Die Evolution von Bluetooth

Drahtlose Lösungen, Teil 2

Vor über einem Jahrtausend war König Harald I. Gormson für zwei Dinge bekannt; für die Vereinigung von Dänemark und Norwegen im Jahr 958, und für seinen abgestorbenen Zahn, der gräulich-blau gewesen sein soll. Springen wir ins Jahr 1996, als sich drei Marktführer – Ericsson, Intel und Nokia – zusammen finden, um die Standardisierung einer neuen Kurzstrecken-Funktechnologie zu beschließen. Währen des Treffens schlägt Jim Kardash von Intel vor, den Namen „Bluetooth“ – Englisch für Blauzahn – vorübergehend als Codenamen für das Projekt zu verwenden Später wurde er mit folgenden Worten zitiert: „König Harald Blauzahn […] war dafür bekannt, Skandinavien vereinigt zu haben, ebenso wie wir es uns vorgenommen haben, die Computer- und Mobilfunkindustrien mittels einer Kurzstrecken-Drahtlosverbindung zusammenzuführen.“

Wie wir heute wissen, blieb der Name am Ende doch. Heute stehen Bluetooth und all seine Varianten für die Kurzstrecken-Funktechnologie schlechthin, die bisher in mehr als 8,2 Millionen Produkte von über 30.000 Bluetooth-SIG-Mitgliedern integriert wurde. Diese stromsparende Drahtlostechnologie dient für das Streamen von Audiodateien, die Übermittlung von Daten und die Übertragung von Informationen zwischen verschiedenen Geräten. Bluetooth ist in zwei verschiedenen Protokollstapeln erhältlich: Basic Rate/Enhanced Data Rate (BR/EDR) und Low Energy (LE).

Aktuelle Bluetooth-Hierarchie

Nach einem langen Entwicklungsprozess ist Bluetooth mittlerweile in zwei Protokollstapeln verfügbar – als Basic Rate/Enhanced Data Rate (BR/EDR) und als Low Energy (LE).

Bluetooth BR/EDR ermöglicht eine durchgängige Drahtlosverbindung und verwendet eine Punkt-zu-Punkt-Netzwerktopologie (P2P) für eine One-to-One-Gerätekommunikation (1:1). BR/EDR-Audiostreaming kommt häufig in drahtlosen Lautsprechern, Headsets und Freisprecheinrichtungen zum Einsatz.

Bluetooth Low Energy (LE) ermöglicht kurz andauernde Drahtlosverbindungen und nutzt verschiedene Netzwerktopologien, darunter Punkt zu Punkt (P2P), Broadcast und Mesh.

P2P dient dazu, eine One-to-One-Gerätekommunikation (1:1) zu schaffen. Es ist ideal für die Datenübertragung geeignet und mit vielen Produkten für vernetzte Geräte, wie z. B. Fitnesstrackern und Gesundheitsmonitoren, kompatibel. Broadcast ist eine Netzwerktopologie, die eine One-to-Many-Kommunikation (1:m) gewährleistet. Sie optimiert den lokalisierten Informationsaustausch und ist somit ideal für Lösungen wie Point-of-Interest-Daten (PoI) sowie Such- und Orientierungsdienste geeignet.

Mesh ist eine Netzwerktopologie, die eine Many-to-Many-Kommunikation (m:m) gewährleistet. Bluetooth LE Mesh erzeugt groß angelegte Gerätenetzwerke, die sich auf die Anwendungen wie Gebäudeautomatisierung, Sensorennetzwerke, Nachverfolgungssysteme und weitere Lösungen, bei denen mehrere Geräte zuverlässig und sicher miteinander kommunizieren können müssen, zuschneiden lassen.

Von diesen beiden Standards ist LE für Hersteller und Integratoren, die Bluetooth-fähige IoT-Sensoren entwickeln und einsetzen möchten, besonders wichtig, da dieser Protokollstapel stromsparende Eigenschaften aufweist. Für Sensorknoten, die mithilfe von Batterien und/oder Umweltenergie betrieben werden, ist dies ein entscheidender Faktor.

Die Evolution von Bluetooth

Bluetooth hat sich von den Versionen 1.0, 1.2, 2.0, 2.1, 3.0, 4.0, 4.1 und 4.2 bis hin zur aktuellen Version 5 entwickelt.

