Acum citiți
Electronica-Azi nr. 223
Aprilie 2018

Bluetooth® 5 și Bluetooth mesh: permit utilizarea în aplicații pentru Industry 4.0

3 APRILIE 2018

În decembrie 2016, consorțiul Bluetooth (Bluetooth Special Interest Group, SIG) a lansat Bluetooth 5, cea mai recentă versiune a specificațiilor Bluetooth. Cea de a cincea revizuire include un număr de îmbunătățiri inovatoare. Suplimentar specificațiilor Bluetooth 5, în iunie 2017, consorțiul a lansat și specificațiile pentru Bluetooth mesh. Bluetooth mesh este o îmbunătățire software care poate rula pe orice soluție Bluetooth de joasă energie; ea nu necesită Bluetooth 5. Caracteristicile oferite de Bluetooth 5 și Bluetooth mesh sunt cele mai importante îmbunătățiri ale tehnologiei Bluetooth, de la lansarea sa din 1998. Ele vor permite o serie întreagă de noi cazuri de utilizare, unele dintre acestea relevante în special pentru aplicații industriale IoT.

Bluetooth 5
Bluetooth 5 oferă trei îmbunătățiri majore de carac­teristici comparativ cu versiunile anterioare: o viteză de transfer de date dublă (de la 1 Mbps la 2 Mbps), rază de acțiune de patru ori mai mare și o dimensiune de pachet de publicitate de opt ori mai mare (marcaje).

Viteză de transfer de date crescută
Viteza de transfer de date fizică de 2 Mbps (PHY) dublează cantitatea de date ce poate fi transferată pe secundă, comparativ cu versiunea precedentă a specificațiilor. În vreme ce trimiterea datelor utilizând Bluetooth 5 consumă puțin mai multă ener­gie față de versiunea anterioară, timpii de transmisie sunt reduși la jumătate. Ca rezultat, aceeași cantitate de date poate fi transmisă cu numai puțin peste 50% din energia totală necesitată de Bluetooth v4.2. Pe lângă viteze mai mari de transmisie a datelor, timpii de transmisie mai mici conduc la îmbună­tățirea coexistenței cu alte semnale radio 2.4 GHz (inclusiv alte conexiuni Bluetooth de joasă energie) de vreme ce radioul este activ pentru a durată mai mică de timp.

Figura 1: Consumul energetic al Bluetooth 5, 2Mbit/s, PHY.

Rază de acțiune extinsă
Prin extinderea razei de acțiune a semnalelor Bluetooth, Bluetooth SIG caută să extindă limitele Bluetooth de joasă energie pentru a acoperi întreaga casă. Cele două noi opțiuni de modulație, 125kbps și 500kbps, extind raza de acțiune de patru ori față de specificațiile curente ale Bluetooth de joasă ener­gie. În spațiu liber, raza de acțiune a semnalelor Bluetooth se așteaptă a depăși 1 km utilizând același nivel de energie. Specificația Bluetooth 5 crește și mai mult puterea maximă de ieșire, la 20dBm comparativ cu cea de astăzi de 10dBm. Acest lucru permite distanțe chiar și mai mari între dispozitive Bluetooth 5, desigur cu costul unui consum energetic crescut.
Automatizarea casnică este în mod evident o apli­cație țină cheie pentru direcția de dezvoltare a Bluetooth SIG. Acest lucru este în mod clar indicat de faptul că doi noi membri ai conducerii Bluetooth SIG provin de la Philips Lighting și Google Nest. Jucători cheie în industria automatizării casnice privesc cu interes adoptarea Bluetooth de joasă energie pentru a conecta dispozitivele pe care le dezvoltă.

