Mithilfe von Beacons können Händler in Geschäften Produktwerbung auf das Smartphone des Kunden senden.

Mithilfe von Beacons können Händler in Geschäften Produktwerbung auf das Smartphone des Kunden senden.estimote

Bluetooth-fähige Smartphones und Tablets sind heute ein ständiger Begleiter bei Einkäufen. Mithilfe von Miniatur-Bluetooth-Sendern, sogenannten Bluetooth Beacons, lassen sich Kunden in Einkaufszentren und einzelnen Geschäften verfolgen (Tracking). Damit bietet sich Händlern die einmalige Gelegenheit, den Käufern genau am Standort des Produktes Werbung zuzusenden. Ein Anbieter dieser neuen Einkaufstechnik argumentiert: „Binden Sie Ihre Kunden mit personalisierten Empfehlungen – in Echtzeit und zum idealen Kaufzeitpunkt.“

Eckdaten

Das DA14580 von Dialog basiert auf BLE 4.0 und eignet sich auch für Beacon-Anwendungen. Die kleinen Funkmodule arbeiten mit einer 3-V-Knopfzelle bis zu zwei Jahre bei Stromaufnahmen um 5 mA im Sendebetrieb und weniger als 2 µA im Sleep-Modus. Im Zusammenspiel mit Smartphone-Apps und Online-Diensten sind rund ums Einkaufen neue Informationsmöglichkeiten verfügbar. Kunden wie auch Händler profitieren von personalisierter Produktwerbung, Indoor-Navigation, Asset Tracking und automatischer Bezahlung.

Der Markt für solche Dienstleistungen soll laut Markets and Markets von 8,12 Milliarden US-Dollar im Jahr 2014 auf fast 40 Milliarden US-Dollar im Jahr 2019 steigen. Mit dem Advertising-Dienst sind weitere Dienste wie Indoor-Navigation, Asset Tracking und mobiles Bezahlen verknüpfbar.

Nutzen Kunden diese Technik beim Einkaufen, können sie sicher sein, kein Angebot mehr zu verpassen. Sie können frei entscheiden, ob das Smartphone eingeschaltet und Bluetooth sowie die Apps aktiviert sein sollen, die auf die Push-Nachrichten der Händler reagieren. Händler profitieren von dieser kostengünstigen und kontextbezogenen Methode, ihre Angebote bekannt zu machen. Viel wichtiger ist jedoch, dass sie Daten über das Kundenverhalten sammeln und analysieren können: Bewegungsabläufe im Geschäft und Kaufgewohnheiten. Stehen Daten von Tausenden von Kunden zur Verfügung, werden die Informationen sehr aussagekräftig – ein Wesen von Big Data.

Welche Technologie steckt hinter dieser Revolution? In fast jedem Fall ist es Bluetooth Low Energy (BLE), oft auch als Bluetooth Smart bezeichnet. Die gleiche Technik findet sich in Proximity-Tags, die beim Eintritt in den Funkbereich eine Nachricht an das Smartphone oder einen anderen Empfänger senden.

Bluetooth Smart – eine gut Wahl für Beacons

Bluetooth begleitet uns nun einige Jahrzehnte. Was heute als Classic Bluetooth bezeichnet wird, eignet sich wegen des viel zu hohen Strombedarfs nicht für Beacons. Die Place-and-forget-Installation erfordert eine Betriebsdauer über Monate und Jahre bei extrem geringer Stromaufnahme, etwa aus einer Knopfzelle.

Bild 1: Bluetooth Classic und Bluetooth Smart im Vergleich.

Bild 1: Bluetooth Classic und Bluetooth Smart im Vergleich.Dialog Semiconductor

Die Bluetooth-Smart-Funktechnik ist in batteriebetriebene, eigenständige Miniatursender integriert, welche spezielle IDs  aussenden, über die einen Smartphone-App und ein Online-Dienst Werbung an Käufer senden, sobald sie in eine Reichweite zwischen 5 und 50 m gelangen.

Beacons müssen klein, unauffällig und kostengünstig sein, in einer vorhandenen Infrastruktur uneingeschränkt funktionieren und platzierbar sein.