Der sogenannte „Bluetooth-Report“ beschreibt, wie die Bluetooth Special Interest Group (SIG) diese Entwicklung vorangetrieben hat. Darin wird erklärt, wie Version 2 Funkstörungen mithilfe von Frequenzsprungverfahren beseitigt und zuverlässig vor Snooping- und Tracking-Angriffen schützt.

Bluetooth 2.0 unterschied sich insofern von 1.2, als dass nun sowohl eine schnellere Verbindung als auch ein geringerer Stromverbrauch ermöglicht wurden. Version 2.1 wurde im Jahr 2007 herausgegeben und konnte mit mehr Sicherheit bei der Datenübertragung, einem noch geringeren Stromverbrauch sowie einem optimierten Peering-System aufwarten, welches keine PIN erforderte. 2009 wurde mit Bluetooth 3.0 erstmals die Möglichkeit zur Verbindung per Wi-Fi angeboten, was für eine schnellere Datenübermittlung sorgte. Die Version 4.0 stellte Bluetooth anschließend die Spielregeln neu auf, indem das Low Energy-Konzept mit den dazugehörigen Funktionen eingeführt wurde. Diese Funktionen ermöglichten im Gegensatz zu den Vorgängerversionen, dass Bluetooth LE in verschiedenste IoT-Sensoren integriert werden konnte, darunter auch Fernbedienungseinrichtungen, die mithilfe von Knopfzellenbatterien oder Umweltenergie betrieben werden. Diese Optionen werden im Abschnitt „Bluetooth 4.0 LE-Plattform“ weiter unten beschrieben.

Die Bluetooth 4.0 LE-Plattform

Bluetooth 4.0, auch Bluetooth Smart genannt, löst zwei der größten Herausforderungen für Bluetooth-Anwendungen: das oben bereits erwähnte Problem der Batterielebensdauer, als auch das laufende Peering und Re-Peering von verbundenen Geräten. Bluetooth-Technologien der neuen Generation legen den Fokus weniger auf die Aufrechterhaltung eines durchgehenden Informationsflusses. Stattdessen werden bei Bedarf einfach kleinere Datenmengen übermittelt, bevor die Verbindung bei Nichtbenutzung in den Ruhemodus versetzt wird.

Zusätzlich dazu ermöglicht Bluetooth 4.0 es Geräteherstellern, proprietäre Sensortechnologien mit Bluetooth zu ersetzen. Das bedeutet beispielsweise, dass ein Schrittzähler oder ein Blutzuckermessgerät, die zuvor nur mit einem bestimmten am Handgelenk getragenen Gerät oder einer bestimmten Steuereinheit kompatibel waren, bei einer Erweiterung um Bluetooth 4.0 problemlos mit jedem Bluetooth-fähigen Telefon oder Computergerät kommunizieren kann.

Wenn zwei 4.0-Geräte gekoppelt werden, verbrauchen sie weniger Batteriestrom, da die Verbindung nur für die Übermittlung kritischer Daten eingeschaltet wird. Bei der vorherigen Bluetooth-Generation war es unter Benutzern gängig, nicht genutzte Hardware auszuschalten, um Batterieleistung zu sparen. Die Bluetooth Special Interest Group schätzt, dass einige Geräte dank Bluetooth 4.0 nun auf eine Batterielebensdauer von ein bis zwei Jahren kommen.

Bluetooth Smart ist sowohl in Bluetooth Smart Ready als auch in Bluetooth Smart-Geräten integriert. Bluetooth Smart Ready wurde für Smartphones, Laptops und PCs entwickelt, die Signale von Bluetooth-Sensoren empfangen und diese Daten intern verarbeiten oder sie über eine Wi-Fi- oder Ethernetverbindung durch das Internet oder in die Cloud weiterleiten können. Bei Geräten mit Bluetooth Smart handelt es sich um die Sensoren oder Betätigungselemente, die Daten im Feld sammeln oder empfangen. Sie können über längere Zeiträume im Ruhemodus bleiben, ohne dabei die Verbindung mit einem Smart Ready-Gerät zu unterbrechen. Verändert sich eine überwachte Variable erheblich, fahren die Geräte sofort hoch und beginnen mit der Datenübertragung.

