česky english Vítejte, dnes je úterý 24. září 2019

Bluetooth® SMART Beacons: chytré elektronické majáky

DPS 2/2015 | Součástky - články
Autor: Ing. Ondřej Hruška, ASICentrum spol.

Elektronické majáky (Beacons) slouží k periodickému vysílání informací obecně jakéhokoliv typu a jejich příjmu na chytrých telefonech. Je to analogie se skutečnými pobřežními majáky, které vysílají v určitých intervalech světlo a pomocí těchto signálů dovedou lodě přes zrádná skaliska spolehlivě do přístavu. Nyní si tedy představme situaci, kdy se vám – třeba při prohlídce muzea – váš smartphone občas ozve a vy zjistíte, že se na něm objevily detailní informace o exponátu, který se nachází někde v místnosti, kterou právě procházíte. Získání takových informací vám zprostředkuje miniaturní maják umístěný někde poblíž, čili vás k onomu zajímavému exponátu spolehlivě dovede. Princip této komunikace (iBeacon) je založen na tom, že jednotlivé majáky vysílají pouze kód (položka UUID na obr. 5 v závěru článku), ten přijme smartphone, přes datovou či wifi síť tento kód spáruje s informací uloženou někde na serveru a tato informace je následně zobrazena na vašem smartphone. Takto sice nabydete dojmu, že maják u exponátu přímo vysílá informace, skutečnost je ale jiná, což znázorňuje obr. 6 na konci tohoto článku. Dostupnost informací je v tu chvíli pochopitelně závislá na datovém či wifi připojení vašeho smartphone.

Bluetooth® SMART Beacons firmy EM Microelectronic kráčí ovšem podstatně dále. Technologii iBeacon rozšiřují, doplňují o přímé vysílání dalších informací či údajů ze senzorů a umožňují velmi jednoduše vytvářet vlastní zákaznické aplikace. Bluetooth® SMART Beacons představují jeden z příkladů využití nové technologie Bluetooth Low Energy (BLE 4.0). Unikátních parametrů bylo dosaženo díky dvěma součástkám s extrémně nízkým příkonem a s nízkým napájecím napětím: EM9301 – Bluetooth Low Energy Controller s napájecím napětím od 0,8 V [1], [2] a EM6819 – 8bit Flash μController s DC-DC, ADC, OpAmp a EEPROM a napájecím napětím od 0,9 V [3]. Tento příspěvek také volně navazuje na článek [4].

Na trhu je nyní dostupná verze EMBC01 (BLE Proximity Beacon) [7], pro kterou platí všechny dále uvedené údaje. O dalších chystaných či možných variantách se dočteme v závěru článku. Pro lepší představu o možnostech nasazení v nejrůznějších aplikacích poslouží nejlépe příklad z nedávné doby. Na výstavě Consumer Electronics Show (CES), která se konala od 6. do 9. 1. 2015 v Las Vegas, bylo ve výstavních prostorech rozmístěno přibližně 500 majáků EMBC01, které sloužily k navigaci návštěvníků po veletrhu a k přenosu nejrůznějších informací do jejich telefonů s operačním systémy iOS nebo Android. To představovalo dosud vůbec největší nasazení této multiprotokolové technologie v reálném prostředí [8], [10].

BLE Proximity Beacon EMBC01 má certifikaci od FCC/IC/CE, je napájen z baterie CR2032 Li 3 V a je určen pro pracovní teploty v rozsahu – 20 až + 60 ˚C. Jeho průměr je 30 mm, tloušťka 10 mm a váha pouhých 7 gramů.

Zapouzdření a montáž

Příklady různého provedení, a tedy variant montáže EMBC01 jsou na obr. 1 – připevnění na stěnu, přívěšek na krk, pásek na zápěstí atp. Pouzdro je z bílého průsvitného plastu, který umožňuje indikaci LED diodami umístěnými na plošném spoji uvnitř. EMBC01 se dodávají v krytu s logem nebo bez loga, u vyšších sérií je tu možnost umístění vlastního loga nebo jakéhokoliv nápisu či znaku na pouzdro, stejně jako volba barvy pouzdra. Aby byl servis dokonalý a byly splněny všechny možné požadavky zákazníků, je tu nabídka dodávek EMBC01 bez baterie, bez krytu i bez tlačítka ve formě samotného otestovaného plošného spoje (obr. 2). V této podobě je ale EMBC01 dodáván bez certifikace.

Obr1

Obr. 1 Možnosti zapouzdření

Obr2

Obr. 2 Plošný spoj

Funkční režimy a indikace

Uprostřed plošného spoje EMBC01 je tlačítko pro přepínání režimů, po obvodu LED diody pro indikaci stavu. Tabulka 1 srovnává všechny 4 výrobcem přednastavené režimy a jejich typické vlastnosti – komunikační vzdálenost, vysílací interval a životnost baterie. Ve své vlastní aplikaci si zákazníci nastaví takovou kombinaci, která bude jejich potřebám nejlépe vyhovovat.

Tab1

Přepínání režimů mezi sebou a LED indikace jsou zřejmé ze stavového diagramu na obrázku 3.

Obr3

Obr. 3 Stavový diagram EMBC01 s firmware verze 2.5.0

Vývoj zákaznických aplikací

Vývojový kit EMBC01DVK [9] obsahuje 5 ks BLE majáků EMBC01, adaptér a kabely pro připojení k programovacímu nástroji Raisonance Rlink (ten je dodáván zvlášť) – vše viz obr. 4. Skripty pro programování a modifikaci firmware jsou k dispozici ke stažení po registraci na stránkách forums.emdeveloper.com. Na plošném spoji EMBC01 je kromě EM9301, EM6819 a základních součástek k dispozici volná plocha pro senzory, které lze snadno připojit a tak vytvářet vlastní uživatelsky pozměněné prototypy. Do příkladů snímaných analogových veličin zařaďme viditelné či infračervené světlo, do digitálních signálů šířených po sběrnici I2C – zrychlení, tlak, teplotu či vlhkost.

Obr4

Obr. 4 Vývojový kit

Majáky EMBC01 jako součást vývojového kitu jsou sice předprogramovány pro vysílání paketů ID dat kompatibilních se standardem iBeacon, lze je ale jednoduše přenastavit, a tím pádem změnit:

––typ vysílaných paketů SensorData, AltBeacon nebo ID Data a jejich kombinace

––funkci tlačítka (úprava stavového automatu)

––periodu vysílání

––vysílací výkon a tedy dosah

––identifikační údaje (MAC adresy, vlastní UUID, ID rozsahy atp.)

––obsah paketů ze senzorů

SW pro smartphone

Pro základní komunikaci dle standardu iBeacon (zobrazení UUID) existují volně dostupné bezplatné aplikace pro iOS (příklad na obr. 5) i Android, nově vznikající uživatelsky upravené majáky, budou nepochybně doprovázeny svým vlastním aplikačním software.

Obr5

Obr. 5 Příklad aplikačního sw pro iOS od firmy KS Technologies

Další varianta – EMBC02

Bluetooth® Low Energy Proximity Beacon EMBC02 ukazuje možnosti dalšího rozvoje, je to příklad majáku EMBC01 doplněného o akcelerometr. EMBC02 má stejné rozměry a používá stejnou baterii jako EMBC01. Přednastavené jsou 4 režimy viz tabulka 2.

Tab2

Aplikace EMBC Finder pro iOS a Android je k dispozici ke stažení zdarma. Vývojové prostředky a možnosti nastavení jsou stejné jako u EMBC01.

Možnosti využití

Problematika elektronických majáků je poměrně nová. Více se o nich dočtete např. v článku [5], názorné video si můžete prohlédnout zde [6]. Obecná typická systémová integrace prvků Bluetooth® SMART Beacons na obr. 6. poslouží k získání základní představy o vzájemných vazbách v celém systému. V této podobě se jedná o předávání informací a jejich následné zpracování, což představují aplikace pro obchody, muzea, sportoviště, konference, výstavy, letiště apod. Situace na obr. 6 může jen s malými změnami platit také pro bezdrátový přesun informací i v případech monitoringu senzorů a elektrických veličin – osvětlení, zrychlení, teplota, stav baterie a další. Další úpravy toto obecné schéma zaznamená při pasivním sběru dat, při detekci pádu či při stisknutí tlačítka.

Obr6

Obr. 6 Systémová integrace

Bluetooth Low Energy

Bluetooth Low Energy (BLE) je bezdrátová technologie provozovaná v pásmu 2,4 GHz. Zaměřuje se na aplikace s velmi nízkou spotřebou a je vyvíjená firmami sdruženými ve skupině s názvem Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG). EM Microelectronic je členem Bluetooth SIG a společně s dalšími členy se podílí na vývoji nových verzí BLE. Vývoj BLE fakticky začal již v roce 2006 (pod názvem Wibree) a ke zveřejnění specifikace označované jako BLE 4.0 došlo v roce 2010. Tři roky poté byla uvolněna specifikace pro BLE 4.1 obsahující několik vylepšení a v roce 2014 byla na světě další verze – BLE 4.2, která obsahuje několik podstatných změn. Ty nejvýraznější se týkají párování (navazování šifrované komunikace) a topologie sítě (volnější uspořádání sítě umožňující vytvoření rozsáhlých sítí). V budoucnu se chystá podpora pro rychlejší datové přenosy (2 MBit/s místo stávajícího 1 Mbit/s) a přenosy na větší vzdálenosti.

Literatura a odkazy:

[1] časopis DPS 1/2013 str.70–71

[2] časopis DPS 2/2013 str.98–99

[3] časopis DPS 5/2012 str.96–97

[4] časopis DPS 3/2014 str.70–71

[5] Mobilamania http://www.mobilmania.cz/clanky/fenomen-ibeacon-spoji-nakupovani-a-digitalni-svet/sc-3-a-1325832/default.aspx

[6] Neogenia http://www.spothill.cz/#

[7] EM Microelectronic http://www.emmicroelectronic.com/products/wireless-rf/beacons/embc01

[8] Techwire International http://ezwire.com/EMMicroelectronic/EMBC01/EMBC01.html

[9] EM Microelectronic http://www.emmicroelectronic.com/products/wireless-rf/wireless-rf-tools-support/embc01dvk

[10] Video lze shlédnout na našem stánkuna výstavě Amper 2015

Partneři

eipc
epci
imaps
papouch
ep
mikrozone
mcu
projectik