Hocheffizienter Bluetooth-Smart-Chip reduziert Gesamtbetriebskosten

Bluetooth Low Energy (BLE) – auch bekannt als Bluetooth Smart – ist ein Standard für drahtlose Kommunikation, der Bursts kleinerer Datenpakete in einem Netzwerk aus Low-Power-Endpunkten regelt. Durch ihn wird der starke Anstieg an Internet of Things (IoT)-Applikationen nicht nur erleichtert, sondern regelrecht neu definiert. Die Verbreitung von BLE-fähigen Smartphones zeigt, welch wichtige Rolle diese vernetzten Geräte im täglichen Leben spielen. Letzten Endes sind diese Smartphones der primäre Zugang für die Kommunikation via BLE. Und genau darin liegt die Chance. Smartphones helfen uns, per App verlorene Schlüssel zu finden oder unsere Fitness zu verbessern, reichen dabei von Branchen wie Gesundheitswesen bis Customer Experience – und haben BLE zu einem allgegenwärtigen Bestandteil einer Welt gemacht, die sich immer stärker vernetzt.

BLE wird durch die Bluetooth 4.1-Spezifikation definiert und bietet gegenüber Bluetooth 4.0 einige entscheidende Vorteile, zum Beispiel simultanen Master/Slave-Betrieb sowie eine Koexistenz mit Wi-Fi und LTE. (Ein Blick auf Bluetooth 4.2 zeigt zusätzliche Verbesserungen wie verstärkte Sicherheit und andere Features, die ebenfalls zur BLE-Praxis beitragen und die stetig verbessert werden). Die Bluetooth-Standards befassen sich mit den Details von Protokollen, Datenübertragung, Interoperabilität und anderen Elementen, was von ihnen im Allgemeinen auch erwartet wird. Doch es gibt einen Aspekt, den Standards für gewöhnlich nicht festlegen, nämlich Performance. Dieses Qualitätsmerkmal bleibt den einzelnen Geräteherstellern überlassen. Deren Produkte müssen sich zwar an Compliance-Standards messen lassen, sie unterscheiden sich aber im Hinblick auf ihre Leistung, die davon abhängt, wo die Hersteller Schwerpunkte setzen. Anders gesagt: Kein BLE-Produkt gleicht dem anderen.

BLE-Technologie vereinheitlichen

Während sich ODMs und OEMs beeilen, einen Bedarf an BLE-Knoten zu bedienen, der voraussichtlich in die Milliarden gehen soll, muss sich die Branche zunächst auf das Wichtigste konzentrieren: eine grundlegende BLE-Technologie. Ein Funkchip oder -chipset, das von einem Hersteller aus einer Hand voll konkurrierender Anbieter angeboten wird, bildet die Grundlage dieser Technologie. Diese münzgroßen, batteriebetriebenen Chips, sind täuschend komplexe Geräte, die einen ARM-Prozessor, Speicher, den BLE-Software-Stack, HF-Schalter und Balun-Übertrager sowie andere Komponenten in sich vereinen, welche sehr unterschiedliche Features und Leistungsmerkmale aufweisen.

Bei BLE-Chips lässt sich die Spreu vom Weizen ganz einfach anhand weniger entscheidender Parameter trennen. Eines der wichtigsten Kriterien ist der Stromverbrauch, der sich auf die Batterielaufzeit auswirkt – ein wesentliches Merkmal für IoT-Anwendungen. Zu den eigentlichen Kosten des BLE-Chips kommen noch die der Batterie hinzu. Da die BLE-Chips der meisten Anbieter für Anwendungen wie Beacons eine Batterielaufzeit von weniger als einem Jahr aufweisen, muss der regelmäßige Austausch leerer Batterien bei den Gesamtbetriebskosten berücksichtigt werden. Berücksichtigt man diesen Aufwand für Millionen verschiedener Geräte, geht das immens ins Geld. Eine Verlängerung der Batterielebensdauer auf  vier Jahre würde die Gesamtbetriebskosten drastisch senken.

Sparsames Senden schont die Batterie

Die Einschaltdauer, also der Zeitraum, in dem das Gerät tatsächlich aktiv ist, hat einen wesentlichen Einfluss auf die Batterienutzungsdauer. Wie die meisten IoT-Geräte befinden sich auch BLE-Peripheriegeräte den größten Teil der Zeit im Sleep-Modus und wachen nur während festgelegter Zeitintervalle auf. Anwendungen sind beispielsweise Beacons (Leuchtfeuer) in der Produktwerbung. Die Datenkommunikation erfolgt in fortlaufender Reihenfolge über drei verschiedene Frequenzkanäle und besteht aus einem Sende- und einem Empfangspaket. In Senderichtung schickt das BLE-Beacon mit einem Werbeservice verknüpfte Datenworte an ein Mobilgerät (Smartphone) in seiner Reichweite. In Empfangsrichtung antwortet das Gerät, welches gezielt nach Angeboten sucht oder sie zufällig empfängt.

