Bluetooth-Standards und Technologie

Bluetooth für IoT

Bluetooth® ist ein drahtloses PAN-Protokoll (Personal Area Network), das für die Kommunikation über relativ kurze Entfernungen (in manchen Fällen bis zu einem Kilometer) entwickelt wurde, abhängig von Faktoren wie Empfängerempfindlichkeit, Sendeleistung und Antennengewinn. Es arbeitet im 2,4-GHz-Frequenzbereich, der weltweit lizenzfrei ist.

Die Bluetooth-Technologie wurde ursprünglich entwickelt, um die RS-232-Datenkabel zu ersetzen, die für die Verbindung von Computern und Mobiltelefonen mit Zubehör und Peripheriegeräten wie Lautsprechern, Kopfhörern und Tastaturen benötigt wurden. Sie hat jedoch die kühnsten Erwartungen übertroffen und unterstützt heute eine Vielzahl von Anwendungsfällen, von mobilen POS-Systemen über Wearables bis hin zu Verkehrsmanagement und industriellen Anwendungen.

Eine kurze Geschichte von Bluetooth

Die Anfänge von Bluetooth gehen auf das Jahr 1998 zurück, als die Bluetooth Special Interest Group (SIG) ins Leben gerufen wurde, ein gemeinnütziger Wirtschaftsverband, der aus einer Partnerschaft zwischen fünf Unternehmen hervorging: Ericsson, IBM, Intel, Nokia und Toshiba. Das erste kommerzielle Produkt wurde ein Jahr später eingeführt. Dank seiner Bequemlichkeit, Flexibilität und geringen Kosten erfreute sich Bluetooth schnell wachsender Beliebtheit und ist inzwischen fast überall in Verbraucherprodukten wie Mobiltelefonen und Laptops zu finden. Es ist auch ein Standardmerkmal in praktisch allen neuen Autos, um bordeigene Infotainmentsysteme zu unterstützen und dem Fahrer das Telefonieren im Freisprechbetrieb zu ermöglichen.

SIG ist von der ursprünglichen Gruppe von fünf auf mehr als 35.000 Mitgliedsunternehmen weltweit gewachsen, die aus Branchen wie Telekommunikation, Computer, Netzwerke und Unterhaltungselektronik kommen. Der Sitz der Organisation befindet sich in Kirkland, Washington.

Bluetooth-Technologie heute

Nach der breiten Akzeptanz in den Verbrauchermärkten haben neuere Bluetooth-Protokolle dazu geführt, dass die Technologie eine wichtige Rolle im Internet der Dinge (IoT) spielt. Die Entwicklungsplattformen von Digi unterstützen Bluetooth, um sicherzustellen, dass Entwickler diese Technologie problemlos in ihre Designs integrieren können. So ist zum Beispiel die Digi ConnectCore® Familie von System-on-Modulen für Bluetooth-Konnektivität vorzertifiziert. Das Digi XBee® Mobile SDK hilft Kunden bei der Entwicklung von Bluetooth-Anwendungen, die mit Digi XBee 3 Modulen interagieren.

Bluetooth gibt es mittlerweile in drei verschiedenen Protokollen, von denen jedes für bestimmte Anwendungsfälle optimal ist. Und während Bluetooth ursprünglich für kurze Reichweiten konzipiert wurde, sind die neuesten Versionen in der Lage, Signale bis zu einer Meile zu übertragen. Die drei derzeit verfügbaren Protokolle sind: Bluetooth Classic, Bluetooth Low Energy (BLE) und Bluetooth Mesh.

Bluetooth Classic Anwendungsfälle und Anwendungsbeispiele

Das Bluetooth-Classic-Protokoll ist für Geräte konzipiert, die täglich oder wöchentlich aufgeladen werden können, und eignet sich daher am besten für Netzwerke mit begrenzter Größe. Es ist darauf ausgelegt, Daten mit hohem Durchsatz von bis zu 2,1 Mbit/s über kurze Entfernungen zu übertragen. Da Bluetooth Classic ursprünglich entwickelt wurde, um Peripheriekabel mit kurzer Reichweite zu ersetzen, ist es im Allgemeinen nicht skalierbar für IoT Anwendungen wie Sensornetzwerke mit Hunderten von Geräten.