Marcaje mai bogate
A treia nouă caracteristică a Bluetooth 5 este extinderea capabilității de publicitate. Introdusă pentru prima oară în Bluetooth de joasă energie, publicitatea permite nodurilor senzoriale de joasă putere să semnalizeze “Am noi date” către o unitate centrală. Dacă dispozitivul central este interesat în acele date, el inițiază o conexiune pe durata căreia schimbă date cu nodul senzorial. Odată finalizat schimbul, conexiunea este închisă, iar nodul senzorial intră din nou în modul de putere redusă. Pentru activarea acestui tip de schimb de date, erau suficiente mesaje publicitare scurte.
Totuși, nu a durat mult ca producătorii să își dea seama că acest fel de mesaje publicitare “neconectate” pot fi, de asemenea, utilizate ca un marcaj să emită informații fără ca mai întâi să trebuiască să stabilească o conexiune. Apple a dezvoltat propria cale de face acest lucru în iBeacon, iar Google a contracarat cu Eddystone.
Odată cu creșterea popularității cazurilor de utilizare a marcajelor, în piață a apărut dorința de extindere a domeniului de aplicare. Bluetooth 5 duce utilizarea marcajelor la un nou nivel, prin creșterea lungimii mesajelor publicitare de la 31 de byte anterior, până la 512 byte, chiar permițând ca mai multe mesaje de 512 byte să fie conectate împreună. Pentru a evita congestia, se extinde utilizarea acestor pachete publicitare mai lungi la toate cele 40 de canale disponibile, față de limitarea a numai 3 canale în specificațiile anterioare.
Capabilitatea publicitară extinsă permite nodurilor să trimită mai multe pachete de date, chiar și fluxuri de pachete, fără ca mai întâi să trebuiască să se stabilească o conexiune Bluetooth de joasă energie. Chiar dacă Bluetooth de joasă energie a fost proiectată pentru utilizare în cazuri de joasă putere, pachete scurte de date și stabilire rapidă a conexiunii, stabilirea unei conexiuni Bluetooth de joasă putere consumă întotdeauna energie suplimentară. În unele cazuri de utilizare, emisia datelor fără conexiune poate reduce consumul energetic total chiar și mai mult. Mesajele publicitare joacă un rol esențial în Bluetooth mesh, în care acestea sunt utilizate pentru a emite date către alte noduri.

Bluetooth mesh
La scurt timp după lansarea specificațiilor Bluetooth 5, Bluetooth SIG a lansat și specificațiile pentru Bluetooth mesh. Împreună, Bluetooth 5 și Bluetooth mesh stau la baza multor noi aplicații și cazuri de utilizare. Acestea sunt în mod special importante pentru Internetul Lucrurilor Industrial, deoarece ele permit noi cazuri de utilizare, anterior posibile doar cu alte tehnologii, precum ZigBee, Sub-GHz etc. Deoarece avantajele cheie sunt deja suportate de Bluetooth, combinația Bluetooth 5 cu Bluetooth mesh este așteptată să găzduiască noi zone de aplicații.
Bluetooth mesh este standardizat de Bluetooth SIG, ceea ce înseamnă că dispozitivele care îl implemen­tează vor fi inter-operabile. Bluetooth mesh este proiectat în jurul unui model de tip publicare-abonare, gestionare fluxuri și relații de prietenie pentru nodurile de joasă putere.
Într-o rețea Bluetooth mesh, nodurile de rețea sunt configurate pentru a opera după un model publicare-abonare. Informațiile dintre noduri sunt transmise sub formă de mesaje. Nodurile ce oferă date sau acțiuni utilizează mesaje pentru a publica informații în rețea. Alte noduri pot fie colecta datele în mesaje, fie să le utilizeze pentru acțiuni. Figura 2 prezintă o rețea de tip mesh simplă, realizată din comutatoare și lumini, și arată cum sunt configurate pentru a opera.
Pentru a răspândi mesajele în rețeaua de tip mesh, nodul sursă emite simplu mesajul său utilizând publi­citatea. Alte noduri din rețea recepționează apoi mesajul și îl trimit mai departe către toate nodurile, extinzând raza de acțiune a rețelei, mult dincolo de capabilitatea unei legături individuale Bluetooth. La aceasta se referă termenul de rețea mesh în flux. Există câteva mecanisme de bază pentru a asigura că rețeaua nu este supraîncărcată. Exemplele includ limitarea numărului de hop-uri, precum și neretransmiterea mesajelor către un nod ce a fost deja atins.
Pentru ca o rețea să suporte retransmitere, nodurile de retransmitere trebuie să asculte activ mesajele tot timpul. Acest lucru înseamnă că ele nu pot opera în mod de joasă putere. Nodurile cu putere limitată pot în schimb să fie configurate într-o relație de prietenie cu nodurile de retransmisie. Într-o astfel de relație, nodul de retransmisie stochează temporar datele până când nodul de joasă putere se activează. Apoi datele sunt schimbate pe scurta durată de timp în care nodul de joasă putere este activ.

Figura 2: Model de utilizare Bluetooth mesh: publicare și abonare.

Figura 3: Nodurile de joasă putere în relație de prietenie cu nodurile de retransmisie.