Telefone und PCs mit Smart Ready sind abwärtskompatibel mit Bluetooth-Peripheriegeräten der Vorgängergeneration. Peripheriegeräte mit Smart können jedoch nur mit einem Gerät mit Smart Ready genutzt werden.

Abb. 1: Bluetooth Smart-Logo – Bild von Wikimedia Commons

Projekte für BLE

Silicon Labs hat ein detailliertes Whitepaper mit dem Titel „Designing for Bluetooth Low Energy“ (Deutsch: Projekte für Bluetooth Low Energy) herausgegeben. Weiter unten fassen wir einige der wichtigsten Punkte dieses Whitepapers für Sie zusammen, bevor wir uns mit den evolutionären Verbesserungen der BLE 4.0-Plattform – den Versionen 4.1, 4.2 und 5.0 – auseinandersetzen.

Übersicht über die Vorteile von BLE

Neben einem geringeren Stromverbrauch bietet BLE zudem folgende Vorteile:

Geringere Kosten
Zuverlässig und robust mit adaptivem Frequenzsprungverfahren (AFH), Weiterübertragungen und zyklischen Redundanzprüfungen (CRCs)
Sicher: Peering, Bonding, Datenschutz, „Man-in-the-Middle“-Schutz, AES-128-Verschlüsselung
Unterstützt eine schnelle Entwicklung:

Standardisierte Profile zur Abdeckung wichtiger Anwendungsbereiche (Puls-, Näherungs-, Blutzuckermessungen, etc.)
Profile können als Anwendungen entwickelt werden, was eine schnelle Bereitstellung ermöglicht
Dank anbieterspezifischer Profile ist es nicht erforderlich, auf eine Standardisierung von Profilen durch die Bluetooth SIG oder eine entsprechende Integration durch Betriebssystementwickler zu warten

Großflächig einsetzbar; wird von großen Plattformen wie iOS, Android 4.3, Windows 8 und 10, OSX sowie Linux unterstützt

Überblick über Bluetooth Low Energy-Architektur

Abb. 2: Bluetooth Low Energy-Architektur – Bild von Silicon Labs

Hier die Bauelemente:

Physische Ebene: steuert die Funkübertragung/den Datenempfang.
Link-Ebene: definiert die Paketstruktur, bezieht die Statusmaschine und Funksteuerung ein und gewährleistet eine Verschlüsselung auf Link-Ebene.

Diese beiden Ebenen werden oft zu einem Controller zusammengefasst, während die übrigen Ebenen den Host darstellen. Eine Host-to-Controller-Schnittstelle (HCI) standardisiert die Kommunikation zwischen dem Controller und dem Host.

Übersicht über die Bauelemente auf Host-Ebene

Das L2CAP (Logical Link Control and Adaption Protocol) dient als Protokollmultiplexer und kümmert sich um die Segmentierung und die Neuzusammenfügung von Paketen. Es stellt zudem Logikkanäle bereit, die über mindestens eine logische Verknüpfung gebündelt sind. In der Regel müssen sich Entwickler keine Gedanken über die Interaktion mit der L2CAP-Ebene machen, da diese vom Bluetooth-Stack übernommen wird.

Das ATT (Attribute Protocol) übermittelt Daten zwischen verschiedenen Bluetooth-Geräten.

Das GATT (Generic Attribute Profile) dient dazu, einzelne Attribute in logische Dienste einzuteilen, z. B. einen Herzfrequenz-Dienst, der den Betrieb eines Herzfrequenzsensors abbildet. Zusätzlich zu den tatsächlichen Daten liefert das GATT auch Informationen zu den Attributen, z. B. wie Benutzer auf diese zugreifen können und welche Sicherheitsmaßnahmen erforderlich sind.

Das GAP (Generic Access Protocol) ermöglicht es BLE-Geräten, sich selbst oder andere Geräte anzumelden, Geräte zu finden, Verbindungen zu öffnen und zu verwalten und Daten zu übermitteln.

Der SM (Security Manager) bietet die Möglichkeit, Geräte zu verbinden, Daten zu ver- und entschlüsseln und den Datenschutz für Geräte zu aktivieren.