Es liegt auf der Hand, dass ein optimales „Werbungs-Intervall“ ein entscheidender Einflussfaktor beim Stromverbrauch ist, denn jede Werbung beansprucht die Batterie. Mit Bluetooth 4.1 lassen sich Intervallabstände zwischen 3,5 Millisekunden und 10 Sekunden einstellen. Um die Batterie zu schonen, scheint es zunächst sinnvoll, eine Einstellung von 10 Sekunden zu wählen, doch das muss nicht zwangsläufig von Vorteil sein. In einer Einzelhandelsumgebung mit schnell vorübergehenden Kunden ist ein Intervall von 10 Sekunden eine Ewigkeit und führt dazu, dass unzählige Chancen für eine Kundenbindung ungenutzt bleiben, weil deren Smartphones das Signal des Beacons nicht empfangen können.

Das andere Extrem ist ein Sendeintervall von 3,5 Millisekunden, was für die meisten Applikationen bedeuten würde, dass die Batterie innerhalb kürzester Zeit leer wäre. Das optimale Intervall unterscheidet sich je nach Anwendung, doch Atmel hat BLE-Chips mit einem so niedrigen Stromverbrauch entwickelt, dass die Batterie auch bei kleinsten Intervallen eine optimale Lebensdauer besitzt.

Das oberflächenmontierte Chip-Scale-Package mit gerade mal 2,2 mm × 2,1 mm ermöglicht ein flexibles Design und spart im PCB Platz und Kosten. Atmel

Ausdauer durch niedrigen Ruhestrom

Die Datenaussendung der Werbe-Codes ist aber nicht der einzige Einflussfaktor auf die Batterielebensdauer. Da sich BLE-Geräte die meiste Zeit im Sleep-Modus befinden, spielt Leckstrom eine ebenso große Rolle. Atmel siedelt sein BLE-Angebot im Extreme-Low-Power-Segment mit einem sehr niedrigen Ruhestromwert von unter 1 µA an. Bei anderen stromsparenden Innovationen liegt die Spitze des dynamischen Stromverbrauchs unter 3 mA bei einer Ausgangsleistung von 0 dBm. Wenn man diese Faktoren zusammennimmt, dann halten die Batterien von BLE-Peripheriegeräten mit Atmel-Technologie vier Jahre lang. Wie unterschiedlich BLE-Chips abhängig vom Sendeintervall mit ihrem Energiebedarf wirtschaften, zeigt die mittlere Stromaufnahme zweier Wettbewerber-Chips im Vergleich zu Atmels BLE-4.1-Chip BTLC1000 :

• Sendeintervall 100 ms: Chip A: 119 µA, Chip B: 290 µA, Atmel: 68 µA
• Sendeintervall 1 ms: Chip A: 13 µA, Chip B: 31 µA, Atmel: 10 µA

Kriterien für Entwickler

Der winzige BTLC1000 ist eine kosteneffiziente Lösung für viele Bluetooth-Smart-basierte Applikationen und enthält eine BLE-Funkeinheit (2,4 GHz) sowie einen Mikrocontroller mit ARM-Cortex-M0-Kern. Für den Betrieb sind nur wenige zusätzliche externe Bauteile notwendig. Atmel

Der Formfaktor spielt in Bezug auf die Kosten ebenfalls eine große Rolle und lässt sich in zwei Hauptbereiche einteilen: die Chipkosten und die Kosten für das Endprodukt. Das oberflächenmontierte Chip-Scale-Package von Atmel misst gerade einmal 2,2 mm × 2,1 mm und ermöglicht ein sehr flexibles Design. Von elementarer Bedeutung sind auch die Stücklistenpreise für ODMs und OEMs sowie für andere Entwickler, deren Anwendungen von kleinen und unscheinbaren Beacons bis hin zu Wearables reichen.

BLE ist eine relativ neue Technologie, die sich nur dann schneller verbreitet, wenn sie einfach zu verstehen, zu integrieren und einzusetzen ist. Deshalb ist es von Vorteil, sich für einen Anbieter von BLE-Lösungen zu entscheiden, der die Komplexität drahtloser Verbindungen in einem Fertigmodul zusammenfasst. So können sich auch Entwickler mit begrenzten Kenntnissen über Drahtlostechnologien auf die eigentlichen BLE-Anwendungen konzentrieren. Das erweitert die Anzahl potenzieller Entwickler und senkt obendrein die Kosten.