Bluetooth Low Energy (BLE) Einsatzfälle und Anwendungsbeispiele

Bluetooth Low Energy (ursprünglich Bluetooth Smart genannt) unterstützt Verbindungen mit geringer Bandbreite über kurze Entfernungen in Anwendungen, die keine großen Datenströme verarbeiten müssen und bei denen die Batterien möglicherweise Monate oder sogar Jahre halten müssen. BLE wird ständig weiterentwickelt. Mit dem aktuellen Stand von Bluetooth 5.0 ist BLE eines der am weitesten verbreiteten drahtlosen Protokolle, die heute weltweit eingesetzt werden.

Bluetooth Low Energy-Geräte können mit kleinen Münzbatterien betrieben werden. Damit ist BLE eine gute Wahl für Geräte, die nur geringe Datenmengen übertragen und über längere Zeit unbeaufsichtigt laufen müssen. Diese Funktionalität unterstützt eine Reihe von medizinischen Geräten, Wearables und Implantaten, wie Hörgeräte und Defibrillatoren.

BLE ist auch eine beliebte Wahl für Anwendungen wie Ortungsbaken, digitale Waagen, Temperaturmonitore, Beleuchtungssteuerungen und andere batteriebetriebene Anwendungen mit geringer Bandbreite sowie für Verbraucherprodukte wie Haushaltsgeräte, Fitnessmonitore, intelligente Uhren und Fernbedienungen für TV-Set-Top-Boxen. Beaconing in BLE ist für die Unterstützung von Ortungssystemen in Innenräumen gedacht, mit denen Personen ihren Standort in einem Einzelhandelsgeschäft, einem Einkaufszentrum oder einem anderen Gebäude bestimmen können, sowie für die Überwachung der Systemleistung und der Toleranzschwellen.

BLE-Geräte und -Chips können sehr kostengünstig sein. Da es sich um ein Punkt-zu-Punkt-Protokoll handelt, ist die physische Größe von Netzwerken auf die traditionelle Bluetooth-Reichweite von ca. 30 Fuß begrenzt, obwohl diese Metrik aufgrund der bereits erwähnten Faktoren stark variiert. (Eine ausgezeichnete Diskussion der Variablen, die die Bluetooth-Reichweite beeinflussen, finden Sie auf der Bluetooth-Website). Allerdings hat BLE eine viel geringere Bandbreitenkapazität als Bluetooth Classic, wodurch es für das Datenvolumen beim Medien-Streaming ungeeignet ist.

Zu den Entwicklungslösungen von Digi, die Bluetooth Low Energy unterstützen, gehören die Module Digi ConnectCore 6UL, Digi ConnectCore 8X und Digi ConnectCore 8M Nano. Darüber hinaus integrieren Digi XBee 3 Module BLE als drahtlose Konnektivitätsoption für Entwickler, die ihre Anwendungen mit mobilen Geräten verbinden möchten, was die Verwendung eines Telefons oder Tablets zum Einrichten und Testen drahtloser Netzwerke ermöglicht.

Bluetooth Mesh Anwendungsfälle und Anwendungsbeispiele

Das 2017 eingeführte Bluetooth Mesh (BT Mesh) erweitert Punkt-zu-Punkt-BLE, um Mesh-Netzwerke zu schaffen, in denen Knoten als Relais fungieren, um das Netzwerk über die Reichweite eines einzelnen Geräts hinaus zu erweitern. Netzwerke, die als Mesh gebildet werden, können Nachrichten an Ziele weit über ihre nominale Reichweite hinaus weiterleiten und routen und so sehr große physische Netzwerke bilden, die Hunderte von Geräten umfassen können. Die Netzwerke bilden sich selbst und heilen sich selbst, mit Schlafunterstützung für Endgeräte in einer Eltern-Kind-Beziehung ähnlich wie bei Zigbee. Bluetooth Mesh ist außerdem kostengünstig, verbraucht wenig Energie und bietet gute Sicherheit.

Bluetooth-Mesh-Netzwerke sind in der Lage, Hunderte von verbundenen Geräten zu steuern, zu überwachen und zu automatisieren, um intelligente Gebäude und eine Reihe anderer industrieller IoT (IIoT) Anwendungen zu verwalten. Bluetooth Mesh wurde ursprünglich für den Beleuchtungsmarkt entwickelt, und da die Router-Knoten kontinuierlich mit Strom versorgt werden müssen, ist die Beleuchtung eine hervorragende Anwendung, da die meisten Leuchten Zugang zu Dauerstrom haben. Sensornetzwerke können ebenfalls von Bluetooth Mesh unterstützt werden, aber die Sensoren selbst müssen dort implementiert werden, wo eine permanente Stromversorgung verfügbar ist.

Bluetooth für IoT Anwendungen

Bluetooth in seinen verschiedenen Ausprägungen wird heute in einer vielfältigen und wachsenden Anzahl von Anwendungen eingesetzt IoT . Hier sind Beispiele für die vielen Anwendungsfälle von Bluetooth.

• Asset-Tracking und Ortungsdienste: Real-Time Location Service (RTLS)-Lösungen werden für die Verfolgung von Vermögenswerten und Personen eingesetzt, sei es für die Lokalisierung von Geräten und Arbeitern in einer Fabrik oder einem Lager oder von medizinischen Geräten und Personal in einem Krankenhaus.
• Gebäudeautomatisierung: Die drahtlose Bluetooth-Konnektivität in der zentralen Automatisierung wichtiger Gebäudesysteme - einschließlich Beleuchtung, Sicherheit und Heizung, Lüftung und Klimatisierung (HVAC) - kann helfen, Energie zu sparen, Betriebskosten zu senken und die Lebensdauer der Kernsysteme eines Gebäudes zu verlängern.
• Zustandsüberwachung: Sensornetzwerke, die in großem Umfang in einer Fabrikhalle eingesetzt werden, ermöglichen die Überwachung der Systemleistung in Echtzeit, um die Wartung zu reduzieren, die Aktualisierung von Anwendungen zu verbessern und die allgemeine Betriebseffizienz zu erhöhen.
• Tanküberwachung: Bluetooth-Konnektivität ist nützlich für kritische Benachrichtigungen, z. B. bei Tank- und Ventilüberwachungsanwendungen, die Geräte wie Digi Connect® Sensor+ einsetzen. Sie bietet Installateuren, Technikern oder Fahrern vor Ort sofortiges Feedback von Sensorwerten über Bluetooth.
• Intelligente Verkehrsmanagementsysteme (ITS): Bluetooth-Geräte, die in vorbeifahrenden Fahrzeugen erkannt werden, können Informationen wie die Anzahl und Geschwindigkeit der Fahrzeuge auf der Straße liefern, um Anwendungen wie die Aktualisierung der Autobahnbeschilderung in Echtzeit, die adaptive Verkehrssteuerung und die Weiterleitung von Einsatzfahrzeugen zu unterstützen. Das "Bluetooth-Scanning" für diese Anwendungen kann von den Routern Digi TX54 und Digi TX64 durchgeführt werden. Darüber hinaus können Router mit Bluetooth-Fähigkeiten Konnektivität und Datenkommunikation für Wartungsteams von Verkehrssystemen bereitstellen.
• Medizinische Anwendungen: Drahtlose Bluetooth-Funktionen für die Patientenüberwachung und -diagnose machen wichtige Informationen für Pflegekräfte und medizinisches Personal sofort verfügbar. Zu den medizinischen Anwendungsfällen gehören tragbare Geräte, die bei der Diagnose von Krankheiten, der Verabreichung von Medikamenten und der Übertragung von Patienteninformationen helfen.
• Suche nach Kontaktpersonen: Die COVID-19-Pandemie hat gezeigt, dass Technologie dabei helfen kann, die Ausbreitung von Viren zu stoppen. Bluetooth kann die genaue Verfolgung von Kontakten unterstützen, um Daten in Echtzeit zu verfolgen, aufzuzeichnen und zu senden und so eine schnelle Reaktion zu ermöglichen.
• Rideshare- und Mietanwendungen: Mitarbeiter, die Leihfahrräder und -roller in Städten oder Urlaubsgebieten überwachen und warten, können Bluetooth-Anwendungen vor Ort nutzen, um Batterien und andere Systeme zu überprüfen. Der Fahrrad- und Rollerverleih in Städten ist ein weiterer Anwendungsfall, bei dem Digi XBee Mobilfunk LTE-M/NB- IoT Geräte mit Bluetooth-Beaconing eingesetzt werden.
• Solar- und Windparks: Die meisten Solar- oder Windpark-Installationen beinhalten Funkmodule, die an jedem Solarpanel oder jeder Turbine angebracht sind. Mithilfe von Bluetooth können Techniker Messungen vornehmen, um aktuelle Werte, die Produktivität oder den Servicebedarf zu beurteilen.
• Ticket-Validierungssysteme: Bei Sportveranstaltungen, Konzerten und anderen Events mit großen Menschenmengen können mit Bluetooth ausgestattete Lesegeräte eingesetzt werden, um Tickets mit Barcodes oder QR-Codes zu validieren.
• Wegweiser: Bluetooth-Innenraum-Positionierungssysteme (IPS) sind schnell zum Standard geworden, wenn es darum geht, die Probleme der GPS-Abdeckung in Innenräumen zu überwinden, und helfen Besuchern, sich in großen öffentlichen Räumen zurechtzufinden, von Flughäfen und Bahnhöfen bis hin zu Museen und Sportstadien.