Bluetooth Smart unterscheidet sich von Classic Bluetooth in zahlreichen Merkmalen und ist daher für Beacons besser geeignet:

  • Classic Bluetooth benötigt ca. 40 mA Strom bei 3 V. Hochqualitative Bluetooth-Smart-Funktechnik mit 0 dBm Ausgangsleistung (ideal für die meisten Beacons) kann mit weniger als 5 mA bei 3 V noch eine Reichweite von 50 m erzielen.
  • Der Sleep-Modus von Bluetooth-Smart-Geräten benötigt in einigen Anwendungen gerade einmal ein Hundertstel vom durchschnittlichen Stromverbrauch des Classic Bluetooth.
  • Die Wake-up-Zeit beträgt nur 6 ms anstatt 100 ms bei Classic Bluetooth.
  • Authentifizierte Daten lassen sich innerhalb von nur 3 ms senden, anstatt 1 s bei Classic Bluetooth.
  • 128-Bit-Banking-Level-Sicherheit (AES-128) schützt die Daten.

Unterschiede bei Bluetooth-Smart-Implementierungen

Trotz der versprochenen Energieeinsparung durch Bluetooth Smart kommt es darauf an, wie die Technik implementiert ist. Dies hat erheblichen Einfluss auf den Energieverbrauch des Systems und die Batterielebensdauer. Wesentliche Kriterien bei der Wahl eines Bluetooth-Smart-SoC (System-on-Chip) für einen Beacon sind der Spitzenstromverbrauch und der Energieverbrauch im Laufe der Zeit, abhängig von den Anforderungen der Applikation. Eine ausreichende Empfindlichkeit des Empfängers muss das Signal eines Smartphones im Empfangsbereich erkennen. Damit die Baugröße gering bleibt, muss die Elektronik möglichst mit einer kleinen Batterie (meist einer Knopfzelle) auskommen. In realen Anwendungen hängt die Batterielebensdauer auch vom Advertising-Intervall ab, also davon, wie häufig der Beacon Daten übertragen muss. Jedes Smartphone muss vom Informationssystem beim ersten Eintritt in den Funkbereich erkannt werden, damit Beacon und Online-Dienst Daten nicht unnötig redundant senden.

Zur Erfassung des Energieverbrauchs beim Betrieb eines Beacons muss die bei jedem Advertising verbrauchte Ladung über der Zeit bestimmt werden. Zu diesen Parametern zählen:

  • Das Advertising-Intervall und die Ladung pro Advertisement.
  • Die benötigte Zeit und verbrauchte Ladung aus dem Kaltstart bis zum ersten Advertisement.
  • Die Zeit, in der Spitzenstrom und Ladung von jedem der normalerweise drei eingesetzten Advertising-Kanäle verbraucht werden.
Bild 2: Vereinfachtes Blockdiagramm des DA14580 von Dialog Semiconductor.

Bild 2: Vereinfachtes Blockdiagramm des DA14580 von Dialog Semiconductor.Dialog Semiconductor

Entwickler müssen die Prozessorressourcen berücksichtigen, die für den Anwendungscode innerhalb des Bluetooth-Smart-SoC zur Verfügung stehen. Wenn es gelingt, eine vollständig gehostete Lösung ohne einen externen Mikrocontroller zu entwickeln, lassen sich Entwicklungszeit, Bauraum und Kosten sparen.Zudem verringert ein hoher funktionaler Integrationsgrad im Funkmodul die Anzahl externer Bauteile, wodurch sich kleinere und zuverlässigere Geräte bauen lassen. Stellt ein Bluetooth-Smart-Anbieter ein Referenzdesign und bewährte Software bereit, läßt sich der Entwicklungsaufwand nochmals reduzieren.

Referenzdesign für einen Bluetooth Smart Beacon

Das SoC DA14580 aus Dialog Semiconductors Smartbond-Serie enthält Bluetooth-Smart-Funktechnik mit einem ARM-Cortex-M0-Prozessor und intelligentem Powermanagement. Der Prozessor und die integrierte Digital- und Analog-Peripherie sind über bis zu 32 GPIOs zugänglich. Bild 2 zeigt das Blockdiagramm des Bausteins.

