Bluetooth de baixa energia - Bluetooth Low Energy

Bluetooth Low Energy ( Bluetooth LE , coloquialmente BLE , anteriormente comercializado como Bluetooth Smart ) é uma tecnologia de rede de área pessoal sem fio projetada e comercializada pelo Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) voltada para novas aplicações na área de saúde, fitness , beacons, segurança, e indústrias de entretenimento doméstico. É independente do Bluetooth clássico e não tem compatibilidade, mas BR / EDR e LE podem coexistir. A especificação original foi desenvolvida pela Nokia em 2006 sob o nome de Wibree, que foi integrada ao Bluetooth 4.0 em dezembro de 2009 como Bluetooth Low Energy.

Comparado ao Bluetooth Clássico , o Bluetooth Low Energy se destina a fornecer consumo de energia e custo consideravelmente reduzidos, ao mesmo tempo em que mantém um alcance de comunicação semelhante . Os sistemas operacionais móveis, incluindo iOS , Android , Windows Phone e BlackBerry , bem como macOS , Linux , Windows 8 e Windows 10 , oferecem suporte nativo a Bluetooth Low Energy.

Compatibilidade

O Bluetooth Low Energy é diferente do protocolo anterior (frequentemente chamado de "clássico") Bluetooth Basic Rate / Enhanced Data Rate (BR / EDR), mas os dois protocolos podem ser suportados por um único dispositivo: a especificação Bluetooth 4.0 permite que os dispositivos implementem qualquer um deles ou ambos os sistemas LE e BR / EDR.

O Bluetooth Low Energy usa as mesmas frequências de rádio de 2,4 GHz que o Bluetooth clássico, que permite que dispositivos de modo duplo compartilhem uma única antena de rádio , mas usa um sistema de modulação mais simples .

Branding

O logotipo Bluetooth Smart usado anteriormente

Em 2011, a Bluetooth SIG anunciou o logotipo Bluetooth Smart para esclarecer a compatibilidade entre os novos dispositivos de baixo consumo de energia e outros dispositivos Bluetooth.

• Bluetooth Smart Ready indica um dispositivo de modo duplo compatível com periféricos clássicos e de baixo consumo de energia .
• Bluetooth Smart indica um dispositivo de baixo consumo de energia que requer um Smart Ready ou outro dispositivo Smart para funcionar.

Com as informações da marca Bluetooth SIG de maio de 2016, o Bluetooth SIG começou a eliminar os logotipos e marcas nominais Bluetooth Smart e Bluetooth Smart Ready e voltou a usar o logotipo e a marca nominativa Bluetooth em uma nova cor azul.

Mercado alvo

O Bluetooth SIG identifica uma série de mercados para tecnologia de baixo consumo de energia, particularmente nos setores de casa inteligente, saúde, esporte e condicionamento físico. As vantagens citadas incluem:

• requisitos de baixa energia, operando por "meses ou anos" em uma célula-botão
• tamanho pequeno e baixo custo
• compatibilidade com uma grande base instalada de telefones celulares, tablets e computadores

História

O agora extinto logotipo Wibree

Em 2001, pesquisadores da Nokia determinaram vários cenários que as tecnologias sem fio contemporâneas não abordavam. A empresa começou a desenvolver uma tecnologia sem fio adaptada do padrão Bluetooth que proporcionaria menor consumo de energia e custo, minimizando suas diferenças em relação à tecnologia Bluetooth. Os resultados foram publicados em 2004 usando o nome Bluetooth Low End Extension.

Após um maior desenvolvimento com parceiros, em particular Logitech e dentro do projeto europeu MIMOSA, e ativamente promovida e apoiada pela STMicroelectronics desde seu estágio inicial, a tecnologia foi lançada ao público em outubro de 2006 com a marca Wibree. Após negociações com os membros do Bluetooth SIG, um acordo foi alcançado em junho de 2007 para incluir o Wibree em uma futura especificação do Bluetooth como uma tecnologia Bluetooth de ultra baixa potência.

A tecnologia foi comercializada como Bluetooth Smart e a integração com a versão 4.0 da Core Specification foi concluída no início de 2010. O primeiro smartphone a implementar a especificação 4.0 foi o iPhone 4S , lançado em outubro de 2011. Vários outros fabricantes lançaram Bluetooth Low Energy Ready dispositivos em 2012.

