Bluetooth long range что это
Обновлено: 05.07.2024
Вполне возможно, что именно с этими словами средневекового датского короля Харальда II Синезубого (Harald II Bluetooth) связано его другое прозвище - "объединитель", через 1000 лет ставшее названием нового интерфейса беспроводной связи.
Что же такое Bluetooth? Это технология беспроводной связи, созданная в 1998 году группой компаний: Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba. В настоящее время разработки в области Bluetooth ведутся Bluetooth SIG (Special Interest Group), в которую входят также Lucent, Microsoft и многие другие.
Основное назначение Bluetooth - обеспечение экономичной (с точки зрения потребляемого тока) и дешевой радиосвязи между различными типами электронных устройств, причем немалое значение придается компактности электронных компонентов, что дает возможность применять Bluetooth в малогабаритных устройствах размером с наручные часы.
Интерфейс Bluetooth позволяет передавать как голос (со скоростью 64 Кбит/сек), так и данные. Для передачи данных могут быть использованы асимметричный (721 Кбит/сек в одном направлении и 57,6 Кбит/сек в другом) и симметричный методы (432,6 Кбит/сек в обоих направлениях). Работающий на частоте 2.4 ГГц приемопередатчик, коим является Bluetooth-чип, позволяет в зависимости от степени мощности устанавливать связь в пределах 10 или 100 метров. Разница в расстоянии, безусловно, большая, однако соединение в пределах 10 м позволяет сохранить низкое энергопотребление, компактный размер и достаточно невысокую стоимость компонентов. Так, маломощный передатчик потребляет всего 0.3 мА в режиме standby и в среднем 30 мА при обмене информацией.
Bluetooth работает по принципу FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum). Вкратце это можно объяснить так: передатчик разбивает данные на пакеты и передает их по псевдослучайному алгоритму скачкообразной перестройки частоты (1600 раз в секунду), или шаблону (pattern), составленному из 79 подчастот. "Понять" друг друга могут только те устройства, которые настроены на один и тот же шаблон передачи - для посторонних приборов переданная информация будет обычным шумом.
Основным структурным элементом сети Bluetooth является так называемая "пикосеть" (piconet) - совокупность от 2 до 8 устройств, работающих на одном и том же шаблоне. В каждой пикосети одно устройство работает как master, а остальные как slave. Master определяет шаблон, на котором будут работать все slave-устройства его пикосети, и синхронизирует ее работу. Стандарт Bluetooth предусматривает соединение независимых и даже не синхронизированных между собой пикосетей (до 10) в так называемую "scatternet" (я еще не встречал корректного русского перевода этого термина, но один из вариантов перевода глагола to scatter звучит как "рассеивать"). Для этого каждая пара пикосетей должна иметь как минимум одно общее устройство, которое будет master'ом в одной и slave'ом в другой. Таким образом, в пределах отдельной scatternet с интерфейсом Bluetooth может быть одновременно связано максимум 71 устройство, однако никто не ограничивает применение устройств-гейтов, использующих тот же Internet для более дальней связи.
Частотный диапазона Bluetooth в большинстве стран свободен от лицензирования, но во Франции, Испании и Японии из-за законодательных ограничений необходимо использовать отличные от указанных выше частоты.
Говоря о беспроводной связи, нельзя не затронуть вопрос безопасности такого соединения. Помимо фокуса с частотными шаблонами и необходимости синхронизации приемопередачи в стандарте Bluetooth предусмотрено шифрование передаваемых данных с ключом эффективной длины от 8 до 128 бит и возможностью выбора односторонней или двусторонней аутентификации (конечно, можно обойтись вообще без аутентификации), что позволяет устанавливать стойкость результирующего шифрования в соответствии с законодательством каждой отдельной страны (в некоторых странах запрещено использование сильной криптографии:). В дополнение к шифрованию на уровне протокола может быть применено шифрование на уровне приложений - здесь уже применение сколь угодно стойких алгоритмов никто не ограничивает.