Anwendungen für Beacons

Beacons sind ein interessantes Beispiel für die Bewertung von BLE-Anbietern. Wie der Name bereits erahnen lässt, übertragen sie in regelmäßigem Abstand eine Kennung, die in der Regel von einer App auf einem nahegelegenen Smartphone empfangen wird. Das wiederum führt dazu, dass die App reagiert und sich zum Beispiel in ein soziales Netzwerk einloggt oder eine Push-Nachricht an den Nutzer schickt. Beacons fördern so eine kontextbezogene Wahrnehmung, die sie für den Einzelhandel sehr attraktiv macht, denn sie nützen sowohl dem Verkäufer als auch dem potentiellen Käufer. Einige Beispiele zur Veranschaulichung:

• Aus der Sicht eines Händlers verbessern Beacons die betriebsinternen Abläufe. Sie können an einzelnen hochwertigen Produkten angebracht, in Warenregale integriert oder sogar in Einkaufswägen installiert werden. Sie generieren dann Daten über das Einkaufsverhalten der Kunden, was der Händler wiederum nutzen kann, um seine Geschäft entsprechend zu strukturieren und die Verkaufszahlen so zu steigern.
• Beacons können ebenfalls zum Einsatz kommen, wenn eine Kaufentscheidung getroffen wird. Sogenannte Proximity-Marketing-Programme senden dem Nutzer eine Fülle von Daten direkt auf sein Smartphone. Diese Daten können entweder detaillierte Produktinformationen (zum Beispiel Spezifikationen, Farbe, Größe und weitere) enthalten, Coupons zur Verfügung stellen oder zusammenhängende Produktempfehlungen abgeben. So verbessern Beacons das Einkaufserlebnis des Kunden.
• Besonders kreative Beacon-Apps verbinden den Kaufvorgang mit einem Gamification-Element und machen ihn dadurch unterhaltsamer und spannender. Punkte, die der Käufer erhält, können in Rabatte, Treueprämien oder andere Anreize übersetzt werden, und das alles über das Smartphone des Nutzers, welches durch ein nahe gelegenes Beacon aktiviert wird.
• Bei größeren Anschaffungen wie dem Kauf eines Hauses oder eines Autos können Beacons ebenfalls einen Mehrwert generieren, wobei sie dem Verkäufer ebenfalls nützliche Daten liefern. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, sie bekommen als Hauskäufer eine speziell an den Standort angepasste Führung, sowohl von innen als auch von außen, und der Verkäufer erhält wertvolle Informationen über Ausstattungsmerkmale, für die sich der Käufer interessiert.
• Andere interessante Verkaufs-Applikationen auf BLE-Basis ermöglichen beispielweise kontaktloses Bezahlen, Produktbewertungen und eine Analyse der Verweilzeiten.
• Beacons bieten einen Mehrwert für das Kauferlebnis und viele weitere Aktivitäten. Wann immer der Nutzer ortspezifische Inhalte benötigt, ersparen Beacons dabei lästige Prozesse wie das Scannen von QR-Codes und erübrigen ebenso eine berührungslose RFID-Kommunikation mit geringer Reichweite.
• Zukünftige Beacon-Anwendungen könnten beispielsweise Besucher von Museen, Zoos und Kunstgalerien mit ortsspezifischen Informationen versorgen und sie auf Wander- und Fußwegen innerhalb von Smart Cities begleiten.

Die Möglichkeiten der Beacon-Technologie sind schier endlos – und sie funktioniert. Neue Studien haben belegt, dass sie das Kaufverhalten tatsächlich beeinflussen können. In einer dieser Studien gaben 80 % der Befragten an, die BLE-App eines Geschäfts häufiger zu nutzen, wenn sie ihnen relevante Reklame liefern würde.

Atmel verdoppelt den Leistungszyklus

Unabhängig von der eigentlichen Anwendung liefert die beste Bluetooth-Low-Energy-Lösung die höchste Leistung bei den niedrigsten Gesamtbetriebskosten. Da BLE schon per Definitionem auf einen niedrigen Energieverbrauch ausgerichtet ist, wird ein purer und dauerhafter Datendurchsatz von Natur aus und auch notwendigerweise begrenzt. Dennoch macht die Kombination verschiedener Kompromisse Bluetooth Low Energy zu einer idealen Lösung für Beacon-gesteuerte Anwendungen, bei denen eine kurze Übertragungszeit und eine lange Lebensdauer der Batterie entscheidend sind.

Letztendlich hat Atmels Lösung, die die Lebensdauer einer Batterie mehr als verdoppelt, noch einen weiteren Vorteil: Sie liefert im Vergleich mit konkurrierenden Lösungen den doppelten Leistungszyklus innerhalb des gleichen Zwei-Jahres-Rhythmus, wenn die Werbeintervalle kürzer sein müssen. Genau das ist die Art von Flexibilität, nach denen Entwickler suchen sollten, wenn sie das Beste unter der Vielzahl an BLE-Angeboten finden wollen, die heute im Umlauf sind.

(jwa)