Bild 3: Das Bluetooth-Smart-SoC DA14580 von Dialog Semiconductor.

Bild 3: Das Bluetooth-Smart-SoC DA14580 von Dialog Semiconductor.Dialog Semiconductor

Neben Strombegrenzungswiderständen für Schallwandler oder LEDs benötigt das DA14580-Beacon-Referenzdesign nur wenige externe Bausteine: sechs Kondensatoren, einen 16-MHz-Quarz, drei Induktivitäten und drei Widerstände.

Der Baustein wird im 2,5 mm × 2,5 mm × 0,5 mm WL-CSP oder im 5 mm × 5 mm × 0,9 mm QFN40-Gehäuse geliefert. Bei 0 dBm Sendeleistung beträgt die maximale Stromaufnahme 4,8 mA bei 3 V. Im Extended-Sleep-Modus sinkt der Stromverbrauch auf 1,4 µA und im Deep-Sleep-Modus mit Speichererhalt auf weniger als 0,7 µA. Jedes Advertisement verbraucht 9,53 µC (für alle drei Kanäle). Die Empfindlichkeit des Empfängers beträgt -93 dBm.

Bild 4 zeigt das Referenzdesign eines Bluetooth-Smart-Miniatursenders in einem Kunststoffgehäuse mit den Abmessungen 20,3 mm × 39,9 mm × 5,8 mm. Im Inneren befindet sich eine 16,9 mm × 23,7 mm × 1,00 mm große Leiterplatte und eine CR1016-Knopfzelle mit 70 mAh Kapazität.

Bild 4: Das DA14580-Bluetooth-Smart-Beacon-Referenzdesign befindet sich in einem kleinen, robusten Kunststoffgehäuse von etwa 20 mm x 40 mm x 5 mm.

Bild 4: Das DA14580-Bluetooth-Smart-Beacon-Referenzdesign befindet sich in einem kleinen, robusten Kunststoffgehäuse von etwa 20 mm x 40 mm x 5 mm.Dialog Semiconductor

Mit diesem Referenzdesign wurde die Batterielebensdauer bei einem Advertisement alle 0,7 s mit 178 Tagen berechnet. Bei einem Advertisement-Intervall von 5 s erhöht sie sich auf zwei Jahre.

Dialog bietet zu seinem Referenzdesign auch bewährte Beacon-Software. Diese unterstützt eine programmierbare UUID, parametrierbare Advertising-Intervalle, kanalselektives Beaconing zur Stromverbrauchsenkung, ein vernetzbares Beacon-to-Beacon-Update und ein Beacon-Flottenmanagement. Die Software ermöglicht auch verschachtelte, vernetzte und nicht-vernetzte Advertisements bei einem einzelnen Beacon.

Ohne Smartphone-App geht es nicht

Bei Annährung eines Smartphones mit Beacon-App erwacht der Beacon (Leuchtfeuer) aus dem Sleep-Modus und sendet drei Identifikationsnummern aus, mithilfe derer die App Informationen zu Standort und Produkt aus einer Online-Datenbank laden kann. Gleichzeitig können verknüpfte Online-Dienste Kundeninformationen aus der Datenbankanfrage ableiten und weiterverarbeiten. Sind Läden mit diesen Sendern ausgestattet, können Händler die Besucher überall im Laden lokalisieren und ortsabhängige Angebote auf das Smartphone senden. Die Technologie kann künftig Kunden durchs Geschäft navigieren und eine automatische Bezahlung ermöglichen.

Fazit

Der Markt für Bluetooth-Tags und -Beacons soll in den nächsten vier Jahren um über 25 Prozent pro Jahr wachsen. Durchsetzen werden sich dabei Produkte, die klein und zuverlässig sind, niedrige Gesamtbetriebskosten verursachen und eine lange Batterielebensdauer bieten. Bei der Wahl des SoC für einen Bluetooth-Smart-Beacon müssen Entwickler die Spezifikationen der angebotenen Bausteine im Hinblick auf Leistungsfähigkeit und Eignung für die jeweilige Applikation genau prüfen.