Urs Beerli Institute of Embedded Systems ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften

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1 Batterielose Funksensoren mit Bluetooth Low Energy Urs Beerli Institute of ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften

2 Ablauf Vorstellung InES, Wireless System Group Einführung Was ist Bluetooth Low Energy? Märkte Warum braucht BLE weniger Energie? Spezifikation Physical&Link Layer Zusammenfassung Bluetooth Low Energy Übersicht aktiver Firmen im Bereich BLE Demonstration 2

3 Vorstellung InES Zeitsynchronisation mittels IEEE1588 Redundancy Protocols (MRP, PRP) Audio/Video Bridge Ultra Wide Band Comunication (UWB MAC in VHDL) FPGA Implementationen Profinet (PNIO, easyirt, easyio) Ethernet Powerlink Entwicklungsmodelle und Methoden 3

4 Vorstellung Wireless System Group Wireless Low Datarate Bluetooth, Bluetooth Low Energy IEEE ZigBee 6LoWPAN Proprietäre Systeme 6LoWPAN Bridge 4

5 Vorstellung Wireless System Group RFID Intelligentes, passives RFID Tag 868MHz/13.56MHz EPC GEN2 Emulation ARM Cortex M3, EnergyMicro Wireless Wakeup 125kHz Lokalisierung 125kHz 5

6 Einführung Bluetooth Low Energy Was ist Bluetooth Low Energy (BLE)? Vergleichbar mit Standard-Bluetooth, braucht jedoch weniger Energie (Betrieb mit einer Knopfzelle möglich) Sollte in Zukunft der neue Standard für alle Low-Power- Wireless Geräte werden (erste ICs werden 2010 fertig/final sein) Bluetooth v4.0: Dezember 2009, Juni 2010 verabschiedet Kann mit Standard-Bluetooth kommunizieren (neue Standard-Bluetooth-ICs können auch mit LE kommunizieren) grosses Potential vorhanden, da Bluetooth weit verbreitet/anerkannt ist Geräte wie Handy werden als Gateway gebraucht 6

7 Märkte Sport und Fitness (Pulsmesser, Schrittzähler...) Unterhaltung (Fernbedienungen etc.) Medizin (Überwachung, verschiedene Sensoren) Home/Industrial Automation (Heizung, Licht, etc.) Sicherheit (z.b. PC Login)... 7

8 Anwendungen Single Mode Geräte Dual Mode Geräte (Host/Gateway) Webservices Uhren (Fernbedienung, Sub-Display,Tracking...) Multimedia (Fernbedienung, Spielsteuerung...) Sport, Medizin (Überwachung...) Bluetooth Low Energy Mobiltelefon Notebook WLAN, 3G, Bluetooth Fitness Coaching Tracking Service... Büro (Maus, Tastatur...) (...) Bluetooth SIG 8

9 Warum braucht BLE weniger Energie? Tiefer Stromverbrauch lange Standby-Zeiten Kleine Pakete ~40 Bytes Höherer GFSK Modulation Index Schnellerer Verbindungsaufbau Zeit für Verbindungsaufbau 3ms anstatt 100ms (alle Verbindungsinformationen werden in einem Paket versendet) BLE benutzt 3 Advertising Kanäle anstatt

10 Warum braucht BLE weniger Energie? Durch neue Broadcast-Möglichkeit sind Tx- bzw. Rx- Only Geräte möglich Aktive Verbindungen zwischen Master&Slave können Sende-/Empfangs-Intervalle von bis zu einer halben Minute haben Lazy Acknowledgement möglich keine Energieverschwendung mit 'leeren' Acknowledgement-Paketen 10

11 Spezifikation Frequenz: 2.4 Ghz Kanäle: 40 Distanz: 5-50m (typical) Link Budget max. 95dB Datenrate: 1 Mbit/s (Air), 0.3 Mbit/s (Applikation) Max Payloadlänge: 31 Verschlüsselung: AES Bit CRC 11

12 Physical Layer 2.4 Ghz ISM Band 40 RF Kanäle 2 Mhz Kanalabstand Heart Rate Thermostat Remote Control 3 Advertising-Kanäle Fixe Frequenz Werden für Broadcast-Daten verwendet 37 Datenkanäle Frequenz-Hopping (Periodischer Wechsel der Datenkanäle) Verwendet für Anwendungsdaten Physical Layer Bluetooth SIG Generic Acces Profile Generic Attribute Profile Attribute Protocol / SMP L2CAP Host Controller Interface (HCI) Link Layer 12

13 Direkter Vergleich mit WLAN Bluetooth SIG 13

14 Link Layer Netzwerktopologie Paketstruktur Sicherheit Heart Rate Thermostat Remote Control Generic Acces Profile Generic Attribute Profile Attribute Protocol / SMP L2CAP Host Controller Interface (HCI) Link Layer Physical Layer Bluetooth SIG 14

15 Netzwerktopologie Advertiser Slave CONNECTED Master Scanner Slave CONNECTED CONNECTED Advertisement Slave Advertiser Advertiser Bluetooth SIG 15

16 Netzwerktopologie Advertiser Slave CONNECTED Initiator Scanner Slave CONNECTED CONNECTED Connection Request Slave Advertiser Advertiser Bluetooth SIG 16

17 Netzwerktopologie Advertiser Slave CONNECTED Master Scanner Slave CONNECTED CONNECTED CONNECTED Slave Slave Advertiser Bluetooth SIG 17

18 Paketstruktur Alle Pakete (Advertising oder Data) haben die gleiche Struktur Präambel ( oder ) 32 Bit Access Address Daten (Payload) CRC Max Länge: 41 Bytes (inkl. Präambel und CRC) Preamble Access Address Payload CRC 1 Byte 4 Bytes 2 bis 33 Bytes 3 Bytes Bluetooth SIG 18

19 Sicherheit Signierung der Pakete (verhindert Man In The Middle - Attacken, neu) Verschlüsselung der Payload (neu mit AES-128) Privacy, ungewünschtes Nachverfolgen von Geräten wird verhindert (neu) 19

20 Zusammenfassung Technologie ist komplett für geringen Stromverbrauch ausgelegt Bestehende und neue Use Cases TxRx Geräte und Tx- bzw. Rx-Only Geräte möglich Kann mit Standard-Bluetooth kommunizieren, da in Zukunft nur noch Dualmode-ICs produziert werden 20

21 Aktive Firmen im Bereich BLE Cambridge Silicon Radio (CSR) Dual Mode: BlueCore7 (SoC) Single Mode: CSR1000 & CSR1001 (SoC) BLE Stack Texas Instruments (TI) Dual Mode: WiLink7.0 (SoC) Single Mode: CC2540 (Soc) BLE Stack Broadcom Corporation Single Mode SoC-Lösungen BLE Stack 21

22 Aktive Firmen im Bereich BLE Wicentric BLE Stack Nordic Semiconductor Singlemode: µblue nrf8001 (SoC) BLE Stack EM Microelectronic Singlemode: EM Momentan meist nur mit NDA erhältlich, wird sich voraussichtlich Ende Jahr ändern 22

23 Energy Harvesting mit EM9201 EM9201 Empfänger mit EM9201 EH Demonstrator 23

24 Quellen Bluetooth Core Specification 4.0 Bluetooth, Online Training, Low Energy Bluetooth, All Hands Meeting Seattle, 19. April 2010 Anmeldung unter: 24

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