Die physische Ebene und die Verknüpfungsebene

Die physische Ebene läuft im 2,4-GHz-ISM-Band („Industrial, Scientific and Medical“, Deutsch: Industrie, Wissenschaft und Medizin), welches in den meisten Ländern lizenzfrei erhältlich ist. Die BLE-Spezifikation definiert 40 HF-Kanäle mit einem Kanalabstand von 2 MHz. Bei dreien der 40 Kanäle handelt es sich um Anmeldekanäle (abgebildet in Grün), die für die Gerätesuche, den Verbindungsaufbau und die Übertragung verwendet werden. Die Frequenzen der Anmeldekanäle werden so ausgewählt, dass Störungen der IEEE 802.11-Kanäle 1, 6 und 11, die in vielen Ländern am häufigsten genutzt werden, minimiert werden.

Abb. 3: Bluetooth Low Energy-Kanäle und -Frequenzen – Bild von Silicon Labs

Die Bluetooth-Verknüpfungsebene stellt die erste Steuerungs- und Datenstrukturebene über dem einfachen Funkbetrieb sowie der Übertragung und dem Empfang von Bitströmen dar:

Bluetooth Low Energy-Zustandsmaschine und -Zustandsübergang
Daten- und Anmeldepaketformate
Betrieb der Verknüpfungsebene
Verbindungen, Paket-Timings, Weiterübertragungen
Sicherheit auf der Verknüpfungsebene

Anwendungsentwickler müssen diese nicht vollständig nachvollziehen können, jedoch betreffen einige grundlegende Konzepte das Anwendungsdesign, die Entwicklung und den Betrieb des Endgeräts. Diese werden weiter unten zusammengefasst.

Die grundlegenden Vorgänge auf Verknüpfungsebene umfassen:

Anmeldung
Scanning
Verbindungsaufbau

Die Anmeldung ist ein grundlegender Vorgang, bei dem Geräte ihre Anwesenheit übermitteln und es anderen Geräten so ermöglichen, sie zu finden und eine Verbindung herzustellen. Bei Bedarf können Daten, wie z. B. eine Liste unterstützter Dienste oder der Gerätename und die TX-Leistungsebene, übermittelt werden. Dieser Vorgang wird durch ein Scanning ergänzt, wobei ein Scanner nach eingehenden Anmeldeversuchen sucht, ggf. eine Verbindung aufbaut oder einfach nur Daten von den entsprechenden Geräten empfängt. Es werden sowohl das passive als auch das aktive Scanning unterstützt, wobei entweder aktiv oder passiv nach Signalen gesucht wird.

Der Verbindungsaufbau ermöglicht es, Anwendungsdaten auf zuverlässige und robuste Weise zu übermitteln, da Bluetooth Low Energy-Verbindungen CRCs, Bestätigungen und Weiterübertragungen verlorener Daten verwenden, um eine ordnungsgemäße Datenübermittlung sicherzustellen. Zusätzlich dazu nutzen Bluetooth Low Energy-Verbindungen das adaptive Frequenzsprungverfahren (AFH), um HF-Bedingungen in der Umgebung aufzuspüren, sich diesen anpassen und eine zuverlässige physische Ebene bereitzustellen. Verbindungen unterstützen zudem die Verschlüsselung und Entschlüsselung von Daten, um deren Geheimhaltung sicherzustellen.

Profile

Profile sind Definitionen möglicher Anwendungen und geben allgemeine Verhaltensweisen an, die Bluetooth-fähige Geräte für die Kommunikation mit anderen Bluetooth-Geräten nutzen. Profile bauen auf Bluetooth-Standards auf, um deutlicher zu definieren, welche Daten ein Bluetooth-Modul übermittelt. Die Geräteanwendung bestimmt, welche Profile es unterstützen muss, angefangen bei der Freihandbedienung, über Herzfrequenzsensoren, bis hin zu Alarmsignalen.

Ein Bluetooth-Profil ist damit so etwas wie eine Schnittstellenspezifikation. Es legt fest, über welche Daten ein Gerät verfügt, was andere Geräte über eine Bluetooth-Verbindung mit diesen Daten anfangen können und wie das Gerät mit dem Profil reagieren soll, wenn ein vernetztes Gerät seine Daten nutzt.