Erstellung von Bluetooth-Anwendungen mit dem Digi XBee Mobile SDK

Die Digi XBee 3 Serie von Mobilfunk Modems enthält integriertes Bluetooth Low Energy für die lokale Konfiguration und Steuerung über mobile Geräte. Digi bietet das Digi XBee Mobile SDK (Software Development Kit) an, um Ingenieuren zu helfen, das Design und die Entwicklung von Bluetooth-Anwendungen mit XBee zu beschleunigen. Das Digi XBee Mobile SDK ist eine Reihe von Bibliotheken, Codebeispielen und Dokumentationen, die den Prozess der Erstellung von iOS- und Android-Mobilanwendungen, die mit Digi XBee 3-Modulen über Bluetooth interagieren, vereinfachen.

Das Hinzufügen von Bluetooth zu einer IoT Anwendung bringt einen enormen Mehrwert für die Inbetriebnahme, Konfiguration und Fehlersuche in einem Netzwerk. Die Erstellung einer mobilen App zur Integration einer IoT Anwendung und eines mobilen Geräts kann jedoch schwierig sein, da komplexe Authentifizierungs- und Verschlüsselungsvorgänge bei der Entwicklung einer Bluetooth-fähigen mobilen App erforderlich sind. Das Digi XBee Mobile SDK bietet die Unterstützung, um diese Prozesse zu vereinfachen und zu beschleunigen.

Bluetooth Wachstum und Zukunftschancen

Laut dem Bluetooth Market Update 2021 der Bluetooth SIG wird erwartet, dass die Bluetooth-Technologie bis 2025 jährlich in mehr als 6 Milliarden Geräten eingesetzt wird. Der Bericht besagt, dass die wichtigsten Bluetooth-Anwendungsfälle und Marktanforderungen heute Audio-Streaming, Datenübertragung, Standortdienste und Gerätenetzwerke umfassen. Zusätzlich prognostiziert die Organisation:

• 10% CAGR zwischen 2021 und 2025
• 70 % der Bluetooth-fähigen Geräte im Jahr 2025 werden Peripheriegeräte sein
• 3-faches Wachstum der jährlichen Auslieferungen von Single-Mode-Bluetooth-LE-Geräten von 2021 bis 2025

Jedes Unternehmen, das drahtlose Verbindungen entwickelt, baut oder nutzt ( IoT ), muss Bluetooth in seine kurz- und langfristige Planung einbeziehen. Zugegeben, Bluetooth ist nur eine von mehreren drahtlosen Technologien auf dem Markt. Da jedoch so viele Branchen die Vorteile dieser Technologie nutzen - wie z. B. Kosteneffizienz, Sicherheit und Benutzerfreundlichkeit - ist es für jedes Unternehmen wichtig, potenzielle Anwendungsfälle für die Bluetooth-Integration zu evaluieren, um neue Funktionen und die Rentabilität zu steigern.

Wenden Sie sich noch heute an Digi, um zu besprechen, wo Bluetooth in Ihrem nächsten Projekt ( IoT ) hingehört, oder um Unterstützung bei Design und Entwicklung zu erhalten, um Ihre Idee auf den Markt zu bringen.