O Bluetooth SIG revelou oficialmente o Bluetooth 5 em 16 de junho de 2016 durante um evento de mídia em Londres. Uma mudança no lado do marketing é que o número do ponto foi eliminado, então agora ele é chamado apenas de Bluetooth 5 (e não de Bluetooth 5.0 ou 5.0 LE como no Bluetooth 4.0). Essa decisão foi tomada para “simplificar o marketing e comunicar os benefícios do usuário de forma mais eficaz”. No lado técnico, o Bluetooth 5 quadruplicará o alcance usando maior potência de transmissão ou camada física codificada, dobrará a velocidade usando a metade opcional do tempo do símbolo em comparação com o Bluetooth 4.x e fornecerá um aumento de oito vezes na capacidade de transmissão de dados aumentando o comprimento dos dados de publicidade das transmissões Bluetooth de baixa energia em comparação com o Bluetooth 4.x, o que pode ser importante para aplicativos IoT em que os nós são conectados em toda a casa. Um 'pacote de publicidade' na linguagem Bluetooth é a informação que é trocada entre dois dispositivos antes do emparelhamento, ou seja, quando eles não estão conectados. Por exemplo, pacotes de publicidade permitem que você veja o nome de um dispositivo Bluetooth antes de emparelhá-lo. O Bluetooth 5 aumentará o comprimento de dados desse pacote de publicidade. O comprimento desse pacote no Bluetooth 4.x era de 31 bytes (para topologia de broadcast).

A Bluetooth SIG lançou as especificações Mesh Profile e Mesh Model oficialmente em 18 de julho de 2017. A especificação Mesh permite o uso de Bluetooth Low Energy para comunicações de dispositivos muitos para muitos para automação residencial , redes de sensores e outras aplicações.

Formulários

Pegando emprestado da especificação Bluetooth original, o Bluetooth SIG define vários perfis - especificações de como um dispositivo funciona em uma aplicação específica - para dispositivos de baixo consumo de energia. Espera-se que os fabricantes implementem as especificações apropriadas para seus dispositivos a fim de garantir a compatibilidade. Um dispositivo pode conter implementações de vários perfis.

A maioria dos perfis de aplicação de baixa energia atuais são baseados no Perfil de Atributo Genérico (GATT), uma especificação geral para enviar e receber dados curtos, conhecidos como atributos, em um link de baixa energia. O perfil de malha Bluetooth é uma exceção a esta regra, sendo baseado no Perfil de Acesso Geral (GAP).

Perfis de malha

Os perfis de malha Bluetooth usam Bluetooth Low Energy para se comunicar com outros dispositivos Bluetooth Low Energy na rede. Cada dispositivo pode passar as informações para outros dispositivos Bluetooth de baixa energia, criando um efeito de “malha”. Por exemplo, desligar um prédio inteiro de luzes de um único smartphone.

• MESH ( Mesh Profile ) - para rede de malha básica.
• MMDL ( modelos de malha ) - para definições de camada de aplicativo. O termo “modelo” é usado em especificações de malha em vez de “perfil” para evitar ambigüidades.

Perfis de cuidados de saúde

Existem muitos perfis para dispositivos Bluetooth Low Energy em aplicações de saúde. O consórcio Continua Health Alliance os promove em cooperação com o Bluetooth SIG.

• BLP (Blood Pressure Profile) - para medição da pressão arterial.
• HTP (Health Thermometer Profile) - para dispositivos médicos de medição de temperatura.
• GLP (Perfil de Glicose) - para monitores de glicose no sangue .
• CGMP (Perfil de Monitor de Glicose Contínua)

Perfis de esportes e fitness

Perfis para acessórios esportivos e de fitness incluem:

• BCS (Serviço de Composição Corporal)
• CSCP (Cycling Speed ​​and Cadence Profile) - para sensores acoplados a uma bicicleta ou bicicleta ergométrica para medir a cadência e a velocidade da roda.
• CPP (Perfil de Energia de Ciclismo)
• HRP (Perfil de Frequência Cardíaca) - para dispositivos que medem a frequência cardíaca
• LNP (Perfil de Localização e Navegação)
• RSCP (velocidade de corrida e perfil de cadência)
• WSP (Perfil de Balança de Peso)

Conectividade com a Internet

• IPSP (Perfil de Suporte de Protocolo da Internet)

Sensores genéricos

• ESP (Perfil de Detecção Ambiental)
• UDS (Serviço de Dados do Usuário)

Conectividade HID

• HOGP ( HID over GATT Profile) que permite mouses, teclados e outros dispositivos sem fio habilitados para Bluetooth LE, oferecendo bateria de longa duração.

