Bluetooth Low Energy für energieeffiziente Kommunikation mit Wearables

Bild 1: Blockschaltbild eines Aktivitätsmonitors, der als Wearable-Device ausgeführt ist.Cypress

Sie sind eines der bedeutendsten Segmente im Internet der Dinge: Wearables. Es gibt sie für eine Vielzahl von Anwendungsbereichen, etwa Gesundheit, Sport und Fitness, Spiele und Lifestyle, aber auch für die Industrie. Sie überwachen verschiedene Körperbereiche, zum Beispiel die Augen (intelligente Brillen), den Hals (Halsband oder Headsets), Hände (Handschuhe), Handgelenke (Aktivitätsmonitore und Schlafsensoren) oder Füße (intelligente Socken und Schuhe). Wearables sind gewöhnlich mit Sensoren, einem Prozessor, Speicher, einer Batterie und eventuell einem Display ausgestattet. In jedem Fall brauchen sie Einrichtungen zur Datenübertragung, und zwar sowohl zum Upload der Daten als auch zum Download von Updates. Bild 1 zeigt das Blockschaltbild eines typischen Aktivitätsmonitors.

Wearables zeichnen sich durch einige konstruktive Besonderheiten aus, in denen sie sich von anderen Embedded-Devices unterscheiden. Da diese Geräte am Körper getragen werden, sind Größe und Gewicht besonders wichtig. Sie müssen zudem besonders effizient arbeiten, da ihre Batterie ebenfalls klein ist. Für Consumer-Anwendungen sind außerdem niedrige Kosten entscheidend. Der erforderliche Prozessortyp und die Speichergröße hängen von der jeweiligen Anwendung ab. So liefern zum Beispiel Bewegungssensoren einen kontinuierlichen Datenstrom, den das Gerät weitermelden muss. Aktivitätsmonitore sammeln hingegen kontinuierlich Daten, verarbeiten sie, um zu bestimmen welche Aktivität gerade ausgeführt wird, und speichern diese Metadaten zum späteren Download.

Kommunikation

Die Art, in der Wearables kommunizieren, hat wesentlichen Einfluss auf die oben aufgeführten konstruktiven Hauptfaktoren. Die OEM haben die Wahl zwischen einer Reihe von Kommunikationsprotokollen. Eingeführte Standards wie Bluetooth Classic, Zigbee und WLAN haben eine hohe Marktdurchdringung, sind jedoch nicht vorrangig für einen niedrigen Energieverbrauch konzipiert. Daher setzen viele OEM proprietäre Protokolle ein, um die benötigte Energieeffizienz zu erreichen. Proprietäre Protokolle schränken jedoch die Flexibilität und den möglichen Markt für Wearables ein, da sie die Kommunikationsmöglichkeiten auf die Geräte beschränken, die dasselbe proprietäre Protokoll unterstützen.

Um die Anforderungen von Wearables und anderen Anwendungen mit niedrigem Energieverbrauch zu erfüllen, hat die Bluetooth Special Interest Group das Protokoll Bluetooth Low Energy (BLE) entwickelt, nennt es inzwischen aber Bluetooth Smart. BLE ist eigens darauf ausgelegt, bei der Kommunikation im Nahbereich mit geringstmöglicher Leistung zu funktionieren. BLE arbeitet im gleichen 2,4-GHz-ISM-Band wie Bluetooth Classic. Dadurch können vorhandene Bluetooth-Funktechnologien genutzt werden, um die Kosten niedrig zu halten.

Eigenschaften

BLE überträgt eine Bandbreite von 1 MBit/s, was für die meisten Wearables mehr als ausreichend ist. Typische Wearables müssen primär Statusinformationen liefern und keine großen Datenmengen senden. Um den Energieverbrauch zu minimieren, ist die BLE-Architektur in jeder einzelnen Schicht optimiert worden:

• Pysical Layer: Eine Erhöhung des PHY-Modulationsindex ermöglicht niedrigere Ströme beim Senden und Empfangen.
• Link Layer: Ein schneller Wiederaufbau der Verbindung reduziert die gesamte Sendedauer.
• Control Layer: Ein intelligenterer Controller übernimmt Aufgaben wie den Aufbau der Verbindung und das Ignorieren doppelt empfangener Pakete. Diese Entlastung des Host-Prozessors ermöglicht längere Standby- oder Sleep-Phasen.
• Protocol Layer: Die Zeit für den Aufbau der Verbindung zum Datenaustausch sinkt auf wenige Millisekunden. Das Protokoll ist außerdem darauf optimiert, kleine Datenblocks in regelmäßigen Abständen zu übertragen. Dadurch kann der Host-Prozessor während der Zeiten, in denen er keine Informationen sendet, länger im Standby- oder Sleep-Modus bleiben.
• Broadcast-Modus: Wearables können auch nur im Broadcast-Modus arbeiten, in dem kein Verbindungsaufbau nötig ist.
• Robuste Architektur: BLE unterstützt ein adaptives Frequenzsprungverfahren mit einer 32-Bit-CRC-Prüfsumme für eine zuverlässigere Übertragung.

Dank des extrem niedrigen Energieverbrauchs ist BLE ideal für Wearables. Die hohe Effizienz erlaubt geringere Batteriegrößen, Gerätekosten, Gewichte und Abmessungen.

Komplexität der Entwicklung

Auch wenn Bluetooth Low Energy auf der Bluetooth-Technologie aufbaut, ist es zur herkömmlichen Bluetooth-Übertragung nicht kompatibel. Es sind jedoch Dual-Mode-Funkmodule verfügbar, die sowohl Bluetooth Classic als auch BLE unterstützen. Dual-Mode-Module, die auch „Bluetooth Smart Ready Host“ heißen, benötigen kein Dongle, wie es bei proprietären Protokollen erforderlich ist. Die breite Verfügbarkeit von BLE Smart Ready Hosts in Smartphones eröffnet den Verbrauchern eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Anbindung von Wearables.

Die Kommunikation ist nur ein Teil der Architektur von Wearables. Neben weiteren Komponenten benötigen diese Geräte:

• Analoges Frontend zur Aufbereitung der Rohsignale der Sensoren.
• Einrichtungen zur digitalen Signalverarbeitung, um Störsignale auszufiltern und eine fortschrittliche Nachbearbeitung zu übernehmen.
• Speicher.
• Prozessor für High-Level-Systemfunktionen.
• Batterieladegerät.

Bild 2: Blockschaltbild eines optischen Herzfrequenzmonitors als Armband.Cypress

Bild 2 zeigt einen optischen Pulsfrequenzmonitor, der als Armband ausgeführt ist. Dieser Gerätetyp beleuchtet das Gewebe mit einer LED und misst das reflektierte Signal mit einer Fotodiode. Dieses Signal enthält Informationen zu den Änderungen im Blutvolumen. Ein Transimpedanzverstärker wandelt den Strom der Fotodiode in eine Spannung um, die vom A/D-Wandler in ein digitales Signal umgesetzt wird. Dieses digitale Signal muss bearbeitet werden, um den DC-Offset und hochfrequente Störsignale auszufiltern, bevor das Gerät den Pulsschlag erkennt. Diese Information gibt es zur Übertragung an den BLE-Controller weiter. Optional kann das Wearable die Pulsfrequenz selbst berechnen und sie übertragen.

Diskrete Bauteile

Mehrere diskrete Bauteile komplizieren den Systemaufbau. Jedes zusätzliche Bauteil erhöht zudem den Energieverbrauch, die Systemgröße und die Kosten. Um diese Faktoren so gering wie möglich zu halten, können die OEM eine System-on-Chip-Architektur (SoC) einsetzen, die den Controller sowie die benötigten analogen und digitalen Bauteile integriert. Das PSoC BLE von Cypress ist zum Beispiel für die strikten Anforderungen des Wearable-Markts entwickelt worden. Es umfasst eine Cortex-M0-CPU (40 MHz) mit konfigurierbaren analogen und digitalen Ressourcen sowie ein eingebautes BLE-Subsystem.

Bild 3: Blockschaltbild eines optischen Herzfrequenzmonitors als Armband mit dem PSoC 4 BLE System-on-Chip.Cypress

Bild 3 zeigt die Implementierung eines Herzfrequenzmonitors mit einem PSoC-BLE. Im analogen Frontend ermöglichen vier unkonfigurierte Operationsverstärker, zwei Kleinleistungskomperatoren, ein Hochgeschwindigkeits-SAR-A/D-Wandler und ein eigener Block zur kapazitiven Berührungserkennung fortschrittliche Bedienerschnittstellen mit berührungsempfindlichen Displays. Für die digitale Verarbeitung stehen zwei serielle Kommunikationsblöcke für I²C-, UART- und SPI-Schnittstellen zur Verfügung. Der Prozessor besitzt vier 16-Bit-Hardware-Timer/Zähler-Impulsbreitenmodulatoren und vier universelle digitale Blöcke zur Implementierung digitaler Logik in Hardware. Letzteres ist ganz ähnlich wie bei der Implementierung von Logik in einem FPGA.

Für diese Anwendung genügen als externe Komponenten einige passive Bauteile, ein Transistor als Treiber für die LED und die Bauteile zur HF-Anpassung. Weil die übrigen Komponenten integriert sind, lässt sich der Energieverbrauch des Systems sehr gut kontrollieren. So kann der Entwickler zum Beispiel das analoge Frontend abschalten, wenn es nicht benötigt wird.

Smarte Lösung

Die breite Verfügbarkeit von Bluetooth Smart Ready in Smartphones, Tablets und anderen tragbaren Geräten macht Bluetooth Low Energy zu einer ausgezeichneten Wahl für das Kommunikationsprotokoll von Wearables. Mit SoC-basierten BLE-Controllern können die OEM den Energieverbrauch, die Gerätegröße und die Systemkosten minimieren und Wearables so noch attraktiver und wettbewerbsfähiger machen.

(lei)