Für Bluetooth LE können Entwickler eine umfassende Auswahl an Profilen verwenden oder anhand des Generic Attribute Profile (GATT) neue Profile erstellen. Diese Flexibilität fördert innovative neue Anwendungen, die eine Kompatibilität mit anderen Bluetooth-Geräten sicherstellen.

Auf der Webseite von Bluetooth finden Sie viele weitere detaillierte Informationen zu verschiedensten Profilen.

Weiterentwicklung und Verbesserungen nach LE 4.0

Silicon Labs hat einen Beitrag verfasst, der die Weiterentwicklung von Bluetooth 4.0 über 4.1 und 4.2 bis hin zu 5 beschreibt. Untenstehend fassen wir die wichtigsten Punkte dieses Beitrags für Sie zusammen.

Bluetooth 4.1 weist der Version 4.0 gegenüber drei wichtige Vorteile auf:

Keine Überlappung oder Störsignale in Verbindung mit 4G
Verbessertes Geräte-Power-Management durch ein Peering, das ein automatisches Ein- und Ausschalten ermöglicht
Geräte können gleichzeitig als Hubs und als Endpunkte eingesetzt werden, damit Peripheriegeräte unabhängig voneinander kommunizieren können

Bluetooth 4.2 wurde im Jahr 2014 für IoT-Geräte der nächsten Generation herausgegeben. Zu den Funktionen gehörten:

Eine verbesserte Internetverbindung und erhöhte Sicherheitsmaßnahmen
Eine fast 10-mal höhere Paketkapazität gegenüber Version 4.1
Eine um den Faktor 2,5 höhere Datenübertragung
Diese letzten beiden Verbesserungen gestalten die Kommunikation zwischen Geräten sowie die Verbindung über das Internet effizienter und ermöglichen regelmäßigere Firmware-Updates sowie schnelle Uploads von Sensordatenprotokollen auf Smartphones, in die Cloud oder auf einen Zwischenspeicher auf dem Server oder Router eines ISP-Anbieters.

Bluetooth 5.0 bietet eine höhere Durchsatzrate, eine geringere Latenz, eine größere Reichweite, einen breiteren und flexibleren Internetprotokollzugriff sowie eine Mesh-Routing-Funktion. Zu den Eigenschaften zählen:

Eine bis zu doppelt so große Bandbreite wie Bluetooth 4.2

Eine auf 2 Mbit/s erweiterte Bandbreite
Schnelle und zuverlässige Over-the-Air-Firmware-Updates sowie ein schneller Upload größerer Datenmengen über einen Sensor, wenn ein mobiles Gerät eingeschaltet ist

Eine bis zu viermal so große Reichweite wie Bluetooth 4.2

Kommt auf eine bis zu viermal größere Reichweite bei ähnlichem Stromverbrauch durch eine Reduzierung der Bandbreite; theoretisch bedeutet das bis zu 300 Meter, in einigen Fällen sogar mehr
Kann einen ganzen Haushalt, ein ganzes Gebäude oder sogar eine ganze Lokalität abdecken
Ermöglicht Entwicklern die flexible Auswahl zwischen Reichweite, Geschwindigkeit und Energiebedarf

Eine bis zu achtmal so hohe Nachrichtenkapazität bei der Datenübermittlung gegenüber der Version 4.2; Unterstützung für größere Datenpakete; Fähigkeit, Anmeldedaten von den drei üblichen Anmeldekanälen an bis zu 37 Übermittlungskanäle zu übertragen. Durch die geringere erforderliche Übermittlungsdauer für den Abschluss von Aufgaben werden umfassendere verbindungsfreie Bluetooth-Lösungen mit neuen Schwellenwertfunktionen wie Nachverfolgungssysteme ermöglicht.
Erkennen und verhindert Störungen zwischen dem 2,4-GHz-ISM-Band und angrenzenden LTE-Bändern
Mesh-Networking: Eine Funktion, die besonders für IoT-Anwendungen wichtig ist. In einem Mesh-Netzwerk sind Geräte nicht nur an einen zentralen Hub gebunden, sondern können auch untereinander kommunizieren. Das bedeutet, dass die Größe und die abgedeckte Fläche des Netzwerks nahezu unbegrenzt sind. Anwendungen wie z. B. Fertigungshallen mit Hunderten von Sensoren können hier entsprechend eingerichtet werden.