Sensor de proximidade

Os aplicativos de “trela eletrônica” são adequados para a longa duração da bateria possível para dispositivos 'sempre ligados'. Fabricantes de iBeacon dispositivos implementar as especificações adequadas para o seu dispositivo para fazer uso de capacidades de detecção de proximidade apoiados pela da Apple ‘s dispositivos iOS .

Perfis de aplicativo relevantes incluem:

• FMP - o perfil “encontre-me” - permite que um dispositivo emita um alerta em um segundo dispositivo perdido.
• PXP - o perfil de proximidade - permite que um monitor de proximidade detecte se um repórter de proximidade está dentro do alcance. A proximidade física pode ser estimada usando o valor RSSI do receptor de rádio , embora este não tenha calibração absoluta de distâncias. Normalmente, um alarme pode soar quando a distância entre os dispositivos excede um limite definido.

Alertas e perfis de tempo

• O perfil de status de alerta do telefone e o perfil de notificação de alerta permitem que um dispositivo cliente receba notificações, como alertas de chamadas recebidas de outro dispositivo.
• O perfil de horário permite que as informações de hora e fuso horário atuais em um dispositivo cliente sejam definidas a partir de um dispositivo servidor, como entre um relógio de pulso e o horário de rede de um telefone celular .

Bateria

• O serviço de bateria expõe o estado da bateria e o nível de bateria de uma única bateria ou conjunto de baterias em um dispositivo.

Áudio

Anunciado em janeiro de 2020, o LE Audio permitirá que o protocolo transporte som e adicione recursos, como um conjunto de fones de ouvido conectado a várias fontes de áudio ou vários fones de ouvido conectados a uma fonte, também adicionará suporte para aparelhos auditivos.

Comparado com o áudio Bluetooth padrão, ele oferecerá uma vida útil mais longa da bateria.

Rastreamento de contato e notificação

Em dezembro de 2020, o Bluetooth SIG lançou um rascunho de especificações para um serviço de notificação de exposição vestível. Este serviço permitirá que serviços de notificação de exposição em dispositivos vestíveis se comuniquem e sejam controlados por dispositivos clientes, como smartphones.

Implementação

Lasca

A partir do final de 2009, os circuitos integrados Bluetooth Low Energy foram anunciados por vários fabricantes. Esses ICs normalmente usam rádio de software, de modo que as atualizações das especificações podem ser acomodadas por meio de uma atualização de firmware .

Hardware

Os dispositivos móveis atuais são comumente lançados com suporte de hardware e software para Bluetooth clássico e Bluetooth de baixa energia.

Sistemas operacionais

• iOS 5 e posterior
• Windows Phone 8.1
• Windows 8 e posterior (o Windows 7 requer drivers do fabricante de rádio Bluetooth com suporte para BLE, pois não possui drivers BLE genéricos integrados)
• Android 4.3 e posterior
• BlackBerry 10
• Linux 3.4 e posterior por meio do BlueZ 5.0
• Unison OS 5.2
• macOS 10.10

Detalhes técnicos

Interface de rádio

A tecnologia Bluetooth Low Energy opera na mesma faixa de espectro ( banda ISM 2.400–2.4835 GHz ) que a tecnologia Bluetooth clássica, mas usa um conjunto diferente de canais. Em vez dos clássicos canais Bluetooth 79 de 1 MHz, o Bluetooth Low Energy possui 40 canais de 2 MHz. Dentro de um canal, os dados são transmitidos usando modulação de deslocamento de frequência gaussiana , semelhante ao esquema de taxa básica do Bluetooth clássico. A taxa de bits é de 1 Mbit / s (com uma opção de 2 Mbit / s no Bluetooth 5) e a potência máxima de transmissão é de 10 mW (100 mW no Bluetooth 5). Mais detalhes são fornecidos no Volume 6, Parte A (Especificação da camada física) da Especificação do núcleo do Bluetooth V4.0 .

