Mit Bluetooth-Smart-Tags weniger suchen, mehr finden

Bild 1: Das Tile-Tag passt an den Schlüsselbund oder in die Handtasche; die zugehörige Tile-App warnt den Besitzer, wenn der Abstand zum Tag zu groß wird. Tile

Wer schon einmal stundenlang seine Schlüsseln, den Geldbeutel oder den Hund gesucht hat, findet vielleicht bei Bluetooth-Smart-basierten Tracking-Lösungen Hilfe. Die Tags und passenden Apps kommen von Firmen wie Tile (Bild 1), Protag, Trackr (Bild 2), Hippih, Pally oder Audiovox. Mit einer Reichweite von bis zu 30 m lassen sich diese Tags an alles anbringen, das beweglich ist und eventuell verloren gehen kann. Je nach Ausführung alarmieren sie den Anwender über einen Signalton, Summer oder eine Melodie auf dem Smartphone, wenn sich das Tag außerhalb der Reichweite befindet.

Bild 2: Hinter Trackr steckt ein recht kleines Entwicklerteam, das ihr Produkt über Indiegogo finanziert hat. Trackr

Die Ausführungen unterscheiden sich auch durch die Lautstärke des Tag-eigenen Summers (50 bis 80 dB), Preis, Genauigkeit, Reaktionszeit, Radarfunktion, Geo-Fencing, Crowd-Sourcing-/Suchfunktionen (meist Server-basiert), Größe (typischerweise 2,5 × 2,5 cm²) und Form, unterstütze Plattformen (iOS, Android) und natürlich durch die Batterielebensdauer/Akkulaufzeit. Die Batterielebensdauer beträgt zwischen 6 und 12 Monate; einige Modelle bieten wiederaufladbare Batterien. Die Crowd-Sourcing-/Suchfunktion ist besonders interessant, da mit steigender Anzahl der Nutzer in der Umgebung auch die Chance wächst, seinen Gegenstand zu finden. Dabei haben die Tags außer Bluetooth Smart / Bluetooth Low Energy (BLE) keine weitere Funkkommunikationstechnik.

Bluetooth Smart

Bluetooth gibt es seit 1994 in verschiedenen Ausführungen. Die von Ericsson konzipierte Technik sollte ursprünglich eine stromsparende Funkanbindung zwischen allen möglichen Geräten und Systemen bereitstellen, wurde aber schnell auf HIDs (Human Interface Devices) wie Tastaturen und Mäuse sowie für Audioverbindungen degradiert. Später kam noch die Freisprecheinrichtung (Hands-free) für Mobiltelefonie hinzu.

Als im Jahr 2010 Bluetooth LE als Teil der Bluetooth-4.0-Spezifikation den Stromverbrauch senkte, fügte Apple die Technik 2011 in das iPhone 4S ein. Erst dann wurde Bluetooth Smart zu einem richtigen Erfolg. Bluetooth Smart unterscheidet sich von Classic Bluetooth (vor Bluetooth 4.0) auf vielfältige Weise. Classic Bluetooth benötigt in etwa 40 mA Strom bei 3 V. Hochwertige Bluetooth-Systeme, die 0 dBm Ausgangsleistung erzeugen und weniger als 5 mA bei 3 V verbrauchen, bieten hingegen in vielen Umgebungen immer noch eine Reichweite von bis zu 50 m.

Tabelle 1: Im Vergleich zu Bluetooth Classic benötigt Bluetooth Smart wesentlich weniger Strom, bietet eine geringere Latenz und einen geringeren durchschnittlichen Stromverbrauch, da die meiste Zeit im Sleep-Modus verbraucht wird. Dialog Semiconductor

Der durchschnittliche Stromverbrauch einiger Anwendungen beträgt nur 1/100 dessen, was Classic Bluetooth erfordert. Der Grund: ein Bluetooth-Smart-Gerät verbringt einen relativ langen Zeitraum im Sleep-Modus. Die Wake-up-Zeit beträgt nur 6 ms, während Classic Bluetooth dazu 100 ms braucht. Authentifizierte Daten kann BLE innerhalb von nur 3 ms senden, im Vergleich zu 1 s bei Classic Bluetooth. Außerdem bietet Bluetooth Smart hohe AES-128-Sicherheit, um Daten zu schützen.

Varianten

Bluetooth Smart teilt sich in zwei Varianten: Bluetooth Smart und Bluetooth Smart Ready. Der einzige Unterschied ist, dass „Ready“ sich auf die Funktionen bezieht, die für das Hauptgerät erforderlich sind. Dies kann ein Smartphone oder ein TV-Gerät sein.

