Najnowsze rozwiązania w łączności bezprzewodowej standardu Bluetooth

Najnowsze rozwiązania w łączności bezprzewodowej standardu Bluetooth

Systemy IoT ewoluowały od połączonych urządzeń, przez połączone domy, aż po rozległe sieci Connected Cities. Proces ten wymagał wielu zmian, które poprawiały łatwość wymiany danych i ustawień konfiguracyjnych oraz dostępność sieci dla rozmaitych urządzeń. Dzięki temu produkty końcowe działające na bazie różnych standardów mogą komunikować się ze sobą, tworząc jeden ekosystem.

Ewolucja standardów łączności bezprzewodowej sprawia, że coraz więcej osób i urządzeń komunikuje się z jedną infrastrukturą sieciową, co przekłada się na wiele udogodnień w codziennym życiu i ułatwia życie użytkownikom końcowym. Nowe standardy sieciowe dają również szereg korzyści przy projektowaniu urządzeń. Jednak co to oznacza dla programistów, inżynierów i producentów? Co powinni oni wiedzieć i nad czym się zastanowić? W artykule przyjrzyjmy się bliżej najnowszym standardom bezprzewodowym.

Protokół Bluetooth LE i Bluetooth Mesh

Kolejne generacje standardu Bluetooth nie tylko poprawiają dostępne funkcje pod względem zużycia energii, zasięgu i jakości połączenia, ale także przynoszą unikalne możliwości. Obecne generacje stosów Bluetooth 5.4/5.3 i Mesh otwierają nowe drzwi dla tego standardu na rozwijającym się i wymagającym rynku IoT.

Obecnie Bluetooth obsługuje topologie o określonej funkcjonalności:

1. Sygnalizacja (beaconing)

  • obsługiwane formaty iBeacon, EddyStone i inne,
  • obsługa zaawansowanych funkcji sygnalizacji w Bluetooth 5.

2. Punkt-punkt i gwiazda

  • tryb urządzeń peryferyjnych i centralnych Bluetooth,
  • do 32 połączeń i podwójna topologia,
  • jednoczesna praca jako urządzenie peryferyjne i centralne.

3. Siatka (mesh)

  • rozwiązanie Bluetooth Mesh dla dużych sieci urządzeń i komunikacji wiele-do-wielu,
  • jednoczesne korzystanie z Bluetooth LE i technologii mesh.
Rysunek 1. Struktura stosu Bluetooth

Struktura stosu Bluetooth została pokazana na rysunku 1. Ulepszony Bluetooth 5.3 jest zgodny ze stosem Bluetooth i ma wbudowane następujące funkcje:

  • dynamiczna kontrola mocy nadawania z Bluetooth 5.2,
  • wyszukiwanie kierunku z Bluetooth 5.1,
  • standardowe funkcje z Bluetooth 5.0,
  • funkcje z Bluetooth 4.x.
Rysunek 2. Struktura stosu Bluetooth Mesh

Najnowszy profil Bluetooth Mesh rozszerza możliwości sieci pod względem gęstości, opóźnień komunikacji i nowych profili. Struktura stosu Bluetooth Mesh została pokazana na rysunku 2. Wprowadzone i nadchodzące cechy i funkcje Bluetooth Mesh uproszczą konserwację urządzeń i sieci, obniżą zużycie energii i zabezpieczą każdy węzeł i sieć. Kompletny profil Bluetooth Mesh, obsługuje:

  • węzły proxy, przekazujące i zaprzyjaźnione,
  • węzły małej mocy sieci Bluetooth mesh (LPN),
  • komunikację o niskich opóźnieniach do 10 ms na przeskok,
  • duże sieci – do 4096 węzłów.
Rysunek 3. Zalety technologii Bluetooth Mesh

Nowe funkcje Bluetooth Mesh dają wiele korzyści – rysunek 3. Najważniejsze z nich to:

1. Uproszczona aktualizacja sieci

  • automatyczne sprawdzanie dostępności nowego oprogramowania układowego i instalowanie go,
  • standaryzacja i jednoczesne aktualizacje oprogramowania układowego Over-the-Air dla jednorodnych urządzeń.

2. Łatwa skalowalność

  • skalowalne uruchamianie nowych urządzeń w dużych wdrożeniach,
  • urządzenie zarządzające (provisioner) już nie musi znajdować się w zasięgu radiowym.

3. Plug and play

  • automatyczne wykrywanie zmiany właściciela urządzenia,
  • resetowanie węzłów ze względów bezpieczeństwa i pod kątem identyfikacji.

4. Większe bezpieczeństwo i prywatność sieci

  • dołączanie uwierzytelnionych urządzeń,
  • certyfikaty do uwierzytelniania urządzeń przed włączeniem ich do sieci.

Co dalej?