Часто приходится сталкиваться с мнением, что находящиеся в пределах действия связи Bluetooth-устройства могут просто соединиться и начать обмениваться информацией, которая, возможно, не предназначена для сторонних ушей или глаз. На самом деле автоматический обмен информацией между Bluetooth-устройствами ведется лишь на уровне аппаратного обеспечения, т.е. исключительно для определения самого факта возможности соединения. А вот на уровне приложений пользователь сам решает, ввести или запретить автоматическую установку связи. Таким образом, использование Bluetooth становится не опаснее подключения к Интернету, в котором все узлы также соединены электрически, но это еще не означает получение безоговорочного доступа к любому ресурсу.
Стоит также заметить, что стандарт Bluetooth разрабатывался с расчетом на малую мощность, поэтому воздействие его на организм человека сведено к минимуму.
Основным направлением использования Bluetooth должно стать создание так называемых персональных сетей (PAN, или private area networks), включающих такие разноплановые устройства, как мобильные телефоны, PDA, МР3-плееры, компьютеры и даже микроволновые печи с холодильниками (вот уж что давно не подключали в сеть ). Возможность передачи голоса позволяет встраивать интерфейс Bluetooth в беспроводные телефоны или, например, беспроводные гарнитуры для сотовых телефонов. Возможности применения Bluetooth на практике безграничны: помимо синхронизации PDA с настольным компьютером или подсоединения относительно низкоскоростной периферии вроде клавиатур или мышей интерфейс позволяет очень просто и с небольшими затратами организовать домашнюю сеть. Причем узлами этой сети могут быть любые устройства, имеющие потребность в информации либо обладающие необходимой информацией.
Давайте сравним Bluetooth с другим не менее известным интерфейсом беспроводной связи - IEEE 802.11, тем более что оба решения уже доступны на широком рынке. Основные различия между ними можно свести к следующему:
| IEEE 802.11 | Bluetooth | |
|---|---|---|
| 1. Назначение | Беспроводные домашние/офисные сети | Замена кабельных соединений для компактных коммуникационных средств |
| 2. Рабочая частота | 2.4 ГГц | 2.4 ГГц |
| 3. Максимальная скорость передачи данных | 11 Мбит/сек (IEEE 802.11b), 2Мбит/сек (IEEE 802.11) | 721 Кбит/сек |
| 4. Дальность действия | 100 м | 10 м или 100 м |
| 5. Максимальное количество узлов | 128 устройств на сеть | 8 устройств на одну пикосеть, макс. 10 пикосетей, т.е. до 71 устройства на один scatternet |
| 6. Голосовые каналы | Нет (опционально) | 3 канала |
| 7. Доступность | Сейчас | Сейчас |
| 8. Цена | $100-$400 за узел | Около $5 за узел |
Как легко заметить, интерфейс Bluetooth намного лучше приспособлен для использования в тех беспроводных устройствах связи, где требуется достаточно низкая цена, нет необходимости в высоких скоростях и желательно низкое энергопотребление. Однако, как уже отмечалось, возможно создание комбинированных сетей, тем более что IEEE 802.11 работает совершенно по другому принципу кодирования передаваемых данных, следовательно, находясь на одной и той же рабочей частоте, оба стандарта будут слышать друг друга физически, но чужие сигналы будут расценены каждым из них как посторонний шум.
Немаловажным аспектом в развитии Bluetooth является тот факт, что эта технология не подлежит лицензированию и ее использование не требует выплаты каких-либо лицензионных отчислений (хотя и требует подписания бесплатного соглашения). Такая политика позволила многим компаниям энергично включиться в процесс разработки устройств с интерфейсом Bluetooth, кои были в большом количестве продемонстрированы на выставке CeBIT 2001.
Наибольший интерес, естественно, вызывают устройства, обеспечивающие переход с уже существующих интерфейсов на Bluetooth. Одним из них стало Industrial Bluetooth Serial Port Adapter шведской компании connectBlue. Как видно из названия, это устройство предназначено для промышленного применения и позволяет подключать к Bluetooth любые приборы, оборудованные последовательным портом:
Типичным вариантом использования может стать, например, конфигурирование промышленных установок при помощи ноутбука.
- дальность действия - до 10 м,
- скорость передачи - 300-115200 Кбит,
- напряжение питания - 9-30 Вольт.
Компания Belkin, знаменитая, в частности, своими продуктами для шины USB, представила целый набор устройств Bluetooth:
Эта карта формата PCMCIA Type II позволяет всем устройствам, имеющим подобный слот, получить Bluetooth интерфейс со скоростью до 721 Кбит/сек. Дальность действия - 10 м.
