Bluetooth® 4.1を使用して、モノのインターネットのための低電力無線リンクを構築する方法

Bluetooth^®の最新バージョンは、最新のウェアラブルやフィットネス機器のためだけでなく、モノのインターネット（IOT）内の機器やセンサーを一緒に接続することに対して波紋を投げかけています。

Bluetooth 4.0は、電力効率と直接のBluetoothリンクの使いやすさを高めるために劇的な一歩を踏み出し、4.1はより多くのネットワーク機能をそれに追加しています。 これは、標準的なスマートフォンを使用して一緒に多くのデバイスを接続するための可能性を開きます。

1つの電池から数年間、埋め込まれたリンクを実行する能力は、2010年以来、Bluetooth Smart 4.0の採用を推進してきており、2013年12月における4.1の承認以来、ネットワーク要素は、IoT開発者にとってさらに魅力的になります。 しかし、これはハードウェアとソフトウェアの両方の観点から、設計上のいくつかの重要な考慮が必要です。 SIGは、メーカーが新しい機能を活用するために、直ちに自社のデバイスにBluetooth 4.1の実装を開始することをお勧めします。 これは、システム開発者にとって、Laird WirelessやPanasonicなどの供給業者からの既存の4.0モジュールを使用することに対する再保証を得ることを可能とし、そしてファームウェアが安定した場合に4.1にアップグレードすることで、両方の長所を提供することになります。

Bluetooth 2.0+EDRを採用以来初めて、Bluetooth 4.1仕様を使用するために要求しなければならない必須の機能はありません。 しかし、メーカーは仕様に準拠するために、Bluetooth 4.1に適用されているすべての正誤表を実装する必要があります。 低エネルギー機能（Bluetooth Smartブランド）のみを実現するデバイスは、低エネルギー機能を実装するBluetooth 4.0デバイスと下位互換性があります。

Bluetooth Smartと呼ばれるようになったBluetooth Low Energyバージョン4.0は、以前の「Classic Bluetooth」と同じ2.4GHzのISMバンド周波数を使用しますが、消費電力を削減するために簡単なガウス周波数偏移プロトコルを使用します。 これはまた、より小さい2MHzチャンネルおよびダイレクトシーケンス拡散スペクトラム（DSSS）変調を使用します。

この異なるチャンネルと異なる変調の組み合わせは、LEとClassic仕様には直接の互換性がないことを意味します。 しかし、Bluetoothとの互換性を認証されたすべてのチップやモジュールは古いデバイス用のClassicやDSSSバージョンのBluetooth Smartのいずれのモードでも実行できるので、これは開発者にとって問題ではありません。

バージョン4.0および4.1は、2MHzの40チャンネルを使用することで低消費電力の利点を得ることができ、1Mbit/sのリンクビットレートおよび270kbit/sのアプリケーションスループットを可能にします。 これは、Bluetooth Classicに対しては低いのですが、100msから6msまで待ち時間を低減することによってアプリケーション用のビットレートを相殺し、データの要求または制御信号の送信に対する迅速な応答を与えるので、ネットワークおよびIoT実装にとってより重要となります。

最大送信電力はまた10mWまで低減され、範囲は50メートル以下に減少します。このことは多くのIoTアプリケーションに使用することができることを意味します。 バージョン4.1は、Bluetooth Smart Ready製品が同時にハブと周辺装置として機能できるように、デバイスが同時に複数の役割をサポートすることを可能にします。 他の無線技術、特に同じ2.4GHz帯でのWi-Fiとの共存は改善され、専用チャンネルが追加され、そしてこのことが具体的にIoTアプリケーションを可能にします。

これは、より高いレベルのプロトコルの多重化、パケット分割および再組み立てと、64kバイトのパケットを使用して、IoTのために必要とされるサービス情報の品質をサポートする、論理リンク制御および適応アーキテクチャ（L2CAP）から得られます。 このアーキテクチャは、各エンドポイントがチャンネル識別子（CID）を持つチャンネル周りに基づいています。 CIDの割り当ては特定のデバイスを基準にしており、デバイスは他のデバイスから独立してCIDを割り当てることができ、簡単にネットワークにデバイスを追加することが可能になります。 これは複数のデバイスをデイジーチェーンで添加することを可能にし、セットアップを簡単にします。


図1： Bluetooth Smart 4.1用のL2CAPチャンネルアーキテクチャは制御対象となる装置のネットワークを可能にし、モノのインターネットを開放します。

ユーザーのためのより多くのサポートもあります。 4.1で、接続が自動的に再確立され、従ってユーザが部屋に入ったときに、接続が再形成されます。 加えて4.1は、常時接続を維持する代わりにリンクを設定し、大きなファイルをダウンロードする、データのバルク転送をサポートします。

4.1で拡張される領域の1つは、汎用属性プロファイル（GATT）です。 これらは、オペレーティングシステム内にサービス、特性および記述子と共に、クライアントサーバアプリケーションプログラミングインターフェイス（API）を提供します。

これらGATTは、血圧、心拍数、健康温度計、近接、ファインドミーなど、現在のアプリケーション用のデータを処理するために使用されます。 IoTのアプリケーションのための新しいプロファイルは、さまざまな方法でデータを一緒にします。

サービス、特性および記述子の属性は、まとめてユニバーサル識別子（UUID）によって識別されます。 Bluetooth SIGは、標準的な属性のために（形式xxxxxxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB）のUUIDの範囲を予約し、これらはプロトコルで128ビットの代わりに16ビットまたは32ビットの短い形式値で表現され、コードサイズと複雑さを抑えます。

GATTプロトコルには、クライアントがサーバーに関する情報を発見するためのコマンドが多数用意されています。 これらには、すべての主なサービスのためのUUIDの発見、与えられたUUIDを使用したサービスの検出、そして二次的なサービスだけでなく、特定のサービスのためのすべての特性を見つけることが含まれます。 これらすべては、IoTアプリケーションのためのプロファイルの一部となります。

GATTを通じて、コマンドはサーバーからクライアント（読み取りと呼ばれます）、そしてクライアントからサーバ（書き込みと呼ばれます）に特性に関するデータを転送するために設けられています。 値は、特性のUUIDを指定するか、情報発見コマンドから得られるハンドル値のいずれかによって読み取ることができます。 書き込み操作は常にハンドルによって特性を識別しますが、サーバからの応答が必要かどうかを選択できます。

GATTも、IoTのリンクの重要な一部である通知と指示を提供します。 クライアントはサーバから特定の特性に対するノーティフィケーションを要求することができ、サーバはそれが利用可能になるとクライアントに値を送信することができます。 例えば、ある装置の温度センササーバは、測定を取るたびにクライアントに通知することができます。 これはクライアントがサーバをポーリングする必要性を回避し、通常の無線リンクの必要性を低減します。 指示はメッセージを受信したことの確認として、クライアントからの応答を必要とすることを除いて、通知と同様です。

チップやモジュールメーカーはGATTの上に層を追加し、システム開発者がこれらのプロファイルを使用して独自のソフトウェアを開発できるようにしています。 これは、システムをアップグレードするにつれ、ソフトウェアが4.0と4.1を使用しているすべての既存のチップとモジュールと互換性を持つことを可能にします。

この複雑さは、現在、BT800などのモジュールでバージョン4.0を使用しているLaird Wirelessなどのモジュールメーカーによって隠されており、ファームウェアは、これらのモジュールで4.1をサポートするように開発されています。 BT800はアンテナおよびインターフェイスを備えたCSRのトランシーバを使用し、すべて8dBmのパワー出力を持つ8.5mm x 13mmの小型のフットプリントを持ちます。 これらのモジュールは、周辺機器やセンサを接続するためのUART、SPI、I²C、ADC、およびGPIOインターフェースなど、BLEアプリケーションの開発をサポートするために必要なすべてのハードウェアとファームウェアを統合しています。 これらのインタフェースを経由して接続することは、シングル、デュアルまたはマルチワイヤリンクで比較的簡単です。