Evaluierung von Bluetooth und Entwicklungsprodukte

Farnell bietet eine große Auswahl an Bluetooth-fähigen Development Kits und Modulen von vielen verschiedenen Halbleiterproduzenten an. Diese verfügen über vielfältige Rechen-, Kommunikations- und I/O-Eigenschaften und dienen dazu, Entwicklern die Integration von Bluetooth in ihre Produkte zu erleichtern. Hier einige Beispiele:

Entwicklungsbeispiel Nr. 1: Bluetooth LE-fähiges Evaluationsmodul für Entwickler

TI bietet mit seinem Evaluationsmodulkit der Baureihe CC2541 ein Produkt an, das als Referenzplatine für die Prototypenerstellung genutzt werden kann. Es baut auf einem System-on-Chip (SoC) der Baureihe CC2541 auf, welches die Entwicklung robuster Netzwerkknoten bei geringen Stücklistenkosten ermöglicht. Enthalten ist ein HF-Transceiver, eine verbesserte 8051-MCU, ein programmierbarer Flash-Speicher, 8 KB RAM sowie weitere unterstützende Eigenschaften und Peripheriefunktionen. Das Kit eignet sich vor allem für Systeme, bei denen ein geringer Stromverbrauch im Mittelpunkt steht.

Das Kit beinhaltet zwei Evaluationsmodule der Baureihe CC2541; eines ist als zentrales Gerät bereits vorkonfiguriert, das andere dient als Peripheriegerät. Es wurde als Erweiterung des Development Kits der Baureihe CC2540 konzipiert, welches eine umfassende Hardware-Plattform für Funktionstests sowie eine allgemeine Software-Entwicklungsumgebung für Single-Mode-Anwendungen mit Bluetooth Low Energy bietet.

Entwicklungsbeispiel Nr. 2: Bluetooth Low Energy-Modul mit integrierter Chip-Antenne

Das BLE112-A-V1 ist ein Bluetooth Smart-fähiges Modul mit einer integrierten Chip-Antenne sowie der Software-Version 1.0. Damit richtet sich das Gerät speziell an Leistungssensoren und -zubehör. Es verfügt über alle Funktionen, die für Bluetooth Smart-fähige Anwendungen erforderlich sind, darunter Bluetooth-Funk, ein Software-Stack sowie GATT-basierte Profile. Das BLE112 Bluetooth Smart-fähige Single-Mode-Modul kann zudem als Host für Endbenutzeranwendungen eingesetzt werden. Dadurch ist kein externer Mikrocontroller in platz- oder kostenkritischen Anwendungen erforderlich.

Es verfügt über flexible Hardware-Schnittstellen für unterschiedliche Peripheriegeräte und Sensoren und kann mithilfe einer handelsübliche 3-V-Knopfzellenbatterie oder zwei AAA-Batterien betrieben werden. Im tiefsten Ruhemodus kommt der Baustein auf einen Stromverbrauch von lediglich 500 nA und fährt dennoch innerhalb weniger hundert Mikrosekunden wieder hoch.

Zu den Anwendungsbereichen zählen Drahtlosgeräte, Datenübertragung und Netzwerke, Sensorik und Messgeräte, Verbraucherelektronik, Medizintechnik und Sicherheitslösungen.

Abb. 4: Bluetooth Low Energy-fähiges Modul von Silicon Labs mit integrierter Chip-Antenne

Entwicklungsbeispiel Nr. 3: Einrichtung von haptischem Feedback mit BLE und iOS

Es gibt viele Geräte, die von haptischem Feedback (Vibrationen) profitieren können. Dazu gehören beispielsweise Uhren, Fitnesstracker, Wearables, tragbare medizintechnische Geräte, HMIs und vieles mehr. Die Vibration wird in der Regel mithilfe eines ERM-Motors (exzentrische Rotationsmasse) oder eines LRA-Aktuators (linear resonanter Aktuator) erzeugt.