O Bluetooth Low Energy usa salto de frequência para neutralizar problemas de interferência de banda estreita. O Bluetooth clássico também usa salto de frequência, mas os detalhes são diferentes; como resultado, enquanto a FCC e a ETSI classificam a tecnologia Bluetooth como um esquema FHSS , o Bluetooth Low Energy é classificado como um sistema que usa técnicas de modulação digital ou um espectro de difusão de sequência direta .

Mais detalhes técnicos podem ser obtidos nas especificações oficiais publicadas pela Bluetooth SIG. Observe que o consumo de energia não faz parte das especificações do Bluetooth.

Publicidade e descoberta

Os dispositivos BLE são detectados por meio de um procedimento baseado na transmissão de pacotes de publicidade. Isso é feito usando 3 canais separados (frequências), a fim de reduzir a interferência. O dispositivo de publicidade envia um pacote em pelo menos um desses três canais, com um período de repetição denominado intervalo de publicidade. Para reduzir a chance de várias colisões consecutivas, um atraso aleatório de até 10 milissegundos é adicionado a cada intervalo de publicidade. O scanner escuta o canal por um período denominado janela de varredura, que se repete periodicamente a cada intervalo de varredura.

A latência de descoberta é, portanto, determinada por um processo probabilístico e depende dos três parâmetros (viz., O intervalo de publicidade, o intervalo de varredura e a janela de varredura). O esquema de descoberta de BLE adota uma técnica baseada em intervalos periódicos, para a qual limites superiores na latência de descoberta podem ser inferidos para a maioria das parametrizações. Enquanto as latências de descoberta de BLE podem ser aproximadas por modelos para protocolos baseados em intervalos puramente periódicos, o atraso aleatório adicionado a cada intervalo de publicidade e a descoberta de três canais pode causar desvios dessas previsões ou potencialmente levar a latências ilimitadas para certas parametrizações.

Segurança

Modelo de software

Todos os dispositivos Bluetooth de baixa energia usam o perfil de atributo genérico (GATT). A interface de programação de aplicativos oferecida por um sistema operacional compatível com Bluetooth Low Energy será normalmente baseada nos conceitos do GATT. O GATT tem a seguinte terminologia:

Cliente

Um dispositivo que inicia comandos e solicitações GATT e aceita respostas, por exemplo, um computador ou smartphone.

Servidor

Um dispositivo que recebe comandos e solicitações do GATT e retorna respostas, por exemplo, um sensor de temperatura.

Característica

Um valor de dados transferido entre o cliente e o servidor, por exemplo, a tensão atual da bateria.

Serviço

Uma coleção de características relacionadas, que operam juntas para desempenhar uma função específica. Por exemplo, o serviço Health Thermometer inclui características para um valor de medição de temperatura e um intervalo de tempo entre as medições.

Descritor

Um descritor fornece informações adicionais sobre uma característica. Por exemplo, uma característica de valor de temperatura pode ter uma indicação de suas unidades (por exemplo, Celsius) e os valores máximo e mínimo que o sensor pode medir. Os descritores são opcionais - cada característica pode ter qualquer número de descritores.

Alguns serviços e valores de características são usados ​​para fins administrativos - por exemplo, o nome do modelo e o número de série podem ser lidos como características padrão no serviço de acesso genérico . Os serviços também podem incluir outros serviços como subfunções; as funções principais do dispositivo são os chamados serviços primários e as funções auxiliares a que se referem são serviços secundários .

Identificadores

Serviços, características e descritores são coletivamente chamados de atributos e identificados por UUIDs . Qualquer implementador pode escolher um UUID aleatório ou pseudo-aleatório para usos proprietários , mas o Bluetooth SIG reservou uma gama de UUIDs (da forma xxxxxxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB ) para atributos padrão. Para eficiência, esses identificadores são representados como valores de 16 ou 32 bits no protocolo, em vez dos 128 bits necessários para um UUID completo. Por exemplo, o serviço de informações do dispositivo tem o código curto 0x180A, em vez de 0000180A-0000-1000 -.... A lista completa é mantida no documento Bluetooth Assigned Numbers online.