図2：Laird WirelessのBT800 Bluetooth Smartデュアルモードモジュールは、バージョン4.1のコネクティビティを簡単に既存の設計に追加し、4.1にアップグレードすることを可能にします。

Lairdはイベントドリブンプログラミング言語を追加し、センサを外部プロセッサを必要とせずにいずれかのインターフェースを介して結合することができる、モジュールの単体動作を可能にします。 簡単なsmartBASICアプリケーションは、読み取り、書き込み、およびセンサデータの処理の完全なエンドツーエンドのプロセスをカプセル化し、Bluetooth Smartを使用して任意のBluetooth 4.1デバイスに転送します。

一方、CSRはまた、モジュールメーカーによって使用することもできるIoT向けのネットワークを提供するために、異なるアプローチを取っています。 4.1は、スマートフォンから他の周辺機器に8～10の個別リンクを提供することができ、パーソナルエリアネットワークまたはリンクのデイジーチェーンを作成しますが、CSRはMeshネットワーク内で最大65,000までのデバイスを制御するために、4.0スタック上に位置するファームウェアを開発しました。

この潜在的に破壊的な技術は、スマートフォンをIoTの中心に置きます。 CSRのMeshは、Bluetooth Smart対応デバイスのほぼ無制限の数を有効化し、それらを簡単にネットワーク化して、初めて単一のスマートフォン、タブレットまたはPCから直接制御できるようにします。

スマートホームとIoTアプリケーション向けに最適化されたソリューションは、CSR101xおよびCSR8811など、CSRの実績のあるBluetooth Smartデバイスと、設定および制御プロトコルを組み合わせます。 これにより、消費者がどこにいても、照明、暖房、家電製品やセキュリティシステムなど、家庭内のすべてのBluetooth Smart対応デバイスを制御できるようになります。 消費者の経験にとって重要なことは、プロトコルに基づくソリューションが、複雑な設定、ペアリング、またはルータなどのアクセスデバイスの使用を必要としないことです。

他のホームオートメーションコネクティビティソリューションとは異なり、限られた範囲を持たず、ハブを必要としないため、CSRのMeshは家の中のどこでも、モバイルデバイスからの直接制御を保証します。 開発者は、複雑な設定を行わなくても簡単に動作する製品を作成するために、独自のソリューションを使用したり、何かを追加したりする必要はありません。

CSRのMeshプロトコルはBluetooth Smart内のモードを使用し、ネットワーク内の他のBluetooth Smartデバイスにメッセージを送信します。 メッセージは、個々のデバイスまたはデバイスのグループに送信することができまする。 デバイスが複数のグループに所属することも可能です。 制御は、光スイッチなどの標準のBluetooth Smart対応の家電機器を介して、または今日入手可能な大半のスマートフォンまたはタブレットを介して有効にされます。

開発者が迅速な製品化を図れるように、CSRは顧客へ開発キットをリリースする予定です。 このキットは、AndroidとiOSのアプリケーションソースコードだけでなく、CSRのMeshライブラリのバイナリへのアクセスを提供します。

ソフトウェアは4.1の機能を使用しませんが、Meshトポロジーをカバーするために4.0を拡張します。 これはルーティングされたMeshではなくフラッドMeshで、従ってすべてのデバイスがメンバーとして参加し、他のノードにメッセージを転送することができます。 これは、プロトコルが自動的にメッセージの転送を処理するので、消費者のセットアップが非常に簡単であることを意味します。 メッセージの発信者はMesh内のどこにでもいることができ、範囲外のノードに中継されます。飽和と競合を処理するために、プロトコルには存続時間やホップ数の機能が含まれます。

バージョン4.1はマスタモードとスレーブモードを同時に可能にしますが、ユーザーは、デバイスのより小さいネットワークまたはコアネットワークの制御で動作するこれらの接続を、手動で管理しなければなりません。 この技術ではこれらの制限が存在しません。接続管理がはるかに容易であることを意図しています。

