Bluetooth low energy

Allikas: Vikipeedia
Jump to navigation Jump to search

Bluetooth low energy (Bluetooth LE, BLE, Bluetooth Smart, Bluetooth Versioon 4.0+[1]) on juhtmevaba personaalvõrgu (PAN) tehnoloogia, mis võimaldab luua Etherneti võrgu sülearvutite, mobiiltelefonide ja pihuseadmete vahel.[2] Bluetooth Smarti eesmärk on vähendada oluliselt energiatarbimist ja kulusid võrreldes klassikalise Bluetoothiga, ilma suhtlemiskaugust vähendamata.

Bluetooth Smarti tutvustas nimega Wibree algselt Nokia aastal 2006. See lisati Bluetoothi standardisse 2010. aastal, kui võeti vastu Bluetooth Core spetsifikatsiooni versioon 4.0.[3]

Sideprotokolli Bluetooth Smart toetavad mitmed mobiilsed operatsioonisüsteemid, sealhulgas iOS, Android, Windows Phone ja BlackBerry, samuti OS X, Linux ja Windows 8. Bluetooth Special Interest Group (SIG) ennustab, et 2018. aastaks toetab Bluetooth Smarti enam kui 90% Bluetoothiga telefone.[3]

Ühilduvus[muuda | muuda lähteteksti]

Ainult Bluetooth LE protokolli kasutavad seadmed ei ühildu klassikalise Bluetoothi protokolliga.[4] Bluetooth Smart ja klassikaline Bluetooth kasutavad mõlemad 2,4 GHz sagedusala, mis lubab Bluetooth Smart Ready seadmetel kasutada üht antenni.

Operatsioonisüsteemid[muuda | muuda lähteteksti]

  • iOS 5 või uuem[5]
  • Windows Phone 8.1[6]
  • Windows 8 või uuem[7]
  • Android 4.3 või uuem[8]
  • BlackBerry 10[9]
  • Linux 3.4 või hilisem kasutades BlueZ 5.0[10]
  • Unison OS 5.2[11]

Kaubamärk Bluetooth Smart[muuda | muuda lähteteksti]

Bluetooth Special Interest Group (SIG) lõi 2011. aastal Bluetooth Smarti logo, et selgitada ühilduvust uute väikese energiatarbega (LE) seadmete ja muude Bluetooth-seadmete vahel.[12]

  • Bluetooth Smart Ready näitab, et seade toetab nii klassikalist kui ka LE protokolli.[13]
  • Bluetooth Smart näitab, et seade toetab ainult LE protokolli ja vajab suhtlemiseks Smarti või Smart Ready seadet.[13]

Sihtturg[muuda | muuda lähteteksti]

Bluetooth SIG määratleb väikese energiakuluga tehnoloogiale mitu turgu, üksikasjalikult on välja toodud nutikodu, tervisehoid, sport ja tervislik eluviis.[14] Tehnoloogia tsiteeritud eelised on järgmised:

  • väike voolutarve, suudab töötada nööpelemendi peal kuid või aastaid;
  • väiksus ja odavus;
  • ühilduvus suure hulga mobiiltelefonide, tahvelarvutite ja arvutitega.

Ajalugu[muuda | muuda lähteteksti]

2001. aastal tegid Nokia teadlased kindlaks, et on veel palju olukordi, mida kaasaegsed juhtmevabad tehnoloogiad ei käsitle. Probleemi lahendamiseks alustati juhtmevaba tehnoloogia väljatöötamist, mida kohandati Bluetoothi standardi järgi. Uus tehnoloogia peaks vähendama voolutarvet ja hinda, ent Bluetoothi ja uue tehnoloogia erinevused oleksid minimaalsed. Tulemused avaldati 2004. aastal kasutades nime Bluetooth Low End Extension.[15]

Pärast edasist arengut partneritega, näiteks EL FP6 projekt MIMOSA, toodi tehnoloogia avalikkuse ette 2006. aasta oktoobris nimega Wibree. 2007. aasta juunis jõudsid Nokia ja Bluetooth SIG kokkuleppele, et lisada Wibree tulevikus Bluetoothi spetsifikatsiooni.[15]

Lõplikult lisati Bluetooth LE spetsifikatsioon Bluetoothi standardisse 2010. aastal, kui võeti vastu Bluetooth Core spetsifikatsiooni versioon 4.0.[3] Esimene nutitelefon, mis kasutas Bluetoothi versiooni 4.0, oli iPhone 4S.[16]

Rakendused[muuda | muuda lähteteksti]

Bluetooth SIG määratleb Bluetooth LE-le mitmeid profiile, spetsifikatsioone, kuidas seade töötab konkreetse rakendusega.[17]

Kõik praegused Bluetooth LE rakenduste profiilid põhinevad GATT-il (Generic Attribute Profile). GATT on spetsifikatsioon, kuidas saata ja vastu võtta lühikesi andmejuppe Bluetooth LE raadioliidese kaudu.[17]

2014. aastal käivitas Cambridge Silicon Radio CSR-võrgu. CSR-võrk kasutab Bluetooth Smarti, et suhelda teiste Bluetooth Smarti seadmetega võrgus. Iga Bluetooth Smarti seade võib edastada informatsiooni teistele Bluetooth Smarti seadmetele, luues "võrgu" efekti. Näiteks saab lülitada kogu hoone valgustuse välja ühest nutitelefonist.[18][19]

Tervishoid[muuda | muuda lähteteksti]

  • BLP (Blood Pressure Profile) – vererõhu mõõtmiseks[20]
  • HTP (Health Thermometer Profile) – temperatuuri mõõtmiseks[21]
  • GLP (Glucose Profile) – glükoosi mõõtmiseks[22]

Sport ja tervislik eluviis[muuda | muuda lähteteksti]

  • BCS (Body Composition Service)[23]
  • CSCP (Cycling Speed and Cadence Profile) – pedaalimise ja ratta kiiruse mõõtmiseks[24]
  • CPP (Cycling Power Profile)[25]
  • HRP (Heart Rate Profile) – pulsi mõõtmiseks[26]
  • LNP (Location and Navigation Profile) – asukoha määramiseks[27]
  • RSCP (Running Speed and Cadence Profile) – jooksu kiiruse ja rütmi mõõtmiseks[28]

Internetiühendus[muuda | muuda lähteteksti]

  • IPSP (Internet Protocol Support Profile)[29]

Tehnilised üksikasjad[muuda | muuda lähteteksti]

Raadioliides[muuda | muuda lähteteksti]

Bluetooth Smart töötab samas sagedusalas nagu klassikaline Bluetooth (2,400 GHz – 2,4835 GHz ISM-laineala), kuid kasutab teistsuguseid kanaleid. Klassikalisel Bluetoothil on 79 kanalit sammuga 1 MHz, Bluetooth Smart kasutab 40 kanalit sammuga 2 MHz.[3]

Bluetooth Smart kasutab sagedushüplemist, et neutraliseerida kitsasribaühenduse interferentsi probleeme. Klassikaline Bluetooth kasutab samuti sagedushüplemist, kuid veidi teistmoodi. Föderaalne Sidekomisjon (FCC) ja Euroopa Telekommunikatsiooni Standardite instituut (ETSI) klassifitseerivad Bluetoothi tehnoloogiat kui sagedushüplemise skeemi, kuid Bluetooth Smart klassifitseeritakse kui süsteem, mis kasutab digitaalseid modulatsioonitehnikaid või otsejadaga hajaspektermodulatsiooni.[3]

Tehniline spetsifikatsioon Klassikaline Bluetooth Bluetooth Smart
Leviulatus (teoreetiline maksimum) 100 m >100 m
Andmeedastuskiirus 1–3 Mbit/s 1 Mbit/s
Rakenduste andmeedastuskiirus 0,7–2,1 Mbit/s 0,27 Mbit/s
Aktiivseid alamseadmeid 7 Määramata, sõltub rakendusest
Turvalisus 56/128-bitine ja rakenduskihi kasutaja poolt määratud 128-bitine AES koos CBC-MAC vastase režiimiga ja rakenduskihi kasutaja poolt määratud
Veakindlus Kohanduv sagedushüplemine, Veatõrjekood, ACK Kohanduv sagedushüplemine, laisk kinnitamine, 24-bitine CRC, 32-bit sõnumi tõelisuse kontroll
Latents (ühendamata olekust) 100 ms 6 ms
Andmete saatmiseks kuluv aeg 100 ms 3 ms
Hääle edastamine Jah Ei
Võrgu topoloogia Scatternet Scatternet
Voolutarve 1 W 0,01–0,5 W (olenevalt kasutusest)
Maksimaalne voolutarve < 30 mA < 15 mA
Teenuse avastamine Jah Jah
Profiilide tugi Jah Jah
Peamised kasutusvaldkonnad Mobiiltelefonid, mängud, kõrvaklapid, stereoheli edastamine, nutikodu, kandeseadmed, autod, arvutid, turvalisus, tervishoid, sport. Mobiiltelefonid, mängud, arvutid, käekellad, sport, turvalisus, autod, koduelektroonika, automaatika, tööstus.

