Технология Bluetooth и техническая реализация

Bluetooth- спецификация беспроводных персональных сетей (Wireless personal area network, WPAN), которая обеспечивает обмен информацией между двумя устройствами, оснащенными адаптерами Bluetooth в не лицензируемом частотном диапазоне 2,4-2,48 ГГц, что обеспечивает невысокую стоимость устройств.

Bluetooth предназначен для использования в условиях сильных линейных искажений (замираний) в радиоканале, что достигается расширением спектра радиосигнала, т.е. увеличением его базы. В Bluetooth для этого используется один из трех основных методов расширения спектра- FHSS. FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) заключается в периодической скачкообразной псевдослучайной перестройке рабочей частоты по некоторому алгоритму, известному приемнику и передатчику. Весь выделенный для Bluetooth-радиосвязи частотный диапазон 2,402-2,480 ГГц разбит на N (рис.22а) частотных каналов. Полоса каждого канала 1 МГц, разнос каналов - 140-175 кГц. Для кодирования пакетной информации используется частотная манипуляция (рис.22б). Частота несущей скачкообразно меняется 1600 раз в секунду. Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является случайной и известна только передатчику и приемнику. Это обеспечивает конфиденциальность передаваемой информации. Кроме того, если рядом работают несколько пар приемник-передатчик, то они не мешают друг другу.

Рисунок 22- Диапазон и способ кодирования Bluetooth

Установка соединения между устройствами Bluetooth находящимися в пределах досягаемости, начинается с поиска других устройств /26/.

-Limited discoverable mode. В этом режиме находятся устройства, которые могут отвечать на запросы только ограниченное время или должны отвечать только при соблюдении определенных условий;

-Non-discoverable mode. Находящиеся в этом режиме устройства не отвечают на новые запросы.

Если процесс обнаружения абонентов прошел нормально, то новое устройство Bluetooth получает набор адресов доступных устройств, и за этим следует операция Device name discovery, когда новое устройство выясняет имена всех доступных Bluetooth-устройств в сети. Каждое устройство Bluetooth должно иметь свой уникальный адрес, но на уровне пользователя обычно используется имя устройства, которое не обязано быть уникальным. Еще одной из важных особенностей интерфейса Bluetooth является автоматическое подключение устройств Bluetooth к службам, предоставляемым другими устройствами. Поэтому, после выяснения списка имен и адресов выполняется поиск доступных услуг, предоставляемых абонентами сети. Получение или предоставление каких- либо услуг происходит согласно протоколу Service Discovery Protocol (SDP). Учитывая открытость сети, в стандарте Bluetooth уделено внимание защите передаваемых данных. Основой системы безопасности

интерфейса Bluetooth является сеансовый ключ . Сеансовый ключ генерируется в процессе соединения двух устройств и используется для идентификации и шифрования передаваемых данных. После установки соединения канал можно использовать для самых различных целей, опираясь на комплект базовых протоколов. В основе лежит протокол физического уровня Baseband protocol, параметры которого определяются физическими характеристиками радиоканала. На уровне логического соединения используется протокол Logical Link Control and Adaptation Layer Protocol (L2CAP), работающий только с асинхронными соединениями.

доставку пакета нужному абоненту. Кроме L2CAP на уровне канала работают Link Management Protocol (LMP) и голосовые каналы, используемые для передачи аудиоинформации в синхронном режиме. LMP относится к служебным протоколам, обслуживающим настройку физических характеристик канала, службы безопасности и тому подобные потребности. На более высоких уровнях используются стандартные драйвера и приложения операционной системы.

Для организации обмена между Bluetooth устройствами необходимо, чтобы они поддерживали общий профиль, т.е. одинаковый набор функций или возможностей. В стандарте определены различные профили. Так, например Bluetooth модули BTM-110/BTM-220 поддерживают профиль SPP (Serial Port Profile), который эмулирует последовательный порт, предоставляя возможность замены стандартного RS-232 беспроводным соединением.

Модуль BTM-111 имеет следующие характеристики:

-class 2 Bluetooth V2.0+EDR;

-выходная мощность передатчика до +4 дБм;

-чувствительность приемника -83 дБм;

-последовательный интерфейс поддерживает скорости от 2400 бит/с до 3686,4 Кбит/с;

-максимальная скорость передачи данных по радиоканалу до 2178,1 Кбит/сек; -аппаратный контроль потока;

-питание - 3.3В;

-энергопотребление;

в режиме ожидания- 0,6 мА, при подключении- 28 мА, при передаче данных- 46 мА, при запросе- 80 мА;

-габаритные размеры: 25,0 x 14,5 х 2,2 мм.

Основным недостатком BTM-111 является большой потребляемый ток в активных режимах, особенно при передаче данных и запросе. Кроме того, для передачи сигнала от датчика физиологических сигналов на модуль BTM-111 необходим микроконтроллер с UART интерфейсом, что еще больше увеличивает потребление, а также габариты.

Более рациональным является использование для этих целей радиочастотных систем на кристалле (SoC), например, микросхемы CC2541 /27/, структурная схема которой приведена на рисунке 23.

Рисунок 23- Структурная схема системы на кристалле CC2541

Основными особенностями CC2541 являются:

-быстрая реализация маломощных однорежимных Bluetooth датчиков: полное системное решение: 2.4 ГГц система-на кристалле CC2541, стек протокола, профильное ПО, примеры, наборы разработчика, техническая документация и поддержка;

-упрощенные проекты на одном чипе, интегрированное и гибкое решение: контроллер, Host и приложение в одном миниатюрном устройстве;

-поддержка Bluetooth v4.0 и режимов работы на скоростях 250 Кбит/с, 500 Кбит/с, 1 Мбит/с и 2 Мбит/с;

-встроенный алгоритм шифрования AES128;

-возможность разработки низкопотребляющих беспроводных датчиков, которые могут сохранять работоспособность от одной батарейки более 1 года: -ток потребления 18.5 мА при уровне выходной мощности 0 дБм;

-потребление тока менее 14 мА при использовании специализированного понижающего преобразователя TPS62730 (при питании от батареи типа CR2032); -энергетический потенциал линии связи до 99 дБ;

-встроенный 12-ти разрядный восьмиканальный сигма-дельта АЦП.

Стек протоколов TI's Bluetooth® low energy (BLE) предоставляет все необходимое программное обеспечение для разработки приложений Bluetooth® low energy на базе системы-на-кристалле CC2541. BLEStack включает в себя объектный код самого стека протоколов BLE, примеры программных проектов и приложений с исходными текстами, приложение для ПК BTools для тестирования BLE- приложений, техническую документацию, включая пособие разработчика и справочник по API-функциям BLE.

Основные возможности BLEstack:

-Отвечает требованиям спецификации Bluetooth specification version 4.0;

-Имеет режим хост-устройства, контроллера;

-Поддерживает специализированные профили устройств;

-Имеет поддержку режимов мастера и подчиненного устройства;

-Имеет небольшой объем кода;

-Обладает высокой энергоэффективностью.

Построенный на базе CC2541 датчик позволит передавать физиологические сигналы по беспроводному каналу в персональные компьютеры (настольные, карманные, ноутбуки), мобильные телефоны для обработки и дальнейшей передачи на базовую рабочую станцию, например, по каналу GPRS.