標準では、アドレス、グループ化、そして関連およびセキュリティがパケット構造に組み込まれています。 これはIPv4と同様ですが、Meshネットワーク自体のために別個のアドレスフィールドがあります。 これは、単純なセンサ情報やコマンドおよび制御用にIPv4よりもずっと軽量になります。 現時点では、能力はCSRに固有ですが、オープンソースを介して、あるいはBluetooth SIGのいずれかを介して、能力を標準化するために主要な顧客やパートナーと協力しています。

CSRは、50のLED電球を配置し、Androidの携帯電話を持って歩くことで、エンジニアのグループとともにMeshをスマートフォンから直接実行することを実証しています。 正式な構成なしに、照明のネットワークを制御することができます。

CSRは、そのチップの周囲にソフトウェア開発、基板設計、および製造テストのための完全なツールセットを提供します。 これは、USBプログラミングインターフェースとアプリケーション固有のセンサやアクチュエータへのI/Oをブレークアウトするためのインターフェースを組み合わせます。 完全にライセンスされたCSR xIDEソフトウェア開発環境には、一般的なBluetooth Smartプロファイル用のサンプルアプリケーション、およびプロジェクトを簡単にするためのiOSとAndroidスマートフォンの両方用のホストアプリケーションが含まれます。 ターゲットボードは通常、ホストUSB接続から電力供給されますが、オンボードコイン型電池でスタンドアロンで実行することもでき、電力測定を行うことを可能にします。


図3： CSRのBluetooth Smart開発システムは、開発者がBluetoothのGATT層の上に、独自の機能を追加することを可能にします。

これらのデバイスに電力を供給するために、電池を使用する際にはいくつかの主要な選択肢がありますが、設計にモジュールを統合することは比較的簡単です。 モジュールを簡単に既存の設計に追加することができるので、バージョン4.1を使用して、IoTアプリケーションを市場展開するのに役立ちます。

BlueGigaのBLE112モジュールは、Texas InstrumentsのBluetooth 4.0トランシーバを使用し、コイン型電池で直接使用することができます。 コイン型電池の比較的高い内部抵抗により、バッテリと並列に100μFのコンデンサを配置することをお勧めします。 コイン型電池の内部抵抗は当初10Ωの範囲にありますが、容量が使用されるにつれて抵抗値が急激に増加します。

コンデンサの値が高ければ高いほど、電池の有効容量とアプリケーション用のより長い寿命が得られます。 コンデンサの最小値は、最終アプリケーションと使用される最大送信電力に依存します。 100μFのコンデンサの漏れ電流は0.5μA～3μAの範囲であり、一般的には、セラミックコンデンサはタンタルやアルミ電解コンデンサよりも低い漏れ電流を持ちます。


図4：BlueGigaのBLE112 Bluetooth Smartモジュール 電池に並列にコンデンサを使用すると、電池の寿命を延ばすことができます。

送信または受信動作およびデータ処理時に消費電流を低減するために、DC/DCコンバータを使用することは、もう1つの選択肢です。 バイパスモードを有する超低電力DC/DCコンバータは、送信時の消費電流を約20％低減し、3Vのコイン型電池の電池寿命を延長します。

結論

Bluetooth Smart 4.1の追加は、標準の進化のための小さな一歩のように見えるかもしれませんが、それはいくつかの重要な変更を駆動するための可能性を秘めています。 デバイス、モジュールおよびシステム開発者は、すべてユビキタスのスマートフォンを介して制御される広範囲の低コストデバイスに、より洗練された低消費電力のネットワーク機能を提供するために4.0と4.1の両方を見ています。 デバイスのネットワークに接続するために利用できる既製の端末を有することは大きな利点であり、4.1チャンネルあるいは4.0上のネットワーク層を介して接続されているかにかかわらず、Bluetooth Smart技術はモノのインターネットのために重要な技術として設定されています。