Aller de l'avant avec Bluetooth® Low Energy

Bluetooth^® Low Energy (BLE) ne fait peut-être pas encore partie de vos conceptions électroniques, mais cela ne saurait tarder. Cette technologie de connectivité sans fil affiche une croissance explosive depuis ces trois dernières années. Elle offre une connectivité basse consommation à des millions de dispositifs électroniques, tels que des smartwatches, des systèmes de suivi de fitness, des accessoires de smartphones et des moniteurs médicaux. Grâce aux améliorations techniques à venir, BLE est destiné à se développer dans l'électronique grand public nouvelle génération et dans l'Internet des objets.

De nombreuses améliorations ont été intégrées à Bluetooth 4.1, une mise à jour récente de la spécification principale, comme la prise en charge de transferts de données de masse plus efficaces, une flexibilité accrue de la communication entre les dispositifs, des rôles à deux modes simultanés, et les premiers pas vers des communications basées IP. Ensemble, ces améliorations techniques rendent le BLE encore plus attractif d'un point de vue coûts, performances et consommation énergétique.

En plus des améliorations apportées à Bluetooth 4.1, les puces BLE elles-mêmes connaissent des améliorations continues. Grâce aux améliorations en termes de rendement, la consommation énergétique de transmission dans la deuxième génération de BLE chute d'environ 66 % sans pertes de performances.

Avec tous les changements récents apportés à BLE et tous les changements à venir, c'est le moment idéal de s'interroger sur la place actuelle de cette technologie et sur son évolution.

Concepts BLE de base

Pour les dispositifs à communications sans fil qui ont été optimisés pour une consommation énergétique plus basse plutôt que pour des transferts de données supérieurs, BLE s'inscrit parfaitement dans ce schéma. Il ne consomme qu'un centième de la puissance moyenne requise par Bluetooth Classic. L'absorption de courant de crête du BLE est de seulement 15 mA, contre 40 mA ou plus pour Bluetooth Classic. Avec une telle faible consommation énergétique, BLE peut fonctionner depuis une seule pile bouton pendant des mois ou des années, selon l'application.

La basse consommation du BLE s'explique principalement par le fait que sa radio reste la plupart du temps désactivée. BLE balaie seulement trois canaux de diffusion, et sa radio ne s'active que pour envoyer ou recevoir de petits paquets de données, avec des tailles de paquets de 8 à 27 octets. BLE configure également des connexions très rapidement, ce qui réduit davantage le temps d'activation de la radio. BLE peut transmettre des données authentifiées en seulement 3 ms, contre 1000 ms typiquement pour Bluetooth Classic.

En termes de débits de données, le débit de données pratique maximal du BLE se situe typiquement sous 100 kbs. C'est pourquoi il n'est pas adapté aux applications de diffusion à débit continu qui sont possibles avec le Bluetooth Classic, grâce à son débit de données atteignant 3 Mbps.

BLE présente également d'autres différences technologiques avec le Bluetooth Classic. La principale différence réside dans le fait que BLE utilise une topologie réseau en étoile et une adresse d'accès 32 bits sur chaque paquet pour chaque rafale, et permettant en théorie à des milliards de dispositifs d'être connectés à un moment donné. La topologie picoréseau du Bluetooth Classic, en contraste, ne supporte que huit dispositifs à la fois.


Figure 1 : Les dispositifs Bluetooth Low Energy peuvent fonctionner plusieurs années à partir d'une seule pile bouton.

Les fonctionnalités techniques BLE incluent :

• Modulation GSFK optimisée. Comme le Bluetooth Classic, le BLE utilise un schéma de modulation GSFK. Toutefois, le BLE utilise un indice de modulation supérieur et des canaux 2 MHz pour un taux d'erreur sur les bits inférieur se traduisant par une portée plus étendue.
• Saut de fréquence adaptatif. La technologie BLE utilise le même schéma de saut de fréquence adaptatif que le Bluetooth Classic lorsque les dispositifs sont connectés. Le saut de fréquence adaptatif réduit les interférences des autres technologies dans la bande ISM 2,4 GHz partagée par une multitude de dispositifs sans fil fonctionnant dans ce spectre.
• Robustesse. BLE utilise un contrôle par redondance cyclique (CRC) 24 bits unique sur chaque paquet, permettant aux champs de données et d'en-têtes de détecter les erreurs sur les bits impairs ainsi que les erreurs 2 bits et 4 bits. Le CRC 24 bits, par rapport au CRC 16 bits et 32 bits, est optimisé pour les données utiles BLE.
• Sécurité stricte. Le cryptage et l'authentification BLE sont implémentés en utilisant le système AES-128 (Advanced Encryption System 128 bits), un système de cryptage développé par le gouvernement américain pour protéger les données.