Farnell bietet Kunden ein Referenzdesign, das die Prototypenerstellung solcher Anwendungen ermöglicht. Die Platine ist mit einem haptischen ERM- und LRA-Treiber mit einer integrierten und vorlizensierten Effektbibliothek von Immersion ausgestattet. Sie lässt sich so programmieren und steuern, dass sie Effekte und Benachrichtigungen mithilfe der dazugehörigen iOS-App über eine Bluetooth Low Energy-fähige (BLE) drahtlose MCU der Baureihe CC2541 von SimpleLink wiedergibt.

Zudem bietet die App die Möglichkeit, direkte I2C-Befehle zu übermitteln. Die Platine kann außerdem so eingerichtet werden, dass die auf einen GPIO-Trigger reagiert.

Entwicklungsbeispiel Nr. 4: Evaluationsmodul for Sensor-, Navigations- und Positionsanwendungen sowie für 3-Achsen-Beschleunigungsmesser/-Magnetometer/-Gyroskope

Die FRDM-FXS-MULT2-B ist eine Freedom-Erweiterungsplatine, die die Sensor-Fusion mithilfe eines 3-Achsen-Beschleunigungsmessers der Baureihe MMA8652FC, eines 3-Achsen-Beschleunigungsmessers der Baureihe FXLS8471Q, eines 3-Achsen-Magnetometers der Baureihe MAG3110, eines 3-Achsen Gyroskops der Baureihe FXAS21002C, eines Drucksensors der Baureihe MPL3115A2 und eines 3-Sachsen Beschleunigungsmessers der Baureihe FXOS8700CQ sowie einer Sensorplattform der Baureihe MMA9553L ermöglicht. Die Platine ist mit einem 12-Achsen-Sensor ausgestattet und bietet die drahtlose Datenübertragung über Bluetooth und eine kompatible Android™-App, die sogenannte Sensor Fusion Toolbox. Zudem wird die Platine durch das Intelligent Sensing Framework (ISF) unterstützt.

Zu den möglichen Einsatzbereichen gehören Industrieanwendungen sowie Messtechnikprodukte.

Abb. 5:Bluetooth-fähige 12-Achsen-Sensor-Evaluationsplatine von NXP

Hinweis für Systemintegratoren: Bei der Auswahl von Geräten wie dem CC2541 ist es nützlich, auf eine I2C-Schnittstelle zu achten, da diese die Integration in größere Systeme vereinfacht. Die meisten CPUs sind mit I2C-Anschlüssen ausgestattet. Alternativ ist die Nutzung eines USB-Anschlusses möglich, der jedoch mehr Platz erfordert und zusätzliche Kosten verursacht.

Zusammenfassung

Seit seiner Anfänge im Jahr 1996 hat sich Bluetooth in Milliarden Anwendungen auf der ganzen Welt etabliert – das wird vor allem daran deutlich, wie gängig der Name mittlerweile ist. Erst mit der Version Bluetooth 4.0, auch als Bluetooth Low Energy bekannt, die im Juni 2010 auf den Markt kam, wurde die Technologie jedoch zu einer attraktiven Lösung für völlig neue Produkt- und Anwendungsbereiche. Vor allem IoT-fähige Sensoren mit stark eingeschränkten Leistungsbudgets haben hiervon profitiert.

Mit der Entwicklung von Bluetooth hin zur Version 5.0 konnte Bluetooth Low Energy in vielerlei Hinsicht weiter optimiert werden. So weist die Technik mittlerweile eine verbesserte Datenkapazität, eine größere Bandbreite, eine größere Übertragungsreichweite, reduzierte Interferenzen mit anderen drahtlosen Diensten, eine erhöhte Internetsicherheit und -konnektivität sowie Mesh-Networking auf.

In diesem Artikel haben wir Bluetooth aus Entwicklersicht betrachtet. Wir haben mehr darüber erfahren, wie sich die Technologie im Laufe der Zeit verändert hat, und einen genaueren Blick auf die Bausteine von Bluetooth Low Energy geworfen. Anschließend haben wir einige praktische Beispiele für Bluetooth-fähige Development Kits und Module aufgeführt, die darlegen sollen, wie Entwickler bei der Integration von BLE in eigene Produkte ihre Lernkurve beschleunigen und Markteinführungszeiten reduzieren können.