Здесь мы видим отличное USB решение для настольных (и не только) компьютеров: характеристики те же, что и в предыдущем случае, к тому же это устройство позволяет обмениваться данными по голосовым каналам.
Есть даже адаптер для Palm V: Palm просто кладется в него, как в стандартную кроватку, после чего можно синхронизироваться с настольным компьютером или выходить в Интернет при помощи мобильного телефона, также снабженного Bluetooth интерфейсом. Данный адаптер питается от батареи самого Palm'а.
На выставке можно было найти даже Bluetooth адаптер для Compact Flash:
Компания Troy XCD представила адаптер для подключения принтера с интерфейсом Centronics к Bluetooth:
Компания обещает выпустить его на рынок в начале лета, примерная стоимость - около 195$.
Не менее интересным вариантом применения технологии Bluetooth может стать организация беспроводного доступа в локальную сеть и/или Интернет для устройств в малом офисе или дома. Безусловным лидером в этой области стала компания Red-M , представившая свое решение - сервер Red-M 3000AS:
А вот фотография его прототипа в работе:
3000AS представляет собой Linux-сервер, который может также работать как шлюз в локальную сеть или Интернет. В отличие от большинства других Bluetooth-устройств 3000AS имеет мощный приемопередатчик, обеспечивающий связь в пределах 100 м, причем в комплект входит внешняя антенна, повышающая надежность связи при наличии внешних помех. Для подключения можно использовать ISDN (с выбором вариантов "постоянно онлайн" или "подключение по требованию"), 10/100 Мбит Ethernet, а также RS-232 для сервисного применения. Сервер может также быть запитан через UPS.
Для расширения доступа к серверу могут использоваться малогабаритные точки доступа Red-M 1000AP:
Сервер автоматически определяет и конфигурирует все точки доступа, находящиеся в пределах дальности его действия. Внешние устройства могут быть подсоединены к точке доступа через 10/100 Мбит Ethernet.
Схожую систему представил MiTAC: их Bluetooth Access Point несет на борту 750МГц процессор Transmeta Crusoe TM5400, встроенный NAT и DHCP сервер и, как и предыдущий образец, мощный приемопередатчик дальностью действия до 100 м:
Отличным дополнением к такой системе может стать устройство от Canon - Bluetooth модуль для цифрового фотоаппарата:
Только представьте себе - фотоаппарат сможет автоматически сбрасывать снимки через Bluetooth-гейт на вашу рабочую станцию, или тот же субноутбук, или даже через подключенный к Интернет сотовый телефон с поддержкой Bluetooth… в общем, возможности бесконечны.
Распространенным вариантом является подключение стандартных устройств ввода через Bluetooth, например, вот так:
Sony представила на CeBIT специальный модуль в формате Memory Stick под названием InfoStick:
Очень неплохая идея, особенно учитывая наличие аналогичного устройства для Compact Flash.
Остается только заметить, что лицензирование поддержки Bluetooth бесплатно и необходимо только для заключения соглашения об использовании торговых марок. Так что в скором будущем мы вполне можем ожидать появление Bluetooth в лампочках и утюгах :). А если серьезно, то технология Bluetooth может совершить настоящую революцию в мире персональных коммуникаций и вообще в жизни человека. А вот насколько нам нужна еще одна революция - это еще предстоит решить.
На правах любящего логику «программиста с паяльником» 🙂 начну статью с плана.
- Обзор стандарта. Преимущества пятой версии в сравнении с четвертой.
- Выбор железа. Приемник, передатчик.
- Описание отладочной платы и микроконтроллера. В этой части я расскажу о параметрах выбранного микроконтроллера и отладочной платы.
- Начало работы с SDK (software development kit) под выбранный микроконтроллер. Здесь описывается, как начать разрабатывать простые радиоприложения под Bluetooth Low Energy четвертой версии на нашей отладочной плате. Чтобы мы привыкли к новому набору инструментов и на конкретном примере научились общаться по Bluetooth c Android-телефоном.
- Тест нового стандарта Bluetooth 5. В этой части мы сделаем две прошивки для двух отладочных плат и рассмотрим новые режимы радиопередачи по Bluetooth 5.
Обзор стандарта Bluetooth 5
Что мы знаем о новом стандарте? Мы знаем, что он обратно совместим с четвертыми версиями спецификации BLE (Bluetooth Low Energy, Bluetooth Smart), то есть с версиями 4.0, 4.1, 4.2, и позволяет новым устройствам с Bluetooth 5 общаться со старыми девайсами (разумеется, новые фичи будут недоступны). В четвертых версиях BLE, в полном соответствии с названием, позволял проектировать устройства с гораздо меньшим потреблением, чем Bluetooth Classic. Но все остальное, кроме энергопотребления, было не очень — я про скорость, объем передаваемых данных в одном пакете и дальность. Все эти свойства улучшает Bluetooth 5.
Более подробно можно узнать на официальном сайте Bluetooth 5, а мы сейчас кратко остановимся на главных преимуществах пятой версии.
Все новые Bluetooth-спецификации публикуются здесь.
Высокая пропускная способность данных
Вместе с усовершенствованиями, введенными в Bluetooth 4.2, которые позволяли увеличить объем данных в одном пакете, и еще большим увеличением возможного объема данных в пакете в Bluetooth 5 (DLE) общая пропускная способность стала впятеро выше, чем исходный уровень Bluetooth 4.0!
Теперь чистая пропускная способность данных без учета накладных расходов, таких как адресация, может достигать 1,4 Мбит/c. Зачем нужна такая высокая скорость? Согласен, дурацкий вопрос, даже не знаю, зачем я его придумал. 🙂 Пользователей-аудиофилов это порадует скоростью передачи качественной музыки, а для нас, гиков, открывает возможность гораздо быстрее обновлять прошивку устройства «по воздуху» (OTA-DFU). Всего же благодаря изменениям, внесенным в физический (PHY) слой для работы Bluetooth-радио, стали доступны четыре скорости:
- 2 Мбит/с;
- 1 Мбит/с;
- 500 Кбит/с;
- 125 Кбит/с.
Уверен, что с первыми двумя скоростями тебе уже все ясно, но вот вопрос: зачем при таком богатстве нужны две «нижние передачи»?
А дело в том, что при низких скоростях и связанной с ними LE закодированной обработке с использованием прямой коррекции ошибок (FEC) становится легче отказаться от повторной передачи данных в окружающем шуме. Короче говоря, чувствительность улучшается. И не надо при высоком уровне шума повторно запрашивать пакеты данных (маленький квадрокоптер может улететь дальше от пульта управления).
Увеличение пропускной способности вещания
Для снижения загрузки вещательного (advertisment, рекламного :)) канала и решения проблемы перегрузки каналов предлагаются вещательные расширения (они же «рекламные расширения»).
Расширение длины данных и новый PHY-уровень означают, что длина пакетов увеличивается с точки зрения фактических данных и времени, в течение которого они занимают канал. Поскольку существуют только три рекламных канала, эти каналы вскоре могут перегружаться вещательными пакетами с большими объемами данных при более низких скоростях передачи в эфире, таких как 125 Кбит/с.
Рекламные расширения смягчают эту потенциальную проблему.
Улучшенное сосуществование с улучшенным чередованием каналов
BLE Mesh — пока только 4.0
Ячеистая топология — сетевая топология компьютерной сети, построенная на принципе ячеек, в которой радиостанции сети соединяются друг с другом и способны принимать на себя роль коммутатора для остальных участников. Эта организация сети достаточно сложна в настройке, однако при такой топологии достигается высокая отказоустойчивость. Как правило, узлы соединяются по принципу «каждый с каждым».
Таким образом, большое количество связей обеспечивает широкий выбор маршрута следования трафика внутри сети, а значит, обрыв одного соединения не нарушит работу сети в целом. Но BLE Mesh-сети рассчитаны (по крайней мере пока) на Bluetooth стандарта четвертых версий.
Выбор железа
На момент написания этой статьи пятую версию протокола поддерживали смартфоны Samsung и Sony и в свободной продаже было довольно мало BLE5-совместимых устройств.
Плата nrf52840 Preview DK
Поэтому, чтобы оценить все возможности Bluetooth 5, я решил взять две отладочные платы с микроконтроллером nRF52840 компании Nordic Semiconductor. Почему именно их? Просто Nordic Semiconductor давно славится своими разработками именно в области Bluetooth-микросхем. Кроме того, их разработки традиционно отличаются вменяемой ценой и богатой документацией. Чипы серии nRF52 и конкретно nRF52840 представляют собой систему на кристалле (SoC, System on a Chip) и, согласно документации, мультипротокольны — могут работать со стандартами Bluetooth 5, Bluetooth Low Energy, ANT, 802.15.4, 2.4GHz RF. Поддерживают они и NFC.
Все многопротокольные SoCs серии nRF52 поддерживают перечисленные фичи. Кроме того, nRF52840 имеет улучшенную выходную мощность, что вместе с новыми функциями Long Range (увеличение расстояния вещания) переполняет сердце разработчика безотчетной радостью. 🙂
NRF52840 — это усовершенствованный многопроцессорный SoC, идеально подходящий для сверхмалых беспроводных приложений. Имеет полную аппаратную поддержку Bluetooth 5 (включая увеличенную дальность вещания). Софт nRF52840 крутится на 32-битном процессоре ARM Cortex-M4F (64 МГц достаточно каждому (с) почти Билл Гейтс) с 1 Мбайт флеш-памяти и 256 Кбайт ОЗУ на чипе. Поддерживает инструкции DSP (цифровая обработка сигнала), вычисления с плавающей точкой (FPU).
Поддерживает несколько протоколов, включая Bluetooth с низким энергопотреблением, ANT (кто-нибудь использовал этот протокол? :)), 802.15.4 и 2.4GHz.
NRF52840 SoC использует управление питанием, чтобы максимизировать энергоэффективность приложений и время автономной работы. Запитать чип можно от напряжения постоянного тока в диапазоне от 1,7 до 5,5 В.
EasyDMA, как и все DMA (прямой доступ к памяти), позволяет разгрузить ЦП нашего микроконтроллера, например чтобы передавать потоки данных из АЦП в UART без участия ядра.
В SoC есть также мощный криптографический сопроцессор на кристалле (ARM Cryptocell-310), обеспечивающий криптографические функции и услуги для ускорения операций, экономии времени обработки процессором данных и сокращения потребления энергии. Он включает в себя настоящий генератор случайных чисел (TRNG) и поддерживает широкий спектр асимметричных, симметричных и хеширующих криптографических сервисов. NFC также поддерживается в чипе.
NRF52840 имеет встроенную поддержку USB 2.0 (full speed) и встроенное регулирование питания, позволяющее напрямую подключаться к USB-хостам для передачи данных.
Чип совместим с существующими сериями nRF52, nRF51 и nRF24 Series от Nordic Semiconductor.
SoftDevice
Стеки беспроводных протоколов от Nordic Semiconductor известны как SoftDevices. NRF52840 поддерживается S140 SoftDevice.
S140 SoftDevice — это поддерживающий Bluetooth 5 (пока alpha).
Отладочная плата
Отладочную плату на основе этого микроконтроллера я выбрал под стать чипу, вот она: nRF52840 Preview DK Development Kit for nRF52840. Между прочим, к ней прилагается NFC-антенка!
NRF52840 PDK — это универсальный комплект для разработки плат для Bluetooth 5, Bluetooth с низким энергопотреблением, ANT, 802.15.4 и 2.4GHz с использованием nRF52840 SoC. Этот комплект поддерживает разработку для SoC nRF52840.
Набор аппаратно совместим с Arduino Uno Revision 3, позволяет использовать сторонние шилды, совместимые с этим стандартом. Антенна NFC может быть подключена к набору, чтобы активировать функциональность тега NFC. Комплект обеспечивает доступ ко всем входам и выходам через интерфейсы и имеет четыре светодиода и четыре кнопки, которые программируются пользователем.
Он поддерживает стандартную цепочку инструментов разработки Nordic Software Development с использованием Keil, IAR и GCC. Опции программы / отладки в комплекте — это Segger J-Link OB.
Кроме всего прочего, на основе младшего чипа серии nRF52832 уже существуют платы для платформы Arduino, например Arduino Primo. Почему это хорошо? Да потому, что это избавляет тебя от кодинга на С.
Продолжение доступно только участникам
Членство в сообществе в течение указанного срока откроет тебе доступ ко ВСЕМ материалам «Хакера», позволит скачивать выпуски в PDF, отключит рекламу на сайте и увеличит личную накопительную скидку! Подробнее
Читайте также: