Bluetooth-BLE-Beacon-basierte Kommunikation für IoT-Edge-Geräte

Das Internet der Dinge (IoT) verfügt über mehrere Technologien, welche die Funktionalität von IoT-Geräten verbessern, die sich miteinander verbinden und miteinander kommunizieren können. Zusammen mit verschiedenen fortschrittlichen Technologien und Geräten wandelt das IoT die moderne Gesellschaft schnell in eine einfachere und intelligentere um.

Laut einer aktuellen Umfrage erwiesen sich Bluetooth Low Energy-Beacons (BLE-Beacons) neben allen anderen verfügbaren drahtlosen Technologien als eine sehr vielversprechende drahtlose Nahbereichskommunikationstechnologie, da sie in Bluetooth-kompatiblen Technologien sehr häufig vorkommen oder sehr gängig sind.

Der BLE-Beacon besteht typischerweise aus einem ARM Cortex-M0-Prozessor (32 Bit) und einem HF-Transmitter, der mit Bluetooth 4.0 Smart auf 2,4 GHz getaktet wird. Die Bluetooth-SIG (Special Interest Group) verwaltet mehrere Versionen von Bluetooth-Smartgeräten. SIG behauptet, dass diese Beacons bis zu einer Reichweite von 70 m senden können. Laut unseren Studien haben Anwender aufgrund der Wirkung von Lärm und Hindernissen in der Praxis eine Reichweite von etwa 40-50 Metern unter realen Bedingungen erlebt. BLE-Smartgeräte können die Frequenz des gesendeten Signals erfassen und die Entfernung durch Messung der Stärke der empfangenen Signale (RSS) berechnen. BLE-Beacons sind kleine Geräte, die regelmäßig bestimmte Datenpakete senden, um das Vorhandensein oder die Übertragung bestimmter Informationen anzuzeigen. Ein Beacon dient allgemein internen Navigations- und Ortungssystemen.

Beacon-Protokolle

Derzeit gibt es zwei Haupttypen von Softwareprotokollen, die verwendet werden, um Beacons zu verfolgen und Beacons die Kommunikation mit einem Programm oder Browser zu ermöglichen. Sie lassen sich hauptsächlich wie folgt unterteilen:

• App-basiertes iBeacon-Protokoll
• Browser-basiertes Eddystone-Protokoll


Abbildung 1: BLE-Beacon

Es gibt einige Überschneidungen, da der Eddystone-Universal Unique Identifier (UUID) mit Anwendungen funktioniert, aber im Allgemeinen ist jedes Protokoll auf den Betrieb mit Anwendungen oder Browsern beschränkt. Die Signale selbst können so konfiguriert werden, dass sie mit jedem dieser Protokolle arbeiten und für verschiedene Zwecke verwendet werden.

• Mit dem iBeacon-Protokoll können Sie Benachrichtigungen im Hintergrund oder im Hintergrund einer Anwendung senden, sodass die Anwendung benachrichtigt wird, wenn ein Benutzer eine Nachricht erhält.
• Das Eddystone-Protokoll kommuniziert mit dem Webbrowser, der für den Benutzer geöffnet sein muss, um die Nachricht/URL zu erhalten. Unterstützt werden Hintergrundbenachrichtigungen auf Android, aber nicht auf iOS.

Beacon- und BLE-Interaktion

Der Beacon konzentriert sich auf das beliebteste iBeacon-Protokoll und überträgt ein einzelnes Datenpaket, das aus vier Arten von Informationen besteht. UUID, Major, Minor, cal Tx Power – Die Kombination dieser Informationen ermöglicht es Ihnen, einen Benutzer zu suchen, zu navigieren und eine Konversation mit dem Benutzer zu beginnen. Hier finden Sie alle Informationen:

• UUID: Dies ist ein 16-Byte-String, der verwendet wird, um zwischen großen Gruppen verwandter Beacons zu unterscheiden. Wenn Coca-Cola beispielsweise ein Netzwerk von Werbetafeln in einer Supermarktkette hat, verwenden alle Coca-Cola-Werbetafeln die gleiche UUID. Dadurch kann die Coca-Cola-Smartphone-App sehen, welche Zusatzanzeigen von Coca-Cola-Tags stammen.
• Major: Dies ist ein 2-Byte-String, der verwendet wird, um eine kleinere Teilmenge von Beacons innerhalb einer größeren Menge zu markieren. Wenn Coca-Cola zum Beispiel vier Beacons in einem bestimmten Supermarkt hat, sind alle vier Leuchten gleich. Dadurch weiß Coca-Cola genau, in welchem Geschäft sich der Kunde befindet.
• Minor: Dies ist ein 2-Byte-String, der jeden Beacon identifiziert. Nach dem Vorbild von Coca-Cola wird der Beacon vor dem Minor-Geschäft sein eigenes Stück haben. Dadurch weiß das spezielle Programm von Coca-Cola genau, wo sich der Kunde im Geschäft befindet.
• cal Tx Power: Die kalibrierte Sendeleistung wird verwendet, um die Nähe des Beacons zu bestimmen. Wie funktioniert das? cal Tx Power ist die Signalstärke, die genau einen Meter vom Gerät entfernt ist. Sie muss kalibriert und vorkodiert werden. Werkzeuge können dies dann als Grundlage für eine ungefähre Entfernungsschätzung verwenden. val Tx ist nicht mit der Tx-Leistung zu verwechseln. Die erste ist für Apple, während die zweite die tatsächliche Menge der Beacon-Übertragungsleistung ist, die weitgehend von den physischen Einstellungen und Fähigkeiten des Beacons abhängt.

Dies unterscheidet sich etwas von Eddystone, bei dem drei Datenpakete gesendet werden – UID, URL und TLM:

Eddystone‐UID ist 16 Byte lang und in zwei Teile unterteilt:

• Namensraum (10 Byte), sein Zweck ist ähnlich dem iBeacon-UUID. Mit iBeacon weisen Sie in der Regel allen Ihren Beacons einen eindeutigen UUID zu, um sie einfach nach Signalen von anderen zu filtern. Im Eddystone-UID können Sie dasselbe mit dem Namensraum tun.
• Instanz (6 Byte), sie dient dem gleichen Zweck wie der iBeacon von großen und kleinen Zahlen, um Ihre individuellen Beacons zu identifizieren. Bei Estimote-Signalen, welche den Eddystone-UID widerspiegeln, wird die Instanz als String von bis zu 12 Zeichen angezeigt.

Eddystone‐URL
Das Eddystone-URL-Paket enthält eine Feld-URL. Die Größe des Feldes hängt von der Länge der URL ab.

Eddystone‐TLM
Das Eddystone TLM-Paket wurde entwickelt, um vom Piloten mit „Daten“-Paketen (d. h. UID bzw. URL) für Flottenmanagementzwecke verteilt zu werden. Bluetooth-Geräte in der Nähe können diese Pakete lesen und an den Flottenmanagementdienst senden. Beispielsweise kann dieser Dienst den Besitzer des Reiseführers warnen, dass der Akku schwach ist. Das Telemetriepaket besteht aus:

• Akkuspannung, mit welcher der Akkustand des Beacons geschätzt werden kann
• Beacon-Temperatur
• Anzahl der Pakete, die seit der letzten Einschaltung oder dem letzten Neustart des Beacons gesendet wurden, die Betriebszeit des Beacons, d. h. die Zeit, die seit der letzten Einschaltung oder dem letzten Neustart vergangen ist.

Es gibt andere Arten von Protokollen, aber dies sind die beiden wichtigsten Protokolle, die kommerziell verwendet werden. Neben iBeacon und Eddystone gibt es auch Altbeacon (entwickelt von iBeacon nach einem Patentverletzungsverfahren von Radius Networks, d. h. einem offenen Standard). Vor Eddystone arbeitete Google an URI-Flags, einem Standard, der später zum Eddystone-URL-Paket führte. Gegenwärtig ist das Eddystone-Protokoll noch relativ neu und wird sich daher wahrscheinlich rasch in seiner Anwendung und Leistung verbessern. Bitte siehe das Whitepaper „Drahtlose Konnektivitätslösungen für das IoT“, um mehr über BLE zu erfahren.

Forschungsmöglichkeiten für BLE-Beacons

Nach einer langen Studie/Forschung zum Thema BLE-Beacons können wir uns der Machbarkeit und Eignung für IoT-Anwendungen sicher sein. Flexibilität, kostengünstige Hardware und einfache Implementierung mit BLE geben Entwicklern mehr Spielraum und machen die Infrastruktur kostengünstiger und skalierbarer. Ich habe jedoch festgestellt, dass es immer noch einige Unzulänglichkeiten gibt, wie z. B. begrenzte Akkulaufzeit, Interoperabilität zwischen verschiedenen BLE-Profilen, mangelhafte Sicherheit und so weiter. Um die oben genannten Nachteile anzugehen, wurden nach der Erörterung einiger Funktionen von BLE-Beacons zukünftige Forschungsrichtungen vorgeschlagen.

Beacons müssen beide Protokolle (iBeacon und Eddystone) gleichzeitig unterstützen

BLE-Detektorprotokolle unterstützen jeweils nur einen Protokolltyp. Es gibt zwei Frameworks für iBeacon und Eddystone. Die Loggraphen sind unterschiedlich. Einige Entwickler haben Beacons erstellt, um beide Protokolle zu unterstützen, aber in der Praxis können sie jeweils nur ein Protokoll unterstützen. Entwickler oder Benutzer müssen manuell zwischen den Protokollen wechseln. Während die meisten Entwickler diese Schaltungen integrieren, um jedes Protokoll zu erleichtern, muss der Wechsel während der Entwicklungs- oder Konfigurationsphase erfolgen. Wenn ein Trainer mit einem bestimmten Protokoll bereitgestellt wird, ist es sehr schwierig, den Protokollmodus zu ändern. Derzeit gibt es kein spezifisches Design auf dem Markt, das beide Protokolle gleichzeitig unterstützt. In diesem Bereich besteht Forschungs- und Entwicklungspotenzial, um ein Design für BLE-Beacons vorzuschlagen, das beide Protokolle gleichzeitig unterstützt.

