Aktuální vydání

celé číslo

08

2021

Digitální transformace a konvergence provozních, informačních a inženýrských systémů

Výzkum, vývoj a vzdělávání v automatizaci

celé číslo

Bluetooth Low Energy není jen nová verze standardu Bluetooth

Rostoucí počet mobilních zařízení a potřeba výměny informací s velkým počtem jednoduchých zařízení, např. snímačů, kladou na moderní bezdrátovou komunikační techniku nové požadavky. Tento článek shrnuje vývojové trendy spojené s koncepcí internetu věcí: vývoj jednoduchých zařízení s malou spotřebou energie, energeticky úsporných metod bezdrátové komunikace s možností koexistence několika sítí v jednom prostoru a nakonec vývoj aplikačního softwaru pro mobilní zařízení, který bere ohled na minimální spotřebu energie.  

Potřeba výměny informací mezi různými zařízeními roste. Stále častější jsou požadavky na nepřetržitý dohled nad využitím průmyslových zařízení, na sledování spotřeby energie nebo zásob ve skladu nebo na dálkové ovládání zařízení. Počet takových požadavků roste bez ohledu na to, o jaký obor jde. Jako několik příkladů uveďme:

  • lékařství: dálkový dohled nad zdravotním stavem pacientů a odesílání varovných hlášení,
  • technika budov: sledování spotřeby energie, zabezpečení přístupu,
  • průmysl: dálkový dohled nad stroji, automatizované systémy pro dokladovatelnost výroby,
  • infrastruktura a ochrana prostředí: sledování dopravy, monitorování znečištění ovzduší nebo vody.

Chytrá zařízení a internet věcí

Chytrá zařízení jsou taková zařízení, která mají vlastní procesor a mohou s ostatními zařízeními komunikovat místně, prostřednictvím vhodné lokální sběrnice, nebo, a to je nový trend, i celosvětově prostřednictvím internetu. Patří sem např. chytré měřiče spotřeby plynu nebo elektřiny, inteligentní zabezpečovací snímače (snímače pohybu, požární hlásiče), chytré semafory v ulicích nebo např. chytrá čerpadla v domácích bazénech.

Myšlenka chytrých zařízení není zcela nová, ale nové podněty do této oblasti přináší právě dostupnost těchto zařízení prostřednictvím internetu. Umožňuje to rychlý rozvoj internetové infrastruktury a zlevňování možností přístupu k internetu. Je tak vytvářena koncepce nazývaná internet věcí, web věcí nebo vestavěný (embedded) web. Chytrá zařízení často mají kromě připojení k internetu i možnost lokální bezdrátové komunikace. Pro mnohé úlohy jsou vyžadovány komunikační brány, které komunikují se snímači a dalšími jednoduchými zařízeními prostřednictvím lokální bezdrátové sítě nebo sítě mobilních telefonů a zprostředkují těmto zařízením přístup do Ethernetu. 

Energeticky úsporná technika pro bezdrátovou komunikaci

Sítě mobilních telefonů (GSM) mají velmi dobré pokrytí a pro mnohé úlohy jsou tou správnou alternativou. Ovšem ne vždy. Nevýhodami jsou relativně velká spotřeba, vysoká cena a velké provozní náklady. To vylučuje použití komunikace prostřednictvím GSM u jednoduchých, levných bezdrátových snímačů. U nich je dávána přednost lokálním bezdrátovým sítím, pomocí nichž snímače komunikují s komunikační bránou, jež je potom připojena k internetu kabelovou infrastrukturou nebo i bezdrátově sítí GSM.

Pro energeticky úsporné bezdrátové sítě krátkého dosahu je dispozici několik vhodných standardů, např. Ant+, Bluetooth, En­Ocean nebo ZigBee. Je také možné navrhovat proprietární sítě v pásmu generálních licencí, tj. 2,4 a 5 GHz.

K dispozici jsou rovněž energeticky úsporné komunikační moduly pro sítě WiFi. Standard WiFi však neumožňuje vyvinout velmi úsporné komunikační moduly, a tudíž i energeticky úsporné moduly WiFi mají pro mnohé případy použití, např. právě pro jednoduché snímače, spotřebu příliš velkou.

Shrnuto: základním požadavkem internetu věcí jsou zařízení se snadno využitelnou, cenově úspornou bezdrátovou komunikací s malou spotřebou (obr. 1).

Aby mělo použití bezdrátové komunikace smysl, je vyžadováno také bezdrátové napájení. Nejčastěji jsou využívány baterie. Pro jednoduché snímače a zařízení často stačí knoflíková baterie, jejíž kapacita zajistí napájení zařízení po dobu několika let. Jestliže napájení bateriemi z nějakého důvodu nevyhovuje, je v současné době k dispozici několik alternativních metod, souhrnně nazývaných „energy harvesting“. Patří sem využití solárních článků, rozdílu teplot nebo pohybu (např. vibrací).

Kromě připojení snímačů a akčních členů k internetu stále rostou i požadavky na bezdrátově připojená zařízení HMI pro lokální dohled nad stroji a zařízeními a jejich ovládání. Uživatelé nezřídka požadují, aby k tomu mohli použít běžné mobilní telefony nebo tablety. Tato mobilní zařízení mohou současně plnit funkci komunikační brány pro připojení do internetu (obr. 2). Jejich operační systémy (Android, Apple iOS, Windows Mobile) i vizualizační aplikace musí být přizpůsobeny pro energeticky úsporný provoz.  

Co je Bluetooth Low Energy?

Bluetooth Low Energy je komunikační standard vhodný pro zařízení, u nichž je požadována zvláště malá spotřeba energie a současně možnost připojení k chytrým telefonům nebo tabletům s možností bezdrátové komunikace Bluetooth.

Bluetooth Low Energy se od běžného komunikačního standardu Bluetooth, vhodného pro přenos kontinuálního proudu dat, včetně hlasových služeb, značně liší. Klasická komunikace Bluetooth pomohla omezit potřebu kabelového propojení v mnoha úlohách v oblasti spotřební elektroniky, v lékařské technice i v průmyslu. Bluetooth Low Energy je standard vhodný pro oblasti, kde klasický Bluetooth nelze použít – typicky pro připojení jednoduchých snímačů a zařízení napájených knoflíkovou baterií k chytrým telefonům, tabletům nebo komunikačním branám.

Spotřeba elektřiny u Bluetooth Low Energy je udržována na minimální hodnotě tím, že připojené zařízení je po většinu doby udržováno ve spánku a probouzí se jen tehdy, je-li iniciována jeho aktivní komunikace. Aktivní komunikace přitom trvá jen několik milisekund a odběr proudu je v této době do 15 mA. Průměrný odběr proudu závisí na frekvenci požadavků na komunikaci; typicky je méně než 1 μA. To znamená, že k napájení zařízení po dobu několika let plně postačí knoflíková baterie, např. CR2032. Je také možné využít alternativní zdroje energie – energy harvesting.

Cenou za dosažení malé spotřeby je to, že prostřednictvím Bluetooth Low Energy je možné přenášet jen malé objemy dat. Teoreticky je to 1 Mb/s, ale v praxi jsou přenosové rychlosti do 100 kb/s.  

Software a topologie

Součástí standardu Bluetooth je sada profilů – to jsou v podstatě malé aplikace, které určují chování zařízení Bluetooth při komunikaci s ostatními členy sítě. Příklady profilů klasického Bluetoothu jsou profily pro náhlavní sadu (sluchátka s mikrofonem), pro výměnu softwarových objektů, pro distribuci audiosignálu a videosignálu, pro přenos souborů, pro emulaci sériového rozhraní a pro síť PAN (Personal Area Network).

Profily standardu Bluetooth Low Energy jsou od profilů klasického standardu Blue­tooth odlišné a jsou založeny na profilu GATT – Generic Attribute Profile. GATT zahrnuje skupiny služeb, atributy, deklarace a popisy zařízení. V profilu GAP – Generic Access Profile je definován přehled zařízení, spojení a vazeb. Tímto způsobem jsou vytvořeny základní služby a profily jako profily pro hodiny, měření stavu baterie, I/O moduly, zařízení pro automatizaci v budovách (snímače teploty, termostaty, snímače vlhkosti, ovladače osvětlení, vypínače, stmívače atd.), zařízení pro dálkové ovládání, zařízení pro tělocvičné aktivity (počítadlo kroků, měřic pulzu) nebo zdravotnická zařízení (glukometry apod.).

Na rozdíl od klasického standardu Bluetooth mohou výrobci zařízení vyvíjet vlastní profily a služby, nad rámec těch, které jsou poskytovány a certifikovány asociací Bluetooth SIG. Například společnost ConnectBlue vytvořila profil služby pro emulaci sériového rozhraní Low Energy Serial Port Service. Tato služba vychází z GATT a je nástrojem pro transparentní sériovou komunikaci. Je vhodná pro zařízení, kde jsou přenášeny menší objemy dat v náhodných, ne příliš krátkých intervalech.

Stejně jako klasické sítě Bluetooth, i sítě Bluetooth Low Energy využívají topologii s jedním řídicím zařízením (master) a množstvím řízených zařízení (slaves). V sítích Bluetooth Low Energy může být počet řízených jednotek velmi velký – jejich množství je omezeno jen použitou implementací a velikostí paměti řízené jednotky. Využít lze novou funkci – advertising. Ta umožňuje řízeným jednotkám inzerovat, že mají data, která by chtěly sdílet, a ostatní jednotky pomocí funkce scanning zjišťují, zda jsou to data určená pro ně. Zpráva typu advertising obsahuje měřené údaje nebo události.

Sítě standardu Bluetooth Low Energy využívají topologii jednoduché hvězdy, která významně usnadňuje implementaci sítě. Tato topologie velmi dobře vyhovuje většině běžných úloh, kde se vyskytuje množství jednoduchých zařízení a jedna řídicí jednotka. Ve většině případů je v místě instalace řídicí jednotky k dispozici připojení k Ethernetu, kterým lze zajistit komunikaci na větší vzdálenosti, takže není třeba sítí Bluetooth pokrývat rozlehlé území. V podstatě každá jednotka může plnit funkci masterslave, avšak nikdy současně. Každá jednotka master může komunikovat s několika jednotkami slaves (a to i současně) – záleží na výkonu jejího procesoru a paměti, kolik jednotek slaves může být.  

Kompatibilita

Protože klasické sítě Bluetooth a sítě Bluetooth Low Energy jsou v mnohém rozdílné, není jejich vzájemné kompatibilita samozřejmá. Lze využít tyto možnosti: 

Sítě Bluetooth Low Energy

První možností je použít v celé síti jen zařízení Bluetooth Low Energy. To plně postačuje např. pro komunikaci snímačů teploty, tlaku nebo měřičů spotřeby. Tato zařízení jsou označována Bluetooth Smart Devices. Výhodou je nízká cena i spotřeba komunikujících jednotek. 

Kombinace klasické sítě Bluetooth a Bluetooth Low Energy

Zařízení s komerčním označením Bluetooth Smart Ready Devices (dual-mode) mohou pracovat v síti Bluetooth Low Energy i v klasické síti Bluetooth. U těchto zařízení není prioritou energetická efektivita – za schopnost pracovat v obou sítích zařízení zaplatí zvýšenou spotřebou komunikačního modulu. Také cena je vyšší než v předchozím případě. Příklady těchto zařízení jsou průmyslové řídicí jednotky, počítače nebo chytré telefony.  

Snadná instalace a vynikající koexistence s jinými bezdrátovými sítěmi

Bluetooth Low Energy zdědila mnohé funkce klasického standardu Bluetooth, včetně funkce adaptivních frekvenčních přeskoků AFH (Adaptive Frequency Hopping). Díky tomu se i zařízení Bluetooth Low Energy snadno uvádějí do provozu a komunikace je velmi odolná a spolehlivá i v náročných podmínkách. Přesto je tu jedna odlišnost: pro zjednodušení konstrukce a snížení ceny rádio­vých modulů využívá Bluetooth Low Energy jen čtyřicet kanálů o šířce 2 MHz, zatímco klasická síť Bluetooth pracuje se 79 kanály o šířce 1 MHz (obr. 5).

Bluetooth, Wireless LAN, IEEE 802.15.4 (ZigBee), Wireless HART a mnohé další proprietární sítě pracují v pásmu 2,4 GHz, kde platí tzv. generální licence (pásmo se nazývá též ISM – Industrial, Scientific, Medical). Pro spolehlivou komunikaci i v případě koexistence různých sítí v jednom prostoru je důležité, aby jednotlivé sítě využívaly metody řízení frekvence. Standard Bluetooth tento problém vyřešil uplatněním už zmíněné funkce AFH. Díky tomu jsou sítě Bluetooth, stejně jako Bluetooth Low Energy, velmi odolné proti interferencím. Bluetooth nepoužívá ty kanály, které jsou právě obsazeny jinými sítěmi. Navíc je možné využít tzv. channel blacklisting – tzn. že některé kanály jsou předem zakázány a zařízení Bluetooth se je ani nepokouší používat (obr. 6).

Díky modifikované modulaci má Bluetooth Low Energy přibližně o 3 dB lepší bilanci rádiového spoje než klasický Bluetooth. Rádiové moduly Bluetooth Low Energy proto mají přímý dosah 200 až 300 m bez nutnosti používat opakovače. Většina snímačů a akčních členů v průmyslu si vystačí s dosahem 20 až 50 m, avšak s ohledem na spolehlivost a robustnost je důležité mít velkou rezervu, která umožní vypořádat se s překážkami na trase a s interferencí.  

Příklady použití Bluetooth Low Energy

Bluetooth Low Energy najde uplatnění v technice budov, ve zdravotnictví i v průmyslu. 

Zdravotnická zařízení

V moderních nemocnicích se údaje o zdravotním stavu pacientů nezapisují do papírové karty, ale zaznamenávají se v elektronické podobě. Problémovým místem je manuál­ní přepis údajů z elektronického přístroje do elektronické databáze, který může být zdrojem chyb.

Řešením je bezdrátový komunikační rozbočovač nemocničního lůžka – Wireless Bedside Hub. Přístroje, které monitorují pacien­ta, jsou k tomuto rozbočovači připojeny prostřednictvím bezdrátové sítě Bluetooth, klasické i Low Energy. Rozbočovač zaznamenaná data předává do elektronického záznamu o zdravotním stavu pacienta prostřednictvím ethernetové sítě. Pro větší objemy dat nebo nepřetržitý dohled je lépe použít klasický standard Bluetooth, avšak pro snímače napájené z baterie a přenášející naměřené údaje jen občas je výhodnější Bluetooth Low Energy (obr. 6).

Bluetooth Low Energy pomáhá také sledovat využití krve a krevních derivátů pro transfuze. Krev a transfuzní přípravky musí být skladovány při určité teplotě: některé při teplotách +2 až +6 °C, jiné při teplotě +20 až +22 °C, jiné se zmrazují. Jestliže jsou transfuzní přípravky uloženy při jiné než stanovená teplotě, zkracuje se jejich exspirace nebo jsou zcela znehodnoceny. K měření teploty jsou využívány teploměry s výstupem Bluetooth Low Energy, připojené k počítači. K těmto snímačům je možné se připojit také pomocí chytrého telefonu. Snímače však nejen měří teplotu, ale také vyhodnocují použitelnost přípravků a počítají zbývající exspiraci. V jejich paměti jsou uloženy rovněž informace o odběru, zpracování a možném použití transfuzních přípravků.  

Asistenční služby

Stárnoucí populace vyžaduje zvýšenou lékařskou péči, ovšem rozpočet zdravotnických zařízení je omezený. Řešením je snižování nákladů na zdravotní péči její optimalizací – např. tím, že se omezí délka pobytu pacientů v nemocnicích. Možnost zůstat ve svém domově ocení i většina pacientů. Je však nutné zajistit jejich bezpečnost a dohled nad jejich zdravotním stavem.

Asistenční technika (assistive technology) umožňuje lidem se špatným fyzickým či psychickým zdravotním stavem bezpečně žít ve svém domově, mimo zdravotnické zařízení. Klient nosí na svém těle snímače s bezdrátovým přístupem, které komunikují s datovými koncentrátory Home Hub rozmístěnými po domě a propojenými navzájem a s dohledovým centrem pečovatelské služby běžnou komunikační sítí, např. Ethernetem. Systém umožňuje sledovat aktivitu klienta, včetně např. příjmu potravy a tekutin a vyměšování. Pečovatel může sledovat, kde se jeho klienti zdržují, popř. je upozorněn, jestliže zmatený klient opouští bezpečný prostor domova.

Jiný příklad z oblasti asistenční techniky: pacientům s městnavým srdečním selháním může při zhoršení zdravotního stavu zachránit život včasný lékařský zásah. Pacienti proto nosí na těle snímače připojené prostřednictvím Bluetooth Low Energy k chytrému mobilnímu telefonu. Ten funguje jako komunikační brána a při akutních potížích předává naměřené údaje spolu s údajem o poloze pacienta zdravotnickému pracovišti, kde lékař rozhodne o dalším postupu – okamžité změně medikace, popř. nutnosti převézt pacienta do nemocnice. Využití standardu Bluetooth Low Energy zde prodlužuje dobu provozu snímačů bez výměny baterií a snižuje celkovou cenu zařízení ve srovnání s použitím jiných komunikačních standardů.  

Využití v průmyslu

Bluetooth Low Energy je standard vhodný pro některé úlohy sběru dat. Může např. přenášet naměřené hodnoty v určitém časovém intervalu nebo při určité změně měřené veličiny. Snímač kromě komunikačního modulu Bluetooth Low Energy obsahuje také procesor a software pro zpracování naměřených hodnot, vyhodnocení logických podmínek a paměť pro uložení naměřených hodnot.

Velmi lákavá je také možnost využít běžný chytrý telefon nebo tablet jako operátorský panel. Takový operátorský panel komunikuje např. s PLC, zobrazuje aktuální hodnoty proměnných, umožňuje upravovat parametry a odlaďovat programy (obr. 7). Klíčovou vlastností přenosných operátorských panelů je rychlý a bezpečný přístup k řídicím systémům strojů a linek. Bluetooth Low Energy je zde vhodným řešením.

Chytré telefony a tablety ale nabízejí více než běžné bezdrátové operátorské panely: díky připojení k internetu je možné vyhledávat uživatelské manuály nebo předávat naměřené hodnoty či seznamy alarmů pracovníkům údržby.

Bluetooth Low Energy umožňuje realizovat ještě další funkci: lze sledovat, zda je obsluha v bezprostředním okolí linky nebo nikoliv, popř. zjišťovat, kde v provozu se operátor s mobilním panelem nachází.

Další možností je využít Bluetooth Low Energy pro diagnostiku. V diagnostickém modulu stroje je možné ukládat údaje o typu zařízení, době provozu, poslední prohlídce, alarmech, přetížení apod. Prostřednictvím Bluetooth Low Energy je možné tato data přenést do přenosného počítače nebo tabletu údržbáře, který přijde do blízkosti diagnostikovaného zařízení (obr. 8).  

Rolf Nilsson, connectBlue

Obr. 1. Základním požadavkem internetu věcí je cenově výhodné bezdrátové spojení – připojení snímačů a zařízení přímo k síti mobilních telefonů by bylo příliš nákladné

Obr. 2. Aplikace v chytrých telefonech a tabletech mohou sloužit jako HMI pro místní ovládání zařízení a současně jako komunikační brána do internetu

Obr. 3. Příklady komunikačních modulů Bluetooth od firmy ConnectBlue – vlevo klasické moduly Bluetooth, vpravo moduly Bluetooth Low Energy, uprostřed moduly s možností komunikovat v obou sítích

Obr. 4. Bluetooth Low Energy využívá jen čtyřicet kanálů, 37 pro data a tři pro zprávy typu advertising

Obr. 5 Koexistence Bluetooth Low Energy a Wireless LAN – devět datových kanálů a tři kanály pro advertising jsou rozloženy mezi tři kanály nejčastěji využívané sítěmi Wireless LAN v pásmu 2,4 GHz

Obr. 6. Komunikační rozbočovač nemocničního lůžka

Obr. 7. Využití tabletu nebo chytrého telefonu jako přenosného operátorského panelu

Obr. 8. Při příchodu servisního technika k zařízení se prostřednictvím Bluetooth Low Energy přenesou data z diagnostického modulu stroje do tabletu technika

 

Tab. 1. Srovnání klasického Bluetoothu (Bluetooth 4.0) a Bluetooth Low Energy (zdroj: Wikipedia; další údaje lze najít na stránkách Buletooth SIG – www.bluetooth.org)

 

Klasický Bluetooth

Bluetooth Low Energy

Dosah

100 m

50 m

Datová propustnost kanálu

1 až 3 Mb/s

1 Mb/s

Skutečná přenosová rychlost

0,7 až 2,1 Mb/s

0,27 Mb/s

Počet aktivních řízených jednotek (slaves)

max. 7

neomezený (resp. omezený implementací)

Přenos hlasu

ano

ne

Topologie sítě

Scatternet

hvězda

Spotřeba

 

1 až 50 % spotřeby klasického standardu

Maximální proudový odběr

30 mA

15 mA