La capacité double mode du Bluetooth 4.1 constitue un autre aspect crucial. Tandis que des dispositifs tels que des capteurs ou des accessoires téléphoniques utilisent souvent le BLE seul, les smartphones et les tablettes agissent fréquemment en tant que concentrateurs sans fil communiquant à la fois via BLE et Bluetooth Classic. La spécification Bluetooth principale rend cette implémentation double mode possible. En substance, les modules à double mode associent les piles de communications Classic et BLE et permettent une antenne partagée. Les dispositifs à simple et double mode sont désignés respectivement sous les noms Bluetooth Smart et Bluetooth Smart Ready.

Prochaines étapes pour le BLE

Même dans l'état actuel, la technologie BLE constitue une solution exceptionnelle pour les dispositifs exigeant une connectivité sans fil basse consommation. Cependant, BLE est appelé à devenir encore plus écoénergétique, et les améliorations incluses dans Bluetooth 4.1 faciliteront la conception des dispositifs sans fil nouvelle génération et des objets intelligents constituant l'Internet des objets.

Ces améliorations apportées au Bluetooth 4.1, rétrocompatibles avec les dispositifs hérités, incluent :

• Prise en charge de plusieurs rôles. Les changements à la couche de liaisons et la topologie double mode permettront aux dispositifs double mode d'agir simultanément en tant que dispositifs intelligents et concentrateurs Smart Ready.
• Efficacité des échanges de données. L'ajout de canaux orientés connexion au protocole d'adaptation et de contrôle de liaison logique (L2CAP) permet des transferts de données de masse plus efficaces entre les dispositifs BLE tout en réduisant la surcharge.
• Amélioration des connexions. Les ingénieurs bénéficieront de plus de flexibilité pour la création et la maintenance de connexions Bluetooth, y compris les reconnexions automatisées.
• Connexions basées IP. Ouvrant la voie à l'Internet des objets, la nouvelle spécification principale pose les bases techniques pour les communications IPv6 en ajoutant des canaux L2CAP dédiés.

Alternatives sans fil basse consommation

Bluetooth Low Energy (BLE) n'est pas la seule solution en matière de communications sans fil basse consommation. ANT et ZigBee affichent des capacités recoupant celles de BLE, et les deux normes sans fil ont leur place. Toutefois, BLE présente des avantages significatifs en termes de capacités techniques et du fait qu'il s'agit d'un protocole ouvert.


Figure 2 : Comparaison des débits de données et de l'autonomie batterie entre ZigBee et BLE.

Stratégies de mise en œuvre de Bluetooth Low Energy

Une fois le protocole d'applications sélectionné, la question suivante consiste à choisir la manière dont il sera implémenté, à savoir acheter un module BLE ou développer sa propre solution discrète. Les deux approches sont viables, mais trois scénarios favorisent clairement les modules :

• Faibles volumes de production. À des volumes de production inférieurs à 100 000 unités, les modules présentent un avantage net en termes de coûts par rapport aux composants discrets. Additionnez les coûts de développement, de fabrication, de certification RF et de test de l'implémentation BLE basée sur puce, et vous vous rendrez compte que les coûts tombent typiquement entre 150 000 USD et 200 000 USD. Amortissez ces coûts sur des volumes inférieurs à 100 000 et le coût RF peut devenir excessivement élevé. À des volumes de 100 000 à 150 000, les deux solutions de puce et de module sont acceptables d'un point de vue coût total. Au-dessus de 150 000 unités, la balance penche en faveur des solutions discrètes.
• Objectifs de délais de commercialisation rapides. Les modules constituent également un atout lorsque les considérations de délais de commercialisation entrent en jeu. Le développement d'applications RF discrètes prend typiquement de trois à six mois, pour des équipes techniques expérimentées. En remplaçant la plus grande partie de la programmation personnalisée par une API et un jeu de commandes de chaînes de texte, les modules permettent de considérablement rationaliser le processus de développement. Les modules sont également pré-certifiés, ce qui élimine les délais et les coûts du processus de certification. Résultat : les modules peuvent être intégrés dans une nouvelle conception en quelques semaines, ce qui contribue à considérablement réduire les délais de mise sur le marché.
• Cycles de vie étendus. Les modules permettent de lutter contre l'obsolescence dans les produits affichant des cycles de vie pouvant dépasser ceux de leurs circuits intégrés. Les conceptions de modules peuvent intégrer de nouvelles puces lorsque cela est nécessaire, sans modifier l'interface micrologicielle, le format, les fonctionnalités et le brochage hérités.

Figure 3 : Coût d'une puce par rapport à un module.

Modules Bluetooth Low Energy

Panasonic présente une sélection de modules BLE. Trois de ces modules sont décrits ci-dessous :


Figure 4 : Module Bluetooth LE à mode simple PAN1740.

Module Bluetooth Low Energy PAN1740 à mode simple — nanoPower

• Courant de transmission à 0 dBm: 5 mA
• Empreinte compacte : 9 mm x 9,5 mm x 1,9 mm
• Haute sensibilité (-93 dBm typ.)
• Contrôle de la puissance de transmission jusqu'à 0 dBm max.
• Place-and-play
• Fonctionnement autonome
• Module Bluetooth Smart®
• Pile BLE et profil GATT embarqués
• Plage de températures industrielles : -40°C à +85°C
• Deux oscillateurs à quartz internes
• Blindage intégré pour résistance EMI
• Aucun composant externe requis

Figure 5 : Module Bluetooth LE à mode simple PAN1720/PAN1721.

Modules Bluetooth Low Energy PAN1720 et PAN1721 à mode simple

• Boîtier à montage en surface de 15,6 mm x 8,7 mm x 1,9 mm
• Puissance de transmission typique jusqu'à 4,0 dBm avec contrôle de puissance de transmission
• Haute sensibilité, -94 dBm typ.
• Basés sur la solution BLE monopuce CC2540 de Texas Instrument
• Cœur de microcontrôleur 8051 basse consommation, hautes performances
• Aucun composant externe requis
• Configuration de connexion rapide
• Oscillateur à quartz interne, 26 MHz
• Oscillateur à quartz 32 kHz interne pour temporisateur de veille
• Deux circuits USART puissants
• Moniteur de batterie et capteur de température
• Le PAN1720 offre une interface USB
• Le PAN1721 offre une interface I²C

Figure 6 : Module PAN1326 classique et BLE double mode.

Modules classiques et BLE double mode PAN1326 

• Meilleures performances RF Bluetooth de sa catégorie pour la puissance de transmission, la sensibilité de réception et le blocage
• Entièrement qualifiés Bluetooth v4.0 + EDR
• Dimensions : 6,5 mm x 9 mm x 1,7 mm (PAN1316)
• Certifications : Bluetooth, FCC, CE, IC
• Plage de températures de fonctionnement : -40°C à +85°C
• Profils : tous les profils sont pris en charge
• Basés sur le CC2564 de TI
• Intégration avec pratiquement tous les microcontrôleurs
• Algorithme très rapide pour ACL et eSCO
• Prise en charge d'une vaste plage de puissances de transmission avec une sortie typique de 10,5 dBm

Tenez-vous informé des améliorations contenues dans Bluetooth 4.1 et prévues pour faire leur apparition dans les puces et modules BLE et double mode au début 2014. Voyez plus loin et attendez-vous à une révolution BLE continue affectant de manière positive les budgets d'alimentation pour les applications alimentées par batteries.

Le début de cette révolution se fait déjà sentir dans les nouveaux modules et circuits intégrés BLE discrets arrivant sur le marché. Ces dispositifs sont communément appelés BLE ultrabasse consommation, même si des fabricants individuels ont adopté des appellations commerciales, comme Panasonic et sa gamme nanoPower. Les dispositifs nanopuissance réduisent la consommation de courant de transmission et de réception de plus de 66 % par rapport à la génération actuelle de dispositifs BLE, et de presque 90 % par rapport aux dispositifs Bluetooth Classic. De plus, ces réductions de courant ont été réalisées sans diminution de la gamme ni de la puissance de transmission, et sans manipulation de la spécification Bluetooth.