Operações GATT

O protocolo GATT fornece vários comandos para o cliente descobrir informações sobre o servidor. Esses incluem:

• Descubra UUIDs para todos os serviços principais
• Encontre um serviço com um determinado UUID
• Encontre serviços secundários para um determinado serviço principal
• Descubra todas as características de um determinado serviço
• Encontre características que correspondam a um determinado UUID
• Leia todos os descritores de uma característica particular

Também são fornecidos comandos para ler (transferência de dados do servidor para o cliente) e escrever (do cliente para o servidor) os valores das características:

• Um valor pode ser lido especificando o UUID da característica ou por um valor de manipulação (que é retornado pelos comandos de descoberta de informações acima).
• As operações de gravação sempre identificam a característica por identificador, mas podem escolher se uma resposta do servidor é necessária ou não.
• As operações de 'leitura longa' e 'gravação longa' podem ser usadas quando o comprimento dos dados da característica excede o MTU do link de rádio.

Por fim, o GATT oferece notificações e indicações . O cliente pode solicitar uma notificação para uma característica particular do servidor. O servidor pode então enviar o valor ao cliente sempre que estiver disponível. Por exemplo, um servidor de sensor de temperatura pode notificar seu cliente sempre que fizer uma medição. Isso evita a necessidade do cliente pesquisar o servidor, o que exigiria que o circuito de rádio do servidor estivesse constantemente operacional.

Uma indicação é semelhante a uma notificação, exceto que requer uma resposta do cliente, como confirmação de que recebeu a mensagem.

Impacto da bateria

Perfis de consumo de energia do chipset Bluetooth Low Energy com diferentes parâmetros de configuração, de acordo com o Guia dos Hitchhikers para Hardware iBeacon da Aislelabs.

O Bluetooth Low Energy foi projetado para permitir que os dispositivos tenham um consumo de energia muito baixo. Vários fabricantes de chips, incluindo Cambridge Silicon Radio , Dialog Semiconductor , Nordic Semiconductor , STMicroelectronics , Cypress Semiconductor , Silicon Labs e Texas Instruments , introduziram chipsets otimizados para Bluetooth Low Energy em 2014. Dispositivos com funções periféricas e centrais têm diferentes requisitos de energia. Um estudo feito pela empresa de software de beacon Aislelabs relatou que periféricos como beacons de proximidade geralmente funcionam por 1–2 anos alimentados por uma bateria de célula tipo moeda de 1.000 mAh. Isso é possível devido à eficiência de energia do protocolo Bluetooth Low Energy, que só transmite pequenos pacotes em comparação com o Bluetooth Classic, que também é adequado para áudio e dados de alta largura de banda.

Em contraste, uma varredura contínua para os mesmos beacons na função central pode consumir 1.000 mAh em algumas horas. Os dispositivos Android e iOS também têm impactos de bateria muito diferentes, dependendo do tipo de varredura e do número de dispositivos Bluetooth Low Energy nas proximidades. Com chipsets mais novos e avanços em software, em 2014, os telefones Android e iOS tinham um consumo de energia insignificante no uso de Bluetooth de baixa energia na vida real.

2M PHY

O Bluetooth 5 introduziu um novo modo de transmissão com uma taxa de símbolo dobrada . O Bluetooth LE tradicionalmente transmite 1 bit por símbolo, de modo que, teoricamente, a taxa de dados também dobra. No entanto, o novo modo dobra a largura de banda de cerca de 1 MHz para cerca de 2 MHz, o que torna mais interferências nas regiões de borda. O particionamento da banda de frequência ISM não mudou sendo ainda 40 canais espaçados a uma distância de 2 MHz. Esta é uma diferença essencial em relação ao Bluetooth 2 EDR, que também dobrou a taxa de dados, mas está fazendo isso empregando uma modulação de fase π / 4-DQPSK ou 8-DPSK em um canal de 1 MHz enquanto o Bluetooth 5 continua a usar apenas o chaveamento de mudança de frequência .