Tarkvaramudel[muuda | muuda lähteteksti]

Kõik Bluetooth Smarti seadmed kasutavad GATT-i (Generic Attribute Profile). Bluetooth Smarti toetavad operatsioonisüsteemide rakendusliidesed on tavalise GATT-i baasil.[30]GATTil on järgnev terminoloogia:

Klient (client)

Seade, mis algatab GATT käske ja päringuid ning võtab vastuseid, näiteks arvuti või nutitelefon.[31]

Server (server)

Seade, mis võtab vastu GATT käske ja päringuid, ning saadab vastuse, näiteks: temperatuuri andur.

Karakteristik (characteristic)

Andmete väärtus, mida saadetakse kliendi ja serveri vahel, näiteks: aku hetkepinge.

Teenus (service)

Kogum seotud karakteristikuid, mis töötavad koos kindla ülesande täitmiseks.

Deskriptor (descriptor)

Deskriptor sisaldab lisaandmeid karakteristikute kohta, näiteks: temperatuurinäit (võib olla koos ühikuga) ning maksimum- ja miinimumväärtused, mille juures andur saab mõõta.[32]

Mõned teenused ja karakteristikuväärtused on kasutatud administratiivsetel eesmärkidel, näiteks: mudeli nime ja seeria numbrit saab lugeda standardse karakteristikuna üldise ühendamise teenuse (Generic Access service) sees. Teenused võivad sisaldada teisi teenuseid alamfunktsioonidena, põhifunktsioone kutsutakse esmasteks teenusteks ja lisafunktsioone teisejärgulisteks teenusteks.[30]

Tunnused[muuda | muuda lähteteksti]

Teenuseid, karakteristikuid ja deskriptoreid nimetatakse atribuutideks ja nad on identifitseeritud kui universaalsed unikaalidentifitseerijad (UUID). Bluetooth SIG on reserveerinud UUID-sid (vormiga xxxxxxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB) erinevatele standardsetele atribuutidele ja need on 16-bitise või 32-bitise lühivormi väärtustega, mitte 128 bitti, mis teeks koodi keerulisemaks ja mahult suuremaks.[33]

GATT-i toimingud[muuda | muuda lähteteksti]

GATT-protokoll pakub kliendile mitmesuguseid käske, et avastada serveri kohta informatsiooni. Need hõlmavad:

  • UUID leidmine peamistele teenustele
  • Teenuse leidmine antud UUID koodiga
  • Leida teisejärgulised teenused esimesejärgulisele teenusele
  • Leida kõik karakteristikud antud teenusele
  • Leida karakteristikud, mis sobivad UUID koodiga
  • Lugeda kõik deskriptorid kindla karakteristiku kohta

Käske saab kasutada, et lugeda (andmed serverilt kliendile) ja kirjutada (kliendilt serverile) karakteristikute väärtusi:

  • Väärtusi võib lugeda, kui määratakse karateristiku UUID väärtust või käsitletakse väärtust, mis pärineb informatsiooni avastamise käsust
  • Kirjutamiskäsud teevad alati käsitlemise käigus kindlaks karakteristiku, kuid on võimalus valida, kas vastust serverile on vaja või mitte[33]

GATT pakub teateid (notifications) ja tähiseid (indications). Klient võib nõuda teadet kindlale karakteristikule serverilt, mis võib saata väärtuse kliendile siis kui see muutub kättesaadavaks. Näiteks: temperatuuriandur võib iga kord pärast mõõdu võtmist teatada kliendile mõõdu; see välistab kliendi vajaduse küsida andurilt iga natukese aja tagant uut väärtust. Selle tulemusena väheneb raadioside kasutamine. Tähistele on sarnased teated; erinevus seisneb, et teade nõuab vastust kliendilt kinnituseks andmete kättesaamise kohta.[33]

Mõju akule[muuda | muuda lähteteksti]

Nööpelemendi hinnanguline kestvus kasutades Bluetooth LE kiibistiku erinevate signaalisaatmisintervallidega[34]

Bluetooth Smart on disainitud seadmetele, millel on madal energiakulu. Paari viimase aasta jooksul on mitmed kiipide tootjad tutvustanud nende endi Bluetooth Smarti jaoks optimeeritud kiibistikku. Olenevalt rollist (kas perifeerne või keskne roll) on seadmetel erinev voolutarbe vajadus.[30] Aiselabsi poolt läbi viidud uuringus selgus, et perifeerses rollis olevad seadmed töötavad 1–2 aastat koos 1 Ah nööpelemendiga.[35] See on võimalik tänu Bluetooth Smarti protokollile, mis saadab andmeid väikeste pakettidena. Võrdluseks, keskses rollis olevatele seadmed võivad tarbida pideva skaneerimisega 1 Ah mõne tunniga.[30] Android ja iOS seadmetel on väga erinev mõju akule olenevalt skaneerimise tüübist ja sellest, kui palju Bluetooth Smarti seadmeid on läheduses.[36] Koos uue kiibistiku ja parandatud tarkvaraga pole Androidi ja iOS-iga telefonide energiatarve elulistes Bluetooth Smarti kasutustingimustes märkimisväärne.

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

  1. https://www.bluetooth.com/what-is-bluetooth-technology/bluetooth-technology-basics/low-energy
  2. http://windows.microsoft.com/et-ee/windows/what-is-bluetooth-personal-area-network#1TC=windows-7
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 http://si-vision.com/en/MainProducts/bluetooth_low_energy
  4. https://www.bluetooth.com/~/media/files/specification/bluetooth-faq.ashx?la=en
  5. https://developer.apple.com/library/ios/releasenotes/General/WhatsNewIniOS/Articles/iOS5.html#//apple_ref/doc/uid/TP30915195-SW1
  6. https://blogs.msdn.microsoft.com/thunbrynt/2014/05/04/windows-phone-8-1-for-developersintroducing-bluetooth-le/
  7. https://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/apps/windows.devices.bluetooth.aspx?f=255&MSPPError=-2147217396
  8. http://developer.android.com/guide/topics/connectivity/bluetooth-le.html
  9. http://press.blackberry.com/en/press/2013/blackberry-supports-bluetooth-smart-ready-to-drive-m2m-applicati.html
  10. http://padovan.org/blog/2013/02/the-big-changes-of-bluez-5/
  11. http://rowebots.com/en/products/unison-rtos-article/wireless-protocols
  12. https://web.archive.org/web/20150203053330/http://www.bluetooth.com/Pages/Press-Releases-Detail.aspx?ItemID=138
  13. 13,0 13,1 https://web.archive.org/web/20150724115332/https://www.bluetooth.org/en-us/bluetooth-brand/smart-marks-faqs
  14. https://www.bluetooth.com/marketing-branding/markets
  15. 15,0 15,1 http://www.differencebetween.net/technology/difference-between-wibree-and-bluetooth/
  16. http://www.engadget.com/2011/10/12/iphone-4s-claims-title-of-first-bluetooth-4-0-smartphone-ready/
  17. 17,0 17,1 http://www.semitronelec.com/technologies/ble40.aspx
  18. http://www.theregister.co.uk/2014/07/09/bluetooth_bid_for_world_domination/
  19. https://www.youtube.com/watch?v=FtLBazKoFq8
  20. https://developer.bluetooth.org/gatt/profiles/Pages/ProfileViewer.aspx?u=org.bluetooth.profile.blood_pressure.xml
  21. https://developer.bluetooth.org/gatt/profiles/Pages/ProfileViewer.aspx?u=org.bluetooth.profile.health_thermometer.xml
  22. https://developer.bluetooth.org/gatt/profiles/Pages/ProfileViewer.aspx?u=org.bluetooth.profile.glucose.xml
  23. https://developer.bluetooth.org/gatt/services/Pages/ServiceViewer.aspx?u=org.bluetooth.service.body_composition.xml
  24. https://developer.bluetooth.org/gatt/profiles/Pages/ProfileViewer.aspx?u=org.bluetooth.profile.cycling_speed_and_cadence.xml
  25. https://developer.bluetooth.org/gatt/profiles/Pages/ProfileViewer.aspx?u=org.bluetooth.profile.cycling_power.xml
  26. https://developer.bluetooth.org/gatt/profiles/Pages/ProfileViewer.aspx?u=org.bluetooth.profile.heart_rate.xml
  27. https://developer.bluetooth.org/gatt/profiles/Pages/ProfileViewer.aspx?u=org.bluetooth.profile.location_and_navigation.xml
  28. https://developer.bluetooth.org/gatt/profiles/Pages/ProfileViewer.aspx?u=org.bluetooth.profile.running_speed_and_cadence.xml
  29. https://www.bluetooth.com/specifications/adopted-specifications
  30. 30,0 30,1 30,2 30,3 http://everything.explained.today/Bluetooth_low_energy/
  31. https://www.bluetooth.com/specifications/gatt
  32. http://toastdroid.com/2014/09/22/android-bluetooth-low-energy-tutorial-btleblog
  33. 33,0 33,1 33,2 http://www.digikey.com/en/articles/techzone/2014/jun/how-to-build-low-power-wireless-systems-using-bluetooth-smart-4
  34. http://www.aislelabs.com/reports/beacon-guide/
  35. https://gigaom.com/2014/11/04/how-to-find-the-best-beacon-hardware-for-everything-from-stores-to-cities/
  36. https://gigaom.com/2014/08/14/in-terms-of-battery-life-android-devices-are-more-optimized-for-ibeacons-than-iphones/