Il Bluetooth diventa Low Energy

In questo articolo faremo una introduzione alla specifica Bluetooth Low Energy ed alle soluzioni OEM di ConnectBlue.

L’adozione di tecnologie wireless nelle applicazioni di healthcare, fitness, sicurezza ed home entertainment ha richiesto la definizione di protocolli di comunicazione a corto range e bassa dissipazione di potenza. Uno di questi è sicuramente lo standard Bluetooth Low Energy. Lo sviluppo dello standard era iniziato già nel 2001 ad opera di Nokia ed aveva portato alla definizione della estensione Bluetooth Low End Extension nel 2004, poi rilasciata ufficialmente sotto il nome di Wibree nel 2006. A seguito di accordi intervenuti tra i membri del comitato Bluetooth SIG nel 2007, l’addendum era stato infine incorporato nella specifica Bluetooth classica e rilasciato nella versione attuale Bluetooth 4.0 nel 2010. Il primo dispositivo compatibile Bluetooth Low Energy è stato lo smartphone iPhone 4S presentato sul mercato nel lontano Ottobre 2011.

UNA BREVE INTRODUZIONE ALLO STANDARD

Lo standard Bluetooth Low Energy opera nella stessa banda (2402-2480 MHz) della specifica Bluetooth originaria, ma utilizza, anziché i 79 canali di larghezza di banda 1 MHz previsti da quest’ultima, 40 canali a 2 MHz; 3 canali sono utilizzati per le procedure di advertising per segnalare, ad esempio, l’accensione di un dispositivo, la comunicazione broadcast o la richiesta individuale di trasferimento dati, mentre 37 sono allocati per la trasmissione di questi ultimi. E’ previsto frequency hopping sui canali dati in maniera del tutto simile a quanto realizzato dal Bluetooth classico per favorire la coesistenza con gli altri protocolli wireless; la modulazione è GFSK (con indice 0.5). La robustezza della trasmissione è garantita dalla presenza di CRC a 24 bit e Message Integrity Check a 32 bit, mentre la sicurezza si basa su algoritmo di cifratura CBC-MAC (Cipher Block Chaining Message Authentication Code) con chiavi AES-128 asimmetriche. Sono riutilizzati molti degli elementi essenziali degli stack HCI ed L2CAP della versione classica, così da garantire la compatibilità con la specifica classica per quanto concerne, tra l’altro, le interfacce fisiche (UART, USB ed SDIO), il formato di pacchetto, i driver per il sistema operativo. Lo standard Bluetooth Low Energy non è compatibile all’indietro con la specifica classica nel senso stretto del termine ma, dal momento che le due utilizzano stessa banda e stessa modulazione, un dispositivo può operare nell’una o nell’altra modalità utilizzando lo stesso livello fisico e la stessa antenna radio. In accordo a questo, del resto, i dispositivi Bluetooth Low Energy si distinguono in Single-Mode e Dual-Mode. I primi (altrimenti noti come Bluetooth Smart device) supportano la sola specifica nativa; tipici dispositivi di questo tipo sono, ad esempio, accelerometri, sensori di pressione o di temperatura. I dispositivi Dual-Mode, invece, sono in grado di operare in entrambe le modalità e sono tipicamente indicati anche come Bluetooth Smart Ready Device; smartphone, tables e strumenti industriali in genere sono dispositivi di questo tipo. La specifica Bluetooth Low Energy consente bassa dissipazione di potenza grazie ad una filosofia di trasmissione dati orientata al trasferimento in burst, una procedura di connessione più breve, una minore potenza di picco e al rilassamento dei parametri RF (indice di modulazione GFSK, ad esempio, più elevato). Il rate di trasmissione in aria è di 1 Mbps per una capacità effettiva di trasferimento dati di 270 kbps su distanze fino a 50 m (o 100 kbps fino a 250 m) con assorbimento di corrente di picco (sebbene in realtà la potenza raccomandata non sia espressamente specificata dallo standard) tipicamente inferiore a 20 mA. La topologia di rete è a stella con un singolo master connesso a più dispositivi slave. Ogni slave è abilitato a trasmettere soltanto previo messaggio di autorizzazione inviato dal master; ogni slave può richiedere l’attenzione del master mediante invio di un messaggio di advertising.

DISPOSITIVI OEM BLUETOOTH LOW ENERGY

Dispositivi OEM compatibili con la specifica Bluetooth Low Energy sono disponibili presso ConnectBlue, azienda leader nel settore, attiva sul mercato fin dagli albori della specifica. Il OLP425, ad esempio, è un dispositivo (vedi Figura 1) Bluetooth Low Energy Single-Mode basato sul SoC CC2540 di TI che esegue sia gli stack di protocollo che l’applicazione utente.

Figura 1. Il dispositivo OLP425

Figura 1. Il dispositivo OLP425

Qualificato come Controller Subsystem ed in grado di operare come periferica (slave) o nodo centrale (master), il dispositivo supporta l’implementazione utente di profili, servizi ed attributi; lo sviluppo è supportato sotto il Workbench di IAR per 8051. Il OLP425 dispone di antenna integrata con copertura fino a 150 m e potenza 3 dBm ma supporta anche la connessione di antenna esterna (fino a 200 m e 6 dBm). Sono presenti interfacce GPIO, SPI, I2C ed UART; per quest’ultima sono supportati baud rate standard e non, fino a 115.2 kbps con eventuale controllo di flusso hardware CTS/RTS; sono presenti 18 pin di I/O digitale, 2 canali ADC e 2 LED. Il numero massimo di slave supportati (qualora lo si utilizzi come master della rete) è 3. E’ supportata la connessione con dispositivi Android e iOS come iPhone, iPod touch ed iPad, in quest’ultimo caso anche senza necessità di approvazione MFi (Made For iPhone). Su Youtube è disponibile una demo che mostra una applicazione di questo tipo. Il OLP425 dispone (in maniera opzionale) di battery holder, sensore di temperatura (TI TMP112 ) e accelerometro a 3 assi (ST LIS3DH ). Il modulo è approvato per impiego in paesi europei, negli Stati Uniti e in Canada. Richiede singola tensione di alimentazione compresa tra 2.0 V e 3.6 V ed è in grado di operare nell’intervallo di temperatura tra -40°C e +85°C. Le dimensioni sono 15 mm x 22 mm x 3 mm (senza battery holder). Il OLS425/426 (Figura 2) è, invece, un serial port adapter impiegabile per dotare di connessione wireless Bluetooth, sistemi altrimenti operabili con la sola porta UART standard. Come per il OLP425, il livello radio e lo stack di protocollo sono implementati dal CC2540 di TI, mentre il Low Energy Serial Port Service di ConnectBlue implementa i servizi GATT. La gestione è resa possibile mediante comandi AT.

Figura 2. Il dispositivo OLS425/426

Figura 2. Il dispositivo OLS425/426

Attualmente il dispositivo, di tipo Single-Mode, può operare nella sola modalità periferica (slave); due dispositivi OLS425/426 non possono quindi connettersi direttamente ma necessitano di un nodo centrale che gestisca la comunicazione (come ad esempio il OLS421 descritto di seguito). L’interfaccia host UART supporta comunicazione standard fino a 115.2 kbps con, eventualmente, controllo di flusso hardware. Come per il OLP425 la tensione di ingresso richiesta dal OLS425 è, nella versione standard, tra 2.0 V e 3.6 V ma può essere richiesta anche una configurazione specifica con supporto per tensione fino a 6.0 V; tale tensione è normalmente supportata dal OLS426. L’assorbimento di corrente è di soli 0.4 μA in modalità power save. Sono disponibili diverse versioni con antenna integrata o esterna e pad per saldatura diretta o connettore di montaggio sulla scheda host. Per scopi di valutazione sono disponibili starter kit con interfaccia UART o USB e corredati da software di configurazione per PC host. Analoghe funzionalità di Serial Port Adapter presenta pure il OLS421 (Figura 3).

Figura 3. Il dispositivo OLS421

Figura 3. Il dispositivo OLS421

Diversamente dal precedente, tale dispositivo, tuttavia, è di tipo Dual-Mode supportando, quindi, anche connettività Bluetooth classica oltre a quella in modalità Low Energy. Il livello radio è implementato dal chipset CC2564 di TI, mentre lo stack di protocollo dal microcontrollore di STM32F; l’implementazione dello stack è proprietaria ConnectBlue. Sono supportati i profili SPP, DUN, PAN ed è implementato il servizio proprietario ConnectBlue Low Energy Serial Port Service. La configurazione del dispositivo avviene mediante comandi AT da porta seriale o Bluetooth. E’ supportata la connessione in modalità Low Energy con dispositivi iOS e SPP/PAN con dispositivi Android. Il dispositivo opera con tensione di alimentazione compresa tra 3.0 V e 6.0 V con assorbimento di corrente compreso, a seconda delle condizioni operative, tra 0.6 e 44 mA. L’antenna integrata ha copertura massima di 300 m (in modalità Bluetooth classica) con potenza di trasmissione di 11 dBm ma vi è la possibilità di connettere anche un'antenna esterna con analoga copertura e potenza fino a 13 dBm. Le dimensioni sono 16 mm x 36 mm x 3 mm, la temperatura operativa compresa tra - 30°C e +85°C.

 

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Una risposta

  1. maurizio 20 Luglio 2020

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