A transmissão tradicional de 1 Mbit na Taxa Básica do Bluetooth foi renomeada para 1M PHY no Bluetooth 5. O novo modo em uma velocidade de símbolo dobrada foi introduzido como 2M PHY. No Bluetooth Low Energy, cada transmissão começa no 1M PHY, deixando para o aplicativo iniciar uma mudança para o 2M PHY. Nesse caso, o remetente e o destinatário mudarão para o 2M PHY para as transmissões. Isso foi projetado para facilitar as atualizações de firmware onde o aplicativo pode voltar para o tradicional 1M PHY em caso de erros. Na realidade, o dispositivo de destino deve estar próximo à estação de programação (a alguns metros).

LE Coded

O Bluetooth 5 introduziu dois novos modos com taxa de dados mais baixa. A taxa de símbolo do novo “Coded PHY” é a mesma da Taxa Base 1M PHY, mas no modo S = 2 há dois símbolos transmitidos por bit de dados. No modo S = 2, apenas um mapeamento de padrão simples P = 1 é usado, o que simplesmente produz o mesmo bit de enchimento para cada bit de dados de entrada. No modo S = 8, há oito símbolos por bit de dados com um Mapeamento de Padrão P = 4 produzindo sequências de símbolos contrastantes - um bit 0 é codificado como binário 0011 e um bit 1 é codificado como binário 1100. No modo S = 2 usando P = 1 o intervalo dobra aproximadamente, enquanto no modo S = 8 usando P = 4 ele quadruplica.

As transmissões “LE Coded” não só mudaram o esquema de correção de erros, mas também usam um formato de pacote fundamentalmente novo. Cada burst “LE Coded” consiste em três blocos. O bloco de comutação (“preâmbulo estendido”) é transmitido no LE 1M PHY, mas consiste apenas em 10 vezes um padrão binário '00111100'. Esses 80 bits não são codificados com FEC como de costume, mas são enviados diretamente para o canal de rádio. É seguido por um bloco de cabeçalho (“Bloco FEC 1”) que é sempre transmitido no modo S = 8. O bloco de cabeçalho contém apenas o endereço de destino (“Endereço de acesso” / 32 bits) e um sinalizador de codificação (“Indicador de codificação” / 2 bits). O indicador de codificação define o mapeamento de padrão usado para o seguinte bloco de carga útil (“Bloco FEC 2”) onde S = 2 é possível.

O novo formato de pacote do Bluetooth 5 permite a transmissão de 2 a 256 bytes como carga útil em uma única rajada. Isso é muito mais do que o máximo de 31 bytes no Bluetooth 4. Junto com as medições de alcance, isso deve permitir funções de localização. Como um todo, o alcance quadruplicado - na mesma potência de transmissão - é alcançado à custa de dados mais baixos estarem em um oitavo com 125 kBit. O formato de pacote de transmissão antigo, como continua a ser usado nos modos 1M PHY e 2M PHY, foi denominado "Não codificado" no Bluetooth 5. O modo intermediário "LE Coded" S = 2 permite uma taxa de dados de 500 kBit no carga útil que é benéfica para latências mais curtas e também para menor consumo de energia, pois o próprio tempo de burst é mais curto.

Veja também

• FORMIGA
• ANT +
• DASH7
• Eddystone
• IEEE 802.15 / IEEE 802.15.4-2006
• Sistema de posicionamento interno (IPS)
• LoRa
• MyriaNed
• Banda ultralarga (UWB)
• Fórum UWB
• WiMedia Alliance
• WirelessHD
• USB sem fio
• Zigbee
• Z-Wave

Notas

Referências

Leitura adicional

• "Especificações - Site da tecnologia Bluetooth" . www.bluetooth.org . “Bluetooth 4.0 Core Specification” - GATT é descrito na íntegra no Volume 3, Parte G

links externos

• Versões de rádio Bluetooth - site oficial em Bluetooth.com
• Gomez, Carles; Oller, Joaquim; Paradells, Josep (29 de agosto de 2012). "Visão geral e avaliação do Bluetooth Low Energy: uma tecnologia sem fio emergente de baixa potência" . Sensores . Basel . 12 (9): 11734–11753. Bibcode : 2012Senso..1211734G . doi : 10.3390 / s120911734 . ISSN  1424-8220 . PMC  3478807 .