Industry 4.0
Industry 4.0, uneori denumită și ca IIoT (Internetul Lucrurilor Industrial), este o inițiativă ce a fost lansată de guvernul german în 2011. De atunci, multe alte regiuni și-au creat propriile variante ale conceptului: în 2015, companiile japoneze au format IVI (Industrial Value Chain Initiative). În S.U.A., Consorțiul de Internet Industrial a stabilit să încurajeze utilizarea mai puternică a internetului în sectorul de fabricație american. În sectorul de fabricație, Industry 4.0 caută să dezvolte tehnologie pentru îmbunătățirea randamentului și reducerea impactului asupra resurselor naturale. Printre exemplele de astfel de tehnologii sunt incluse senzori economici energetic și din punct de vedere al costului, conectivitate wireless, infra­structură de rețea accesibilă, și putere de calcul pentru a analiza cantități mari de date colectate (Big Data). În aplicațiile de întreținere predictivă, de exemplu, motoarelor electrice tradi­țio­nale le sunt adăugate senzori. Datele senzoriale sunt apoi anali­zate pentru a evalua funcționarea lor (temperatură, vibrații etc.) și de a prezice când devine necesară operația de întreținere.
Obiectivul întreținerii preventive este, după cum se și numește, de a preveni defectările neașteptate, care ar putea cauza întreruperi neplanificate ale procesului de fabricație, dar și pentru a evita operații de întreținere care nu sunt necesare, impuse de programe de mentenanță preventivă de tip mai vechi.

Bluetooth 5 în Industry 4.0
Caracteristicile îmbunătățite oferite de Bluetooth 5 pavează calea către numeroase aplicații noi de Internetul Lucrurilor Industrial. Exemplele includ upgrade de firmware, rețele senzoriale industriale mari, urmărirea bunurilor, clădiri conectate și control industrial de timp real.

Upgrade de firmware pentru dispozitive
Pentru a crește viteza transferului de date oferită de Bluetooth 5 – până la 1.4 Mbps – este suficientă trimiterea rapidă a unor fișiere mici prin conexiune Bluetooth de joasă energie. În acest fel este posibil ca dispozitivele industriale pe care rulează firmware embedded, precum dispozitivele de comandă cu frecvență variabilă, să utilizeze o conexi­une Bluetooth de joasă energie pentru a transfera fișiere de firmware pentru DFU-OTA (Device Firmware Upgrade Over The Air). Cea mai recentă generație de telefoane inteligente care suportă Bluetooth 5 poate fi utilizată ca poartă mobilă între internet și un dispozi­tiv industrial. Cu o viteză de transfer de date de 1.4 Mbps, sunt necesare numai șapte secunde pentru a trimite un fișier firmware de 1 MB, care este tipic în numeroase produse industriale embedded.

Figura 4: Vitezele de transfer de date prin Bluetooth de joasă energie suportă upgrade de firmware prin aer.

Figura 5: Rețele capilare conform Ericsson.

Produ­cătorii de dispozitive ar putea considera chiar înlocu­irea Wi Fi cu Bluetooth de joasă energie pentru acest caz de utilizare, reducând astfel atât costul dispozitivului, cât și consumul energetic.

Industrial IoT − rețea senzorială capilară
În cazul de utilizare pentru mentenanță predictivă, senzorii trebuie să fie conectați la un număr de alte dispozitive neconectate. Există două căi de a face acest lucru: senzorii pot să fie conectați direct la o rețea celulară, sau pot fi conectați la o rețea radio cu rază mică de acțiune care, în schimb, este conectată la porți celulare. A doua abordare este cunoscută ca rețea senzorială capilară. Bluetooth 5 și Bluetooth mesh pot fi utilizate pentru a suporta rețele senzoriale capilare, permițând conectarea unui număr mare de senzori în rețele mari. Utilizarea Bluetooth ca radio cu rază mică de acțiune are multiple avantaje față de alte tehnologii cu rază mică de acțiune. Cel mai important este că Bluetooth este suportat în majoritatea telefoanelor inteligente și tabletelor, făcându-le unelte evidente pentru configurare senzorială și de rețea.

Urmărirea bunurilor
Rețelele mesh realizate pentru a controla iluminarea într-o clădire sau fabrică, de exemplu, pot fi utilizate pentru a permite utilizarea adițională ca sistem de urmărire a bunurilor. Aceasta necesită configurarea unor etichete de urmărire a bunurilor în aceeași rețea de tip mesh, permițând nodurilor din rețea să raporteze către dispozitivul de monitorizare care etichetă este detectată. Informația obținută de la câteva noduri din rețea poate fi apoi utilizată pentru a determina poziția aproximativă a fiecărui bun. Precizia oferită este suficientă pentru a ști la ce etaj și în care cameră se află un anumit bun. Printre exemplele de astfel de bunuri ce ar putea fi urmărite, pot fi echi­pamente industriale scumpe și mobile, precum și unel­te specializate aflate în zona de producție.

Autor: Pelle Svensson, u-blox Malmo

u-blox | www.u-blox.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre