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Im Vergleich zum konventionellen Bluetooth-Standard (BL) liegt der Hauptanwendungsbereich von BLE bei Ultra-Low-Power-Anwendungen mit reduzierten Datenraten. Somit lassen sich Applikationen entwerfen, die sich mit einfachen Knopfzellenbatterien über mehrere Jahre hinweg betreiben lassen. Der reduzierte Energieverbrauch wird durch Faktoren wie längere Standby-Zeiten, kleinere Pakete, höherer Modulationsindex oder schnellerer Verbindungsaufbau erreicht.
Kommuniziert wird zwischen einem Central-Gerät (Scanner) und einem Peripheral-Gerät (Advertiser). Grundsätzlich gibt es bei BLE zwei Kommunikationsmodi (Bild 1). Im Connected Mode arbeitet BLE verbindungsorientiert. Dabei wird zur Datenübertragung eine Verbindung zwischen den Kommuniaktionspartnern Central und Peripheral aufgebaut. Der Advertising Mode hingegen beschreibt einen unidirektionalen Übertragungsmodus (Broadcasting) ohne Rückkanal. Ein Gerät benutzt den Advertising Mode um allgemeine Daten wie Temperatur, Batterieladestand usw. zu senden (broadcasten) oder um Präsenz anzuzeigen. Wird ein «Advertiser» von einem Central-Gerät entdeckt, kann eine Verbindung aufgebaut und Daten bidirektional übertragen werden – verschlüsselt oder unverschlüsselt. Ein grosser Vorteil dabei ist die Möglichkeit, ein Smartphone als Central zu verwenden. Somit erlaubt BLE eine bequeme, sichere Vernetzungsvariante für ein immer breiter werdendes Spektrum an Geräten und Services.
Stellt man die Energieverbräuche der Datenpakete beim Advertising und einer bestehenden Verbindung gegenüber, stellt sich heraus, dass ein Advertising-Paket mehr Energie benötigt als das Versenden eines einzelnen Datenpaketes in einer bestehenden Verbindung (Bild 2). Berücksichtigt man jedoch die benötigte Energie, um eine Verbindung einzugehen, kann das Auslassen des Verbindungsaufbaus bei geringer Datenmenge energiesparsamer sein. Deshalb kann es bei manchen Anwendungen vorteilhaft sein, das Eingehen einer bidirektionalen Verbindung auszulassen.
Dazu wurden an der ZHAW am Institut für Embedded Systeme (InES) verschiedene Ansätze entwickelt und analysiert. Die grundlegende Idee ist es, einen Rückkanal im BLE Advertising Mode zu implementieren. In gewissen Fällen würden bereits wenige Bit an Informationen als Rückantwort genügen (z.B. als acknowledge). Damit kann ein kompletter BLE Stack weggelassen werden, was wiederum Auswirkungen auf die Grösse, Produktionskosten und Entwicklungszeit hat. Abhängig vom Anwendungsfall kann man damit den Energieverbrauch reduzieren.
Die verschiedenen Ansätze wurden auf Basis der BLE Spezifikation Vol 4.4 entworfen und analysiert. Ziel war es, marktübliche Smartphones als Kommunikationspartner zu verwenden. Für die Machbarkeitsstudie wurde das folgende Test-Setup erstellt: ein Peripherie-Gerät bestehend aus einem M0 Mikrocontroller und einem EM9301-BLE-Chip, ein BLE-fähiges iPhone oder Android-Smartphone als Central-Gerät (ab iOS 6 oder Android 5.0), ein BLE-Paket-Sniffer und ein Power-Analyzer-Messgerät. Im Folgenden werden zwei der am Institut für Embedded Systeme ausgearbeitete Konzepte vorgestellt.
Eine bereits erfolgreich implementierte Methode, Bluetooth Smart im Advertising Mode mit einem Rückkanal zu nutzen ist der Rollentausch (Bild 3). Dabei werden beide Endgeräte sowohl als Central als auch Peripherie eingesetzt. Dieser Rollentausch erlaubt nicht nur Daten zu senden, sondern auch zu empfangen. Was sich relativ leicht anhört, war lange Zeit für Smartphones nicht machbar, da die Betriebssysteme iOS und Android nur die Nutzung als Central erlaubten.
Erst seit Android 5.0 (Lollipop) und iOS6 ist dies möglich. Um diesen Weg einer bidirektionalen Kommunikation zu realisieren, wurden eine App für ein iPhone sowie eine Firmware für einen Beacon implementiert. In einem ersten Schritt sendet der Beacon seine Advertising-Daten für einen bestimmten Zeitraum. Während dieser Zeit arbeitet er als Peripherie. Das Smartphone wiederum agiert zu Beginn als Central und scannt nach Advertising-Daten. Sobald das Smartphone ein Paket empfangen hat, wechselt es seinen Zustand von Central zu Peripheral. Nach Ablauf seines Zeitfensters wechselt auch der Beacon von Peripheral zu Central. Das Smartphone antwortet dann auch mit einem Advertising-Paket, das der Beacon im Scanning Mode empfangen kann. In einer Machbarkeitsstudie liess sich zeigen, dass so ein Rückkanal ohne Verbindungsaufbau möglich ist.
Das zweite Konzept basiert darauf, auf Seiten des Peripherie-Geräts (z. B. Beacon) eine Verbindungsanfrage zu erkennen und abzubrechen, bevor eine Verbindung sichergestellt wurde (Bild 4). Das Aufbauen einer Verbindung benötigt den Austausch von Informationen. Dieser Informationsaustausch bedeutet gleichzeitig Energieverbrauch. Durch das direkte Unterbrechen kann daher Energie eingespart werden. Die Verbindungsanfrage kann erkannt werden, ohne eine Verbindung aufzubauen. Damit kann man bereits ein Bit an Informationen austauschen. Die Machbarkeit dieses Verfahrens wurde anhand eines prototypoischen Aufbaus nachgewiesen.
Für den BLE-Feedback-Kanal wären verschiedene Anwendungen denkbar. Man könnte durch das Übertragen eines Acknowledge-Bits die Sendehäufigkeit des Beacons wesentlich beeinflussen und ein Gerät zum Beispiel in den Sleep Mode oder in einen Ruhezustand versetzen. Durch die daraus resultierende längere Batterielebensdauer könnte eine BLE-Anwendung mit einer Lifetime-Batterie realisiert werden. Auch Beacons oder Smartwatches liessen sich über BLE Feedback konfigurieren.
Die Machbarkeit einer bidirektionalen Kommunikation im BLE Advertising Mode ohne Verbindungsaufbau konnte nachgewiesen werden. Verglichen mit der Datenrate in einer bestehenden Verbindung gehen alle Ansätze mit einer tieferen Datenrate oder einer unsicheren Verbindung einher. Des Weiteren hängt der Erfolg für einen erfolgreichen Datentransfer vom Smartphone und der Betriebssystemversion ab. Trotz all dieser Punkte zeigen die betrachteten Verfahren und das Konzept ein hohes Potenzial für verschiedene Applikationen. Je nach Anwendungsfall kann eine hohe Energieeinsparung auf Seite des Beacons realisiert werden. Damit ist eine Vervielfachung der Batterielebensdauer möglich. In weiterführenden Projekten sind Verbesserungen im Timing des Rollentausches und eine Kombination der beiden beschriebenen Konzepte denkbar. Die ZHAW sucht Partner, die an einer Kooperation interessiert sind, um die betrachteten Konzepte in verschiedenen Applikationen zu realisieren.
Dr.-Ing. Juan-Mario Gruber, Leiter Forschungsgruppe Autarke Systeme und Dozent
Tiziano Fabbroni, Bachelor of Science, Elektrotechnik, Wissenschaftlicher Assistent, Forschungsgruppe Autarke Systeme
Dominique Truninger, Bachelor of Science, Elektrotechnik, Wissenschaftlicher Assistent, Forschungsgruppe Autarke Systeme
Alle Autoren arbeiten an der ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, Institut für Embedded Systeme, InES