Beacons müssen Many-to-Many-Interaktionen durchführen

Im Zeitalter des Internets der Dinge war es wichtig, mehrere Interaktionen in einem bestimmten Bereich mit mehreren Beacon-Bereitstellungen zu haben. In einer Fernlichtinstallationsumgebung ist Interferenz jedoch ein Problem, welche einer reibungslosen, ununterbrochenen Interaktion im Weg steht. In einer solchen Umgebung können sich Signale nur dann gegenseitig stören, wenn sie nahe beieinander liegen. Wir betrachten das oben genannte Problem als Forschungsmöglichkeit, d. h. daran zu arbeiten und ein Design für die BLE-Beacons vorzuschlagen, das die Interaktion zwischen vielen Menschen im Netzwerk ermöglicht.

Energieeffizienz von BLE-Beacons

Bei drahtlosen Sensornetzwerken ist dies möglich, obwohl Geräte mit geringer Leistungsaufnahme eingehend erforscht wurden. BLE-Energy Harvesting ist nur in der Außenumgebung zweckdienlich. In einer Innenumgebung macht es nicht viel Sinn. Eine Untersuchung der Energiespeicherung in Innenumgebungen ist erforderlich. Aufgrund solcher Einschränkungen bei der Energiespeicherung in Innenräumen erfordern IoT-Geräte in der Regel leichte Datenübertragungsprotokolle, welche die Nutzung von Ressourcen sowie den Energieverbrauch optimieren. Der oben genannte Aspekt bietet unserer Meinung nach noch mehr Forschungspotenzial, d. h. wir schlagen die Arbeit und ein Design für Leichtbau-Protokolle in verschiedenen Schichten des IoT-Stacks vor. Ein leichtgewichtiger Ansatz zur Datenübertragung erhöht die Akkulebenszeit des Geräts und reduziert die Latenz, d. h. die QoS (Quality of Service). Der leichtgewichtige Protokollansatz überträgt nur geringe Datenmengen, indem er den Kommunikationsbedarf sowie den Rechenaufwand reduziert und eine geringe Speicherkapazität aufweist. Die Verwendung von Standardprotokollen im aktuellen IoT-System gewährleistet Skalierbarkeit, Interoperabilität und Systemleistung. Daher müssen solche Leichtbau-Protokolle folgende Merkmale aufweisen:

• Kompatibilität mit jedem anderen bereits bestehenden Protokoll
• Flexibilität bei der Implementierung in Beacons, tragbare oder robustere Gateways
• Skalierbarkeit zur Unterstützung seiner Anwendungen in einer neu aktualisierten Plattform

Bessere Entfernungsschätzung

Gemäß den überprüften Studien war es aufgrund der Instabilität der BLE-Signale sehr schwierig, eine genaue Entfernungsschätzung bereitzustellen. Die nächstgelegenen Signalquellen konnten leicht identifiziert werden, da sich die Signalquellen im Gegensatz zu einer Beacon-Infrastruktur nicht in unmittelbarer Nähe zueinander befunden haben. Daher verursacht eine ungenaue RSS-Messung Probleme bei der Entfernungsschätzung der Beacons. Die Schwankung des RSS-Wertes ist eine neue Herausforderung bei der Entwicklung von Beacon-bezogenen Anwendungen. In Zukunft muss die RSS-Messung stabilisiert werden, um eine Schwankung der Entfernungswerte zu vermeiden. Unserer Meinung nach bietet das oben genannte Thema eine Forschungsmöglichkeit, d. h. daran zu arbeiten und das Design von BLE-Beacons vorzuschlagen, die eine bessere Genauigkeitsannahme erzielen werden, da die RSS eines Beacons für verschiedene Geräte unterschiedlich sein wird.

BLE-Beacon-Kit

Das Referenzdesignkit (RDK) für solarbetriebene BLE-Sensor-Beacons CYALKIT-E02 wurde entwickelt, um Ihnen dabei zu helfen, winzige, solarbetriebene IoT-Geräte mit drahtloser BLE-Konnektivität zu erstellen. Das RDK wird mit einem BLE-Solarsensor sowie einer BLE-USB-Brücke und einem Debugging-Board bereitgestellt. Der BLE-Solarsensor basiert auf dem Energy Harvesting-Power-Management-IC (PMIC) der Baureihe S6AE103A und dem EZ-BLE™ PRoC™-Modul von Cypress. Der Sensor wurde entwickelt, um Energie von der Sonne oder Innenbeleuchtung zu gewinnen und ohne Batterie betrieben zu werden.