановиться подробнее.

Во-первых, понятие «в четыре раза» является относительным и не привязывается к конкретному радиусу действия в метрах или километрах. Дело в том, что дальность радиопередачи сильно зависит от целого ряда факторов: состояния окружающей среды, уровня помех, числа одновременно передающих устройств и так далее. В итоге ни один производитель, а также и сам разработчик стандарта Bluetooth SIG, конкретных значений не приводит. Увеличение радиуса действия оценивается в сравнении с Bluetooth 4.0.

Для дальнейшего анализа необходимо выполнить некоторые математические расчеты и оценить бюджет мощности радиоканала . При использовании логарифмических значений бюджет радиоканала (дБ) равен разности мощности передатчика (дБм) и чувствительности приемника (дБм):

Бюджет радиоканала = мощность T X (дБм) – чувствительность R X (дБм)

Для Bluetooth 4.0 стандартная чувствительность приемника составляет -93 дБм. Если полагать мощность передатчика 0 дБм, то бюджет составляет 93 дБ.

Увеличение радиуса действия в четыре раза потребует увеличения бюджета на 12 дБ, что дает значение 105 дБ. Как же предполагается достигать этого значения? Есть два пути:

• увеличение мощности передатчиков;
• увеличение чувствительности приемников.

Если идти по первому пути и увеличивать мощность передатчика, это неизбежно вызовет рост потребления. Например, для CC2640R2F переход на выходную мощность 5 дБм приводит к росту тока потребления до 9 мА (рисунок 1). При мощности 10 дБм ток увеличится до 20 мА. Такой подход не выглядит привлекательным для большинства беспроводных устройств с батарейным питанием и не всегда подходит для IoT, а ведь именно на эту область в первую очередь и ориентировался Bluetooth 5.0. По этой причине второе решение выглядит более предпочтительным.

Для увеличения чувствительности приемника предлагается два способа:

• снижение скорости передачи;
• использование кодирования данных Coded PHY.

Уменьшение скорости передачи данных в восемь раз теоретически повышает чувствительность приемника на 9 дБ. Таким образом до заветного значения не хватает всего 3 дБ.

Необходимые 3 дБ удается получить с помощью дополнительного кодирования Coded PHY. Ранее в версиях Bluetooth 4.х кодирование битов было однозначным 1:1. Это значит, что поток данных напрямую направлялся на дифференциальный демодулятор. В Bluetooth 5.0 при использовании Coded PHY существует два дополнительных формата передачи:

• с кодированием 1:2, при котором каждому биту данных ставятся в соответствие два бита в потоке радиоданных. Например, логическая «1» представляется как последовательность «10». При этом физическая скорость остается равной 1 Мбит/с, а реальная скорость передачи данных падает до 500 кбит/с.
• С кодированием 1:4. Например, логическая «1» представляется последовательностью «1100». Скорость передачи данных при этом уменьшается до 125 кбит/с.

Описанный подход называется Forward Error Correction (FEC) и позволяет обнаруживать и исправлять ошибки на приемной стороне, а не запрашивать повторную передачу пакетов, как это было в Bluetooth 4.0.

На бумаге все выглядит неплохо. Остается только выяснить, насколько эти теоретические выкладки соответствуют реальности. В качестве примера возьмем все тот же микроконтроллер CC2640R2F. Благодаря различным улучшениям и новым режимам модуляции Bluetooth 5.0, приемопередатчик этого процессора имеет чувствительность -97 дБм при скорости обмена 1 Мбит/с и -103 дБм при использовании Coded PHY и скорости обмена 125 кбит/с. Таким образом в последнем случае до уровня 105 дБ не хватает всего 2 дБм.

Для оценки радиуса действия CC2640R2F инженеры из Texas Instruments провели полевой эксперимент в городе Осло. При этом с точки зрения уровня шумов окружающую среду в данном опыте нельзя назвать «дружелюбной», так как в непосредственной близости находилась деловая часть города.

Для получения бюджета мощности больше 105 дБ было решено увеличить мощность передатчика до 5 дБм. Это позволило достичь внушительного итогового значения в 108 дБм (рисунок 2). При выполнении эксперимента дальность действия составила 1,6 км, что является весьма впечатляющим результатом, особенно – если учесть минимальный уровень потребления радиопередатчиков.

Как изменился подход к широковещательным сообщениям Bluetooth 5?

Ранее в Bluetooth 4.x для установления соединений между устройствами использовалось три выделенных канала данных (37, 38, 39). С их помощью устройства находили друг друга и обменивались служебной информацией. По ним же можно было передавать широковещательные пакеты данных. Такой подход имеет недостатки:

• при большом количестве активных передатчиков эти каналы можно попросту перегрузить;
• все больше устройств использует широковещательные посылки без установления соединения «точка-точка». Это особенно важно для интернета вещей IoT;
• новая система кодирования Coded PHY потребует в восемь раз больше времени на установление соединения, что дополнительно будет нагружать широковещательные каналы.

Чтобы решить эти проблемы в Bluetooth 5.0, было решено перейти к схеме, при которой данные передаются по всем 37 каналам данных, а служебные каналы 37, 38, 39 используются для передачи указателей. Указатель отсылает к тому каналу, по которому будет производиться передача широковещательного сообщения. При этом данные передаются всего лишь один раз. В итоге удается значительно разгрузить служебные каналы и устранить это узкое место.

Также стоит отметить, что теперь длина данных широковещательного пакета может достигать 255 байт вместо 6…37 байт PDU в Bluetooth 4.x. Это чрезвычайно важно для приложений IoT, так как позволяет минимизировать накладные расходы на передачу и обойтись без установления соединений, а значит и сократить уровень потребления.

Поддерживает ли Bluetooth 5 Mesh-сети?

Решения от Texas Instruments для Bluetooth 5

Одним из самых первых микроконтроллеров с Bluetooth 5.0 стал высокопроизводительный процессор CC2640R2F производства компании Texas Instruments.

CC2640R2F построен на базе современного 32-битного ядра ARM Cortex-M3 с рабочей частотой до 48 МГц. Работой радиопередатчика управляет второе 32-битное ядро ARM Cortex-M0 (рисунок 3). Кроме того, CC2640R2F отличается богатой цифровой и аналоговой периферией.

Достоинством микроконтроллера CC2640R2F также является малый уровень потребления (таблица 2). Это относится ко всем режимам работы. Например, в активном режиме при приеме данных по радиоканалу потребление составляет 5,9 мА, а при передаче – 6,1 мА (0 дБм) или 9,1 мА (5 дБм). При переходе в спящий режим питающий ток и вовсе падает до 1 мкА.

Сочетание трех таких важных качеств как поддержка Bluetooth 5.0, малое потребление и высокая пиковая производительность делает CC2640R2F весьма интересным решением для интернета вещей. При этом с помощью данного микроконтроллера можно создавать весь спектр IoT-устройств: автономные датчики, работающие несколько лет от одной батарейки , мосты между дополнительным управляющим процессором и каналом Bluetooth 5.0, сложные приложения, требующие высокой вычислительной мощности.

Таблица 2. Потребление беспроводного микроконтроллера CC 2640 R 2 F с поддержкой Bluetooth 5

Режим работы	Параметр	Значение (при Vcc = 3 В)
Активные вычисления	мкА/МГц ARM® Cortex®-M3	61 мкА/МГц
	Coremark/мА	48,5
	Coremark при частоте 48 МГц	142
Радиообмен	Пиковый ток при приеме, мА	5,9
	Пиковый ток при передаче, мА	6,1
Режим сна	Контроллер датчиков, мкА/МГц	8,2
	Режим Sleep mode с включенным RTC и сохранением памяти, мА	1

Для быстрого начала работы с CC2640R2F компания Texas Instruments подготовила традиционный отладочный набор (рисунок 4). С помощью пары таких устройств можно оценить быстродействие и дальность радиопередачи по Bluetooth 5.0. Для этого можно воспользоваться готовыми примерами или создать собственное приложение на базе бесплатного протокола BLE 5 stack 1.0 (www.ti.com/ble).

Заключение

Новая версия протокола Bluetooth 5.0 ориентирована на максимальное соответствие потребностям Интернета вещей (IoT). По сравнению с версией Bluetooth 4.0, она имеет целый ряд качественных улучшений:

• скорость передачи данных увеличилась в два раза и достигла 2 Мбит/с;
• дальность передачи возросла в четыре раза за счет кодирования данных Coded PHY и Forward Error Correction (FEC);
• пропускная способность широковещательных сообщений выросла в 8 раз.

Кроме того, Bluetooth 5.0 обеспечивает обратную совместимость с устройствами Bluetooth 4.x, а также поддерживает большинство расширений поздних версий протокола.

Оценить возможности Bluetooth 5.0 можно уже сейчас с помощью инструментов производства Texas Instruments. Компания выпускает высокопроизводительный и малопотребляющий микроконтроллер CC2640R2F, предоставляет бесплатный стек BLE 5 stack 1.0 и множество готовых примеров для отладочного набора LAUNCHXL-CC2640R2.

Литература

1. Bluetooth Core Specifcation 5.0 FAQ. 2016. Bluetooth SIG.