Trotz der durch Bluetooth Smart versprochenen Stromeinsparung kommt es darauf an, wie die Technik implementiert ist, um einen deutlichen Einfluss auf den Energieverbrauch des Systems und die Batterielebensdauer auszuüben. Die Hauptkriterien bei der Wahl eines Bluetooth-Smart-Funk-SoC für ein Proximity-Tag sind der Spitzenstromverbrauch, der Energieverbrauch über der Zeit (mit Berücksichtigung der Applikationsanforderungen), die Empfindlichkeit des Empfängers (die Tags müssen ein Signal von einem Smartphone empfangen, um die Reichweite abzuschätzen) sowie die Fähigkeit, mit einer kleinen Batterie (Knopfzelle) betrieben zu werden, um die Größe des Tags zu minimieren.

Batterielebensdauer

In realen Anwendungen hängt die Batterielebensdauer auch vom Meldeintervall ab, sprich wie oft das Tag senden soll. Beim Vergleich der Gerätedaten kommt es also darauf an, dass die Betriebsbedingungen unter denen diese Zahlen ermittelt werden, die gleichen oder zumindest ähnlich sind. Um ein besseres Verständnis zu erhalten, wie die Energie beim Betrieb eines Tags verbraucht wird, muss man die verbrauchte Ladung über der Zeit ermitteln, die das Gerät bei jedem Sende- und Empfangsvorgang benötigt. Zu diesen Parametern zählen:

• Sendeintervall und Ladung pro Aussendung
• benötigte Zeit und Ladung vom Kaltstart bis zur ersten Aussendung
• Zeit, Spitzenstrom und Ladung, die jeder der drei Sendekanäle verbraucht

Auch die Prozessorressourcen, die für den Anwendungscode im Bluetooth-Smart-SoC zur Verfügung stehen, sind wichtig. Falls es möglich ist, eine vollständig gehostete Lösung ohne externen Mikrocontroller bereitzustellen, spart dies Zeit, Kosten und Platz.

Bild 3: Der Dialog Semiconductor DA14580 enthält ein Bluetooth-Smart-Funksystem, einen ARM Cortex-M0-Anwendungsprozessor und intelligentes Power-Management. Dialog Semiconductor

Bei der Wahl eines Bluetooth-Smart-Funksystems spielen noch andere Überlegungen eine wichtige Rolle. Die integrierten Funktionen bestimmten, wie viele externe Komponenten erforderlich sind, um einen Beacon zu erstellen. Je weniger Bauteile benötigt werden, desto geringer sind der Entwicklungsaufwand und der Preis des Endprodukts. Weniger Bauteile bedeuten auch, dass die Produkte kleiner und zuverlässiger sind. Der Entwicklungsaufwand verringert sich noch weiter, wenn der Bluetooth-Smart-Anbieter ein Referenzdesign und bewährte Software bereitstellt.

Referenzdesign

Dialog Semiconductors DA14580 Smartbond-SoC enthält ein Bluetooth-Smart-Funksystem mit einem ARM Cortex-M0-Applikationsprozessor und intelligentes Power-Management. Der Prozessor und die integrierte Digital- und Analog-Peripherie sind über bis zu 32 GPIOs zugänglich (Bild 3).

Für die schnelle Entwicklung und Inbetriebnahme von Proximity-Tags liefert Dialog Semi passend zum SoC ein Smart-Tag-Referenzdesign. Es bietet alle erforderlichen Funktionen, einschließlich einer LED und eines Summers, um visuelle und akustische Signalverlust- oder Auffinde-Benachrichtigungen zu erzeugen sowie einen Taster zum Abschalten des Alarms. Das Design unterstützt auch OTA-Updates (Over The Air), um Geräte im Feldeinsatz einfach aktualisieren zu können. Der DA14580 betreibt sowohl die Anwendung als auch den Bluetooth Stack und wird über eine CR2032-Batterie versorgt. Um die Stückliste zu verringern, sind nur fünf passive Bauelemente für das Kerndesign des Tags erforderlich. Ein 32kHz-XTAL ist nicht erforderlich.

Das Referenzdesign verbraucht maximal 5 mA Strom im Aktivmodus und weniger als 600 nA im Standby-Modus. Der Formfaktor entspricht dem eines Proximity Tags. Hinzu kommen Schaltpläne, Layout-Information, Handbuch, Testbericht, Quellcode sowie der Quellcode der Smart-Tags-App.

Fazit

Die Anwendungen rund um Bluetooth Smart sind aufgrund des geringen Stromverbrauchs und des umfassendes Ecosystems zahlreich und vielfältig. Entwickler müssen jedoch rasch handeln, da Anwendungen immer schneller auf den Markt kommen. Daher ist ein gutes Referenzdesign entscheidend, um das Marktfenster rechtzeitig auszufüllen. Proximity Tags sind ein klassisches Beispiel, das von zahlreichen Anbietern verfolgt wird. Um in diesem Markt bestehen zu können, kommt es auf einen geringen Stromverbrauch und eine zuverlässige Datenanbindung an.

(lei)