Bluetooth Smart: Internet-fähige Geräte leicht gemacht – dank einsatzbereiter Module

Das ungebrochen starke Wachstum von Smartphones dient zugleich als zentraler Dreh- und Angelpunkt der Einführung des Internet of Things (kurz: IoT); da Verbraucher stets einen Internet-fähigen Computer bei sich haben, kann ihr Smartphone für die allermeisten Sensoren und Zubehörgeräte als Gateway ins Internet genutzt sowie zur Cloud-basierten Steuerung von Geräten aller Art eingesetzt werden. Die Bedeutung von Smartphones ist mit ein Grund dafür, warum der Großteil der IoT-Anwendungen Bluetooth verwendet; nicht zuletzt sind die allermeisten Smartphones ohnehin standardmäßig Bluetooth-fähig. Ein weiterer Grund für die Beliebtheit von Bluetooth für Sensorknotenpunkte und Zubehörgeräte ist die Unterstützung eines Ultra-Low Power Modus – Bluetooth Smart.

Bluetooth Smart wurde mit der Bluetooth Version 4.0 eingeführt. Mit dieser neuen Version werden letztlich zwei verschiedene Arten der Bluetooth-Nutzung voneinander getrennt: Bluetooth „Classic“ ist im Grunde vorherigen Versionen für Laptops und Headsets sehr ähnlich, während Bluetooth „Low Energy“ für den Betrieb mit ultra-geringer Stromaufnahme in batteriebetriebenen Sensorknotenpunkten und ähnlichem vorgesehen ist. So teilt V4.0 Bluetooth-fähige Geräte in zwei unterschiedliche Gruppen auf: Bluetooth Smart und Bluetooth Smart Ready. 

Bluetooth-Smart-Geräte können ausschließlich mit dem Bluetooth-Low-Energy-Protokoll arbeiten („Single Mode“). Hierzu zählen Knopfzellenbatterie-betriebene Smartphone-Zubehörprodukte, Sensoren und sonstige Anwendungen mit ultra-geringer Stromaufnahme. Genauer gesagt, muss ein Bluetooth-Smart-fähiges Produkt drei Anforderungen erfüllen: Es muss die Bluetooth-Kernspezifikation Version 4.0 (oder höher) mit Generic-Attribute-(GATT)-basierter Architektur unterstützen; über eine Single-Mode-Funkkomponente verfügen; und die GATT-basierte Architektur zur Aktivierung bestimmter Funktionalitäten des Geräts nutzen.

Bluetooth-Smart-Ready-Geräte können mit beiden Varianten arbeiten, Classic Bluetooth und Bluetooth Low Energy („Dual Mode“). Geräte dieser Art stellen die Hubs und Gateways des IoT sowie von Smartphone, Tablets, PC und Spielekonsolen dar. Genauer gesagt, muss auch ein Bluetooth-Smart-Ready-fähiges Produkt drei Anforderungen erfüllen: Es muss die Bluetooth Kernspezifikation Version 4.0 (oder höher) mit Generic-Attribute-(GATT)-basierter Architektur unterstützen; über eine Dual-Mode-Funkkomponente (BR/EDR + Bluetooth Low Energy) verfügen, bei dem beide Funkmodi sowohl gleichzeitig als auch individuell aktiviert werden können; und eine Möglichkeit bieten, damit der Endnutzer eine Funktionalität für ein Bluetooth-Smart-Gerät auf dem Bluetooth-Smart-Ready-Gerät aktualisieren kann.

Wo liegt denn eigentlich der Unterschied zwischen Bluetooth 4.0, 4.1 und 4.2? Kurz gesagt – 4.1 ist ein Software-Update, das die interferenzfreie Koexistenz mit LTE ermöglicht, das Zeitintervall zur Wiederverbindung flexibel und variabel gestaltet und somit die automatische Wiederverbindung erlaubt, und zudem die Effizienz bei der Übertragung hoher Datenmengen steigert. Version 4.2 ist ein Hardware- und Software-Update, zur Verbesserung des Datenschutzes und der Sicherheit bei gleichzeitig höherer Geschwindigkeit, das zudem IPv6 für Bluetooth über ein neues Profil unterstützt. Diese Entwicklung spielt in der Tat eine Schlüsselrolle, da Bluetooth-Geräte somit zu einem eigenständigen Teil des Internets werden, anstelle lediglich auf die Verbindung über eine Brücke oder ein Gateway angewiesen zu sein. Somit wird IP bis zu dem Endknotenpunkt gefördert.

Bluetooth-Funkkomponenten sind ebenso in drei verschiedenen Kategorien bzw. „Klassen“ erhältlich. Komponenten der Klasse 3 bieten einen Reichweite von etwa einem Meter. Komponenten der Klasse 2 bieten etwa 10 Meter und werden in der Regel in tragbaren Geräten eingesetzt. Komponenten der Klasse 1 werden angesichts ihrer Reichweite von etwa 100 Meter vorrangig in industriellen Anwendungen verwendet.

 

Entwicklungsarbeit mit Bluetooth Smart

Da drahtlose Konnektivität inzwischen als Standard für geradezu jedes nur erdenkliche elektronische Gerät im Rahmen des IoT gilt, sehen sich Entwickler von Elektronikbauteilen mehr und mehr mit diesem Bereich konfrontiert. Dabei sind längst nicht alle Ingenieure aus dem Fachbereich Embedded Computing auch mit der WLAN-Technologie vertraut. Offen gesagt, sehen viele Entwickler diese Technologie als eine Art Hexenwerk an. Die Umsetzung von HF-Designs mit dem erforderlichen Maß an Interferenzen kann extrem anspruchsvoll sein. Hinzu kommen strenge Zertifizierungsprozesse, die es zu verstehen und zu durchlaufen gilt, bevor ein WLAN-fähiges Gerät auf den Markt gebracht werden kann.

Nicht zuletzt deshalb nehmen viele Entwickler die einfachere Route und greifen auf einsatzbereite und bereits vollständig zertifizierte WLAN-Module zurück. Dieser Ansatz vertreibt sämtliche Sorgen rund um die Zertifizierung, die sich in der Praxis oftmals nur für Designs mit sehr hohem Volumen rentieren. Mit Hilfe dieser Module können Entwickler sich jedoch stärker auf ihre eigentliche Aufgabe konzentrieren: Hardware und Software für Anwendungen entwickeln.

Das Gute daran: Vollständig zertifizierte Bluetooth-Module sind nahezu überall in den unterschiedlichsten Formen und Ausführungen erhältlich.

Bluegiga führt mit der WT41-Reihe Bluetooth-Module mit sehr hoher Reichweite (Klasse 1) von sage und schreibe 1000 Metern für Anwendungen im industriellen Bereich sowie für medizinische und M2M-Anwendungen. Ein solches Modul verfügt über eine Bluetooth-Funkkomponente sowie über Bluetooth v2.1 Software-Stack und -Profile. Das gesamte Portfolio ist vollständig CE-, FCC- und IC-zertifiziert und unterstützt den industriellen Temperaturbereich von -40 bis +85° C. 

STMicroelectronics bietet das SPBT2632C2A Bluetooth v3.0 Modul mit einer Komponente der Klasse 2 in einem kleinen Formfaktor von gerade einmal 11,6 x 13,5 x 2,9 mm. Das Modul verfügt über einen ST Cortex-M3-Mikroprozessor mit bis zu 72 MHz (plus 256 kB Flash und 48 kB RAM-Speicher).

Microchips BM77 Bluetooth v4.0 Modul unterstützt Bluetooth Classic und Bluetooth Low Energy. Mit Abmessungen von gerade einmal 22 x 12 x 2,4 mm eignet es sich für die Bereiche Home-Automation und LED-Beleuchtung sowie für tragbare Geräte und sogar Fitness-Equipment. Es ist zudem vollständig SIG-, FCC-, IC-, CE-, Japan- und KCC- Bluetooth-zertifiziert.

Panasonics Bluetooth v4.0 Modul PAN1740ist speziell auf batteriebetriebene Verbraucherelektronik, auf drahtlose Sensoren und auf Fitness-Equipment wie beispielsweise Pulsmesser ausgelegt. Es ist sehr klein dimensioniert – lediglich 9 x 9,5 x 1,8 mm – und benötigt gerade einmal 5 mA zum Versenden und Empfangen von Daten im Bluetooth Low Energy Mode.