Nadchodzące udoskonalenia funkcji Bluetooth Mesh przewidują:

  • Aktualizację oprogramowania sprzętowego urządzenia (DFU) – funkcja DFU Bluetooth Mesh dodaje standardowy sposób aktualizacji oprogramowania układowego w węzłach sieci;
  • Zdalne włączanie urządzeń do sieci (RPR) – funkcja pozwala dodawać urządzenia i konfigurować sieć za pośrednictwem węzła proxy, eliminując konieczność przebywania w zasięgu radiowym urządzenia zarządzającego (rysunek 4);
Rysunek 4. RPR umożliwia szybszą i prostszą konfigurację sieci
  • Włączanie do sieci bazujące na certyfikatach (CBP) – nowa funkcja wprowadza rozwiązanie, w ramach którego podczas dodawania urządzeń do sieci stosowane się certyfikaty uwierzytelniające (rysunek 5);
Rysunek 5. Włączanie do sieci bazujące na certyfikatach (CBP)
  • Mostkowanie podsieci – umożliwia komunikację między urządzeniami w różnych podsieciach (rysunek 6). Mostki między podsieciami operują na tabelach mostkowania;
Rysunek 6. Mostkowanie podsieci
  • Przekazywanie kierowane – funkcja poprawia skalowalność sieci poprzez dodanie nowego typu węzła – węzła przekazywania kierowanego, a także modeli konfiguracji, ścieżek oraz metody do ich tworzenia i utrzymywania (rysunek 7);
Rysunek 7. Przykład przekazywania kierowanego
  • Prywatne beacony – funkcja szyfruje informacje statyczne, aby zapobiec zagrożeniom prywatności podczas sygnalizacji. Prywatne beacony gwarantują, że ani urządzenia w sieci, ani ich użytkownicy, nie mogą być śledzeni za pomocą informacji statycznych zawartych w komunikacie sygnalizacyjnym.

Zasoby sprzętowe

Złożoność sieci Bluetooth Mesh i różnorodność typów węzłów wymaga różnych zasobów sprzętowych, takich jak odpowiednia ilość pamięci Flash czy RAM. Silicon Laboratories opracowało rodziny produktów z serii 2, które będą obsługiwać określone funkcjonalności/profile – rysunek 5.

Rysunek 8. Zalecane układy SoC implementujące nowe funkcje Bluetooth Mesh

Bluetooth 5.4

Najnowszy stos Bluetooth 5.4 poprawia dwukierunkową komunikację z tysiącami węzłów końcowych z jednego punktu dostępowego. Wymagający i rozwijający się rynek elektronicznych etykiet cenowych (ESL) odniesie z tej funkcji duże korzyści. Ponadto w nowym standardzie Bluetooth 5.4 zostaną wprowadzone dwa znaczące ulepszenia:

  • Okresowe rozgłaszanie z odpowiedziami (PAwR)
    • umożliwienie implementacji sieci w topologii gwiazdy z synchronizacją czasową i dwukierunkową komunikacją z uzyciem udoskonalonego okresowego rozgłaszania z odpowiedziami,
    • obsługa dużych sieci w topologii gwiazdy w sposób bardzo wydajny i dający ogromne możliwości.
  • Zaszyfrowane dane rozgłoszeniowe (EAD)
    • włączenie możliwości szyfrowania danych rozgłoszeniowych.

Główne produkty z oferty Silicon Labs pozwalające skorzystać z nowych funkcji Bluetooth 5.4 to:

  • kluczowe produkty dla urządzeń Bluetooth: EFR32BG22 i EFR32BG24,
  • kluczowe produkty dla punktów dostępowych Bluetooth: EFR32BG21.

Podsumowanie

Połączony świat staje się rzeczywistością dzięki najnowszym standardom łączności. Interoperacyjność protokołów umożliwia komunikację z różnymi urządzeniami, połączonymi z użyciem różnych standardów. Wszyscy producenci urządzeń muszą na bieżąco śledzić trendy rynkowe i dbać o zgodność z nimi.

Mnogość standardów i rozwiązań może powodować pewne trudności w procesie selekcji. Jednak kluczowym punktem dla wszystkich programistów i producentów produktów końcowych jest wybór najlepszego rozwiązania pod każdym względem, z uwzględnieniem ceny i parametrów.

Skontaktuj się z nami, jeśli będziesz mieć dodatkowe pytania dotyczące odpowiedniego stosu lub wyboru rozwiązania. Szczegółowe informacje o standardach i rozwiązaniach dostępne są na żądanie w webinariach: https://www.silabs.com/support/training.ap-language_english.ct-webinars_tech-talk.

Kamil Prus
BDM & FAE Polska i kraje bałtyckie
kamil.prus@ccontrols.pl

Więcej informacji:
 
Computer Controls Sp. z o.o., 00-837 Warszawa, ul. Pańska 98/4, tel. +48 660 141 060, www.ccontrols.pl
Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
lipiec 2023

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik lipiec 2024

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio lipiec - sierpień 2024

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje czerwiec 2024

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna lipiec 2024

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich lipiec 2024

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów