L’évolution du Bluetooth

Solutions sans fil Partie 2

Il y a plus de mille ans, le roi Harald Ier de Danemark était célèbre pour deux choses : pour avoir unifié le Danemark et la Norvège en 958, et pour sa dent morte, d’une couleur bleu-gris foncé. Faisons un bond en avant, jusqu’en 1996, au moment où trois chefs de file de l’industrie (Intel, Ericsson et Nokia) se sont rencontrés pour planifier la normalisation d’une nouvelle technologie radio courte portée. Au cours de cette rencontre, Jim Kardash d’Intel a suggéré « Bluetooth » comme nom de code temporaire. On raconte qu’il aurait déclaré plus tard : « Le roi Harald à la dent bleue (« blue tooth » en anglais)… était célèbre pour avoir unifié la Scandinavie, tout comme nous avions l’intention d’unir les industries du PC et cellulaires au moyen d’une connexion sans fil à courte portée ».

Comme nous le savons aujourd’hui, ce nom provisoire est devenu permanent, et le Bluetooth et ses variantes sont devenus synonymes de technologie sans fil à courte portée. Ils sont aujourd’hui intégrés à plus de 8,2 milliards de produits fabriqués par plus de 30 000 membres du Bluetooth SIG. Il s’agit d’une technologie de connectivité sans fil basse consommation, utilisée pour diffuser du contenu audio, transférer des données et diffuser des informations entre différents dispositifs. Il existe deux types de Bluetooth : Basic Rate/Enhanced Data Rate (BR/EDR, taux de base/débit de données amélioré) et Low Energy (LE, basse consommation).

La hiérarchie Bluetooth actuelle

Après avoir fait l’objet de nombreuses révisions, le Bluetooth a évolué en deux types : Basic Rate/Enhanced Data Rate (BR/EDR, taux de base/débit de données amélioré) et Low Energy (LE, basse consommation).

Le Bluetooth BR/EDR permet une connexion sans fil continue et utilise une topologie de réseau point-à-point (P2P) pour établir des communications un à un (1:1) entre différents dispositifs. Le streaming audio BR/EDR est largement utilisé dans les enceintes et casques sans fil et les dispositifs mains libres des systèmes embarqués.

Le Bluetooth basse consommation permet d’établir des connexions sans fil à courtes rafales, et utilise plusieurs topologies de réseau, notamment le point-à-point (P2P), la diffusion et les réseaux maillés.

Le P2P est utilisé pour créer des communications un à un (1:1) entre différents dispositifs. Il est idéal pour les transferts de données et bien adapté aux produits connectés tels que les outils de suivi de la forme physique et les moniteurs médicaux. La diffusion est une topologie de réseau qui établit des communications à origine unique et destinations multiples (1:m) entre les dispositifs. Elle optimise le partage d’informations localisées, ce qui la rend idéale pour les solutions de signalisation comme les informations sur les centres d’intérêt et les services de localisation d’articles et d’orientation.

Les réseaux maillés sont une topologie de réseau pour les communications à origines et destinations multiples (m:m) entre les dispositifs. Les réseaux maillés Bluetooth basse consommation créent des réseaux de dispositifs à grande échelle sur mesure pour l’automatisation de la construction, les réseaux de capteurs, le suivi des actifs et toute solution impliquant plusieurs dispositifs qui ont besoin de communiquer les uns avec les autres de façon fiable et sécurisée.

Parmi ces deux normes, la basse consommation est particulièrement importante pour les constructeurs et intégrateurs qui souhaitent fabriquer et utiliser des capteurs de l’IoT compatibles Bluetooth. En effet, la basse consommation est une exigence essentielle pour les nœuds de capteurs fonctionnant sur batterie et/ou grâce à la récupération d’énergie.

L’évolution du Bluetooth

Le Bluetooth a évolué au fil des versions : 1.0, 1.2, 2.0, 2.1, 3.0, 4.0, 4.1 et 4.2, et en est aujourd’hui à la version 5.

Un document, le Rapport Bluetooth, décrit comment le Bluetooth Special Interest Group (SIG) a géré le passage de ces différentes étapes. Il explique comment la version 2 a supprimé les interférences de fréquence radio grâce au saut de fréquence, et offert une protection contre l’espionnage et le suivi.

Le Bluetooth 2.0 est également plus évolué que le 1.2 grâce à sa vitesse de connexion accrue et sa consommation énergétique réduite. La version 2.1, sortie en 2007, offrait une transmission de données mieux sécurisée, une consommation énergétique encore davantage réduite, et une amélioration du système d’appariement sans code PIN. En 2009, le Bluetooth 3.0 a introduit la fonction de connexion Wi-Fi, permettant une transmission plus rapide des données. Ensuite, la version 4.0 a changé la donne pour le Bluetooth, en introduisant le concept de basse consommation et les fonctionnalités associées. Ces fonctionnalités signifiaient que le Bluetooth basse consommation, contrairement aux versions précédentes, pouvait être utilisé dans de nombreux types de capteurs de l’IoT, y compris des dispositifs à distance fonctionnant avec des piles-boutons ou grâce à la récupération d’énergie. Ces possibilités sont décrites dans la section « Plate-forme Bluetooth 4.0 basse consommation ».

La plate-forme Bluetooth 4.0 basse consommation

Le Bluetooth 4.0, également appelé Bluetooth Smart, résout deux des principaux problèmes du Bluetooth : le problème de déchargement des batteries mentionné ci-dessus, et l’appariement et le ré-appariement constants des dispositifs connectés. La nouvelle génération de technologie Bluetooth accorde moins d’importance au maintien d’un flux constant d’informations. Elle se concentre plutôt sur l’envoi de plus petits volumes de données lorsque c’est nécessaire, et met ensuite la connexion en veille pendant les périodes de non-utilisation.

En outre, le Bluetooth 4.0 permet aux fabricants de dispositifs de remplacer leur technologie de capteurs propriétaire par le Bluetooth. Cela signifie par exemple qu’un podomètre ou un glucomètre auparavant capable de communiquer uniquement avec un dispositif de poignet ou une unité de contrôle, pourrait, s’il est amélioré avec le Bluetooth 4.0, communiquer avec n’importe quel téléphone ou dispositif informatique compatible Bluetooth sans intermédiaire.

Lorsque deux dispositifs 4.0 sont appariés, ils consomment moins d’énergie parce que la connexion est mise en veille, sauf lorsque des données sensibles sont partagées. Avec la génération précédente de Bluetooth, il était préférable d’arrêter votre matériel lorsqu’il n’était pas utilisé. Le Bluetooth Special Interest Group estime la durée de vie des batteries à 1 ou 2 ans pour certains dispositifs équipés du Bluetooth 4.0.

Bluetooth Smart inclut à la fois les dispositifs Bluetooth Smart Ready et Bluetooth Smart. Bluetooth Smart Ready est destiné aux smartphones, aux ordinateurs portables et aux PC capables de recevoir des signaux de capteurs Bluetooth, et de traiter les données en interne ou de les transférer, via une connexion Wi-Fi ou Ethernet, vers une ressource de Cloud computing. Les dispositifs Bluetooth Smart sont les capteurs ou les actionneurs qui collectent ou reçoivent les données sur le terrain. Ils peuvent rester en veille pendant de longues périodes tout en restant appariés à un dispositif Smart Ready, puis se rallumer instantanément et commencer à transmettre des données si une variable surveillée change de façon significative.

Les téléphones et PC Smart Ready sont rétro-compatibles avec les dispositifs Bluetooth de la génération précédente, mais les dispositifs Smart ne fonctionnent qu’avec un partenaire Smart Ready.

Fig.1 : logo Bluetooth Smart, image fournie par Wikimedia Commons

Conception pour BLE

Silicon Labs a rédigé un livre blanc détaillé à ce sujet : « Designing for Bluetooth Low Energy ». Après avoir présenté certains points essentiels du document ci-dessous, nous nous intéresserons aux autres améliorations apportées à la plate-forme BLE 4.0 (versions 4.1, 4.2 et 5.0).

Résumé des avantages du BLE

En plus d’être ultra-basse consommation, la technologie BLE offre les avantages suivants :

Faible coût
Fiabilité et robustesse, avec saut de fréquence adaptatif (AFH), retransmissions et contrôles de redondance cyclique (CRC)
Sécurité : appariement, liaison, confidentialité, protection des intermédiaires, cryptage AES-128
Prise en charge d’un développement rapide :

Profils normalisés pour couvrir les principaux usages (rythme cardiaque, proximité, glucose, etc.)
Les profils peuvent être développés comme des applications, pour un déploiement rapide
Les profils spécifiques aux fournisseurs éliminent la nécessité d’attendre que le Bluetooth SIG normalise les profils ou que les développeurs du système d’exploitation les intègrent

Déploiement possible à grande échelle, prise en charge par les principales plates-formes y compris iOS, Android 4.3, Windows 8 et 10, OSX et Linux

Présentation de l’architecture Bluetooth basse consommation

Fig.2 : architecture Bluetooth basse consommation, image fournie par Silicon Labs

Les composants sont :

Une couche physique : qui contrôle la transmission/réception radio.
Une couche de liaison : qui définit la structure des paquets, inclut la machine d’état et le contrôle radio, et fournit un cryptage au niveau de la couche de liaison.

Ces deux couches sont souvent regroupées au sein d’un contrôleur, et les couches restantes regroupées dans un hôte. Une interface hôte à contrôleur (HCI) standardise la communication entre le contrôleur et l’hôte.

Présentation des composants de la couche hôte

L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol) agit comme un multiplexeur de protocole et traite la segmentation et le réassemblage des paquets. Il fournit également des canaux logiques, multiplexés sur une ou plusieurs liaisons logiques. En général, les développeurs d’applications n’ont pas à se soucier des détails de l’interaction avec la couche L2CAP, car celle-ci est traitée par la pile Bluetooth.

ATT (Attribute Protocol) fournit un moyen de transmettre des données entre des dispositifs Bluetooth.

GATT (Generic Attribute Profile) est utilisé pour regrouper des attributs en services logiques, par exemple, le service rythme cardiaque, qui expose le fonctionnement d’un capteur de fréquence cardiaque. En plus des données réelles, le GATT fournit également des informations sur les attributs, c’est-à-dire la façon dont elles sont accessibles et le niveau de sécurité nécessaire.

GAP (Generic Access Protocol) permet aux dispositifs BLE de se promouvoir ou de promouvoir d’autres dispositifs, de découvrir des dispositifs, d’ouvrir et de gérer les connexions, et de diffuser des données.

SM (Security Manager) fournit un moyen de lier des dispositifs, de crypter et décrypter les données, et d’activer la confidentialité du dispositif.

Couches physique et de liaison

La couche physique fonctionne sur la bande de fréquence ISM (industrielle, scientifique et médicale) de 2,4 GHz, exempte de licence dans la plupart des pays. La spécification du BLE définit 40 canaux RF espacés de 2 MHz. Trois des 40 canaux sont des canaux publicitaires (en vert), utilisés pour la découverte des dispositifs, l’établissement de la connexion et la diffusion. Les fréquences des canaux publicitaires sont sélectionnées en vue de réduire au maximum les interférences des canaux IEEE 802.11 1, 6 et 11, qui sont couramment utilisés dans plusieurs pays.

Fig.3 : canaux et fréquences du Bluetooth basse consommation, image fournie par Silicon Labs

La couche de liaison Bluetooth fournit le premier niveau de contrôle et la structure des données pour les opérations radio brutes, la transmission et la réception des flux de bits :

Machine d’état et transitions d’état du Bluetooth basse consommation
Données et formats des paquets publicitaires
Opérations de la couche de liaison
Connexions, durées des paquets, retransmissions
Sécurité au niveau de la couche de liaison

Les développeurs d’applications n’ont pas besoin de comprendre ces informations en détail. Cependant, quelques concepts essentiels influent sur la conception de l’application, le développement et le fonctionnement du terminal. Ceux-ci sont résumés ci-dessous.

Les opérations de base de la couche de liaison sont les suivantes :

Publicité
Analyse
Établissement de la connexion

La publicité est une opération fondamentale au cours de laquelle les dispositifs font connaître leur présence, permettant ainsi à d’autres dispositifs de les détecter et d’établir des connexions, et éventuellement de diffuser des données telles qu’une liste des services pris en charge, ou le nom du dispositif et le niveau de puissance TX. Cette activité est complétée par l’analyse, au cours de laquelle un scanner détecte l’arrivée de publicités afin de découvrir des dispositifs publicitaires, les découvrir et connecter, ou simplement recevoir les données diffusées par les dispositifs publicitaires. Des modes d’analyse passifs (passant en revue et écoutant chaque canal publicitaire) et actifs (écoutant et répondant par une demande d’informations supplémentaires) sont pris en charge.

L’établissement de la connexion permet de transmettre des données d’application de façon fiable et robuste, car les connexions Bluetooth basse consommation utilisent les confirmations, les CRC, et les retransmissions de données perdues pour garantir le bon acheminement des données. En outre, les connexions Bluetooth basse consommation utilisent le saut de fréquence adaptatif (AFH) pour détecter et s’adapter aux conditions RF environnantes et fournir une couche physique fiable. Les connexions prennent également en charge le cryptage et décryptage des données pour en assurer la confidentialité.

Profils

Les profils sont les définitions des applications possibles, ils spécifient les comportements généraux utilisés par les dispositifs compatibles Bluetooth pour communiquer avec d’autres dispositifs Bluetooth. Les profils s’appuient sur la norme Bluetooth pour définir plus clairement le type de données transmis par un module Bluetooth. L’application du dispositif détermine quels profils il doit prendre en charge, des fonctions mains libres aux capteurs de fréquence cardiaque, en passant par les alertes et plus encore.

Un profil Bluetooth est en réalité la spécification d’une interface. Il définit les données dont dispose un dispositif, ce qu’un autre dispositif peut faire avec ces données via une connexion Bluetooth et la manière dont le dispositif avec le profil doit réagir lorsqu’un dispositif connecté agit sur ses données d’une certaine façon.

Pour le Bluetooth basse consommation, les développeurs peuvent utiliser un ensemble complet de profils adoptés, ou encore le profil Generic Attribute Profile (GATT) qui permet de créer de nouveaux profils. Cette flexibilité permet de prendre en charge de nouvelles applications innovantes qui assurent le maintien de l’interopérabilité avec les autres dispositifs Bluetooth.

Le site Bluetooth permet d’accéder à des informations plus détaillées sur un large éventail de profils.

Améliorations évolutives du LE 4.0

Silicon Labs a rédigé un article décrivant les évolutions du Bluetooth entre les versions 4.0 et 4.1, et 4.2 et 5. En voici les points principaux.

Le Bluetooth 4.1 a apporté trois avancées majeures par rapport au 4.0 :

Pas de chevauchement ou d’interférences avec la 4G
Une meilleure gestion de l’alimentation du dispositif grâce à l’appariement, qui permet une mise sous/hors tension automatique
La possibilité pour les dispositifs d’agir simultanément comme des concentrateurs et des points finaux afin que les périphériques puissent communiquer de façon autonome

Le Bluetooth 4.2, destiné à la prochaine génération de dispositifs de l’IoT, a été introduit en 2014. Il a également offert :

Une amélioration de la connectivité Internet et de la sécurité
Une capacité de paquets près de 10 fois supérieure à celle de la version 4.1
Un débit de données multiplié par 2,5
Ces deux dernières améliorations vont permettre de rendre les communications entre dispositifs ainsi que les connexions sur Internet plus efficaces, d’effectuer des mises à jour plus fréquentes du micrologiciel, de charger plus rapidement les journaux de données de capteurs sur un smartphone, le Cloud ou un emplacement intermédiaire sur les serveurs ou routeurs d’un fournisseur FAI.

Le Bluetooth 5.0 offre un débit plus élevé et une latence plus faible, une portée plus longue, un accès IP plus large et plus flexible, et une capacité d’acheminement sur un réseau maillé. Plus précisément, il propose :

Une bande passante jusqu’à 2x supérieure à celle du Bluetooth 4.2

Une bande passante augmentée jusqu’à 2 Mbit/s
Des mises à jour en ligne fiables et rapides, et le chargement rapide de données collectées sur plusieurs jours à partir d’un capteur lorsqu’un dispositif mobile est activé

Une portée jusqu’à 4x supérieure à celle du Bluetooth 4.2

Possibilité d’atteindre une portée jusqu’à 4x plus longue avec une alimentation similaire en diminuant la bande passante, théoriquement jusqu’à 300 mètres, ou plus dans certaines circonstances
Possibilité de couvrir l’ensemble d’une maison, un bâtiment ou une localité
Pour les concepteurs, un compromis flexible entre portée, vitesse et puissance nécessaire

Jusqu’à 8 fois la capacité de diffusion de messages de la version 4.2, avec la prise en charge de paquets de données plus volumineux, et la possibilité de transférer des données publicitaires depuis les trois canaux publicitaires traditionnels vers 37 canaux de diffusion maximum. Avec un temps de diffusion réduit pour la réalisation des tâches, des solutions Bluetooth plus riches basées sur balise sans connexion avec de nouvelles fonctionnalités de seuil telles que le suivi des actifs deviennent possibles.
Détection et évitement des interférences entre la bande ISM 2,4 GHz et la bande LTE voisine
Réseau maillé : une fonctionnalité particulièrement importante pour les applications de l’IoT. Dans un réseau maillé, tous les dispositifs peuvent communiquer les uns avec les autres au lieu d’être liés à un hub central. Cela élimine les contraintes liées à la taille et à la zone couvertes par le réseau. Des applications telles qu’une surface de production en usine équipée de centaines de capteurs peuvent par conséquent être prises en charge.

Produits d’évaluation et de développement Bluetooth

Farnell element14 propose une large gamme de kits de développement et de modules Bluetooth d’un grand nombre de fabricants de semiconducteurs. Cela représente une grande variété de capacités de calcul, de communications et d’E/S, tous étant cependant destinés à aider les développeurs à intégrer le Bluetooth plus facilement dans leurs produits. Voici quelques exemples :

Exemple de développement n° 1 : module d’évaluation du Bluetooth LE pour les développeurs

TI propose un kit de module d’évaluation CC2541 qui peut être utilisé comme carte de référence pour le prototypage. Il est basé sur la solution de système sur puce (SoC) CC2541 qui permet de fabriquer des nœuds de réseau robustes pour un coût matériel total réduit. Il comprend un émetteur-récepteur RF, un microcontrôleur 8051 amélioré, une mémoire Flash programmable, 8 ko de RAM et d’autres caractéristiques et périphériques de prise en charge. Il est particulièrement adapté aux systèmes pour lesquels une consommation énergétique ultra-faible est une priorité.

Le kit comprend deux modules d’évaluation CC2541. L’un est préconfiguré comme dispositif central, l’autre comme périphérique. Il est conçu comme complément du kit de développement CC2540, qui fournit une plate-forme complète de test des performances du matériel et un environnement de développement logiciel générique pour les applications Bluetooth basse consommation monomode.

Exemple de développement n° 2 : module Bluetooth basse consommation avec antenne à puce intégrée

Le BLE112-A-V1 de Silicon Labs est un module Bluetooth Smart avec antenne à puce intégrée et logiciel version 1.0, destiné aux capteurs et accessoires basse consommation. Il intègre toutes les fonctionnalités requises pour une application Bluetooth Smart, notamment radio Bluetooth, pile logicielle et profils basés sur le protocole GATT. Le module Bluetooth Smart monomode BLE112 peut également héberger des applications d’utilisateur final, ce qui signifie qu’aucun microcontrôleur externe n’est nécessaire dans les dispositifs limités en termes de taille ou de budget.

Il dispose d’interfaces matérielles flexibles avec différents périphériques et capteurs, et peut être alimenté directement par une pile bouton 3V standard ou deux piles AAA. En mode veille avec la plus basse consommation, il consomme à peine 500 nA et sort de la veille en quelques centaines de microsecondes.

Applications : connexion sans fil, communications et réseaux, détection et instrumentation, électronique grand public, santé et sécurité.

Module Bluetooth basse consommation de Silicon Labs avec antenne à puce intégrée

Fig. 4 : module Bluetooth basse consommation avec antenne à puce intégrée de Silicon Labs

Exemple de développement n° 3 : mise en place de la réponse haptique avec le BLE et iOS

De nombreux dispositifs peuvent bénéficier de la réponse haptique (vibration). Exemples : montres, outils de suivi de la forme physique, équipements portatifs, équipement médical portable, IHM, etc. Les vibrations sont généralement produites par un moteur à masse excentrique rotative (ERM) ou un actionneur à résonance linéaire (LRA).

Farnell element14 propose un design de référence qui permet le prototypage de telles applications. La carte dispose d’un driver haptique ERM et LRA avec bibliothèque d’effet à pré-licence intégrée d’Immersion. Elle peut être programmée et contrôlée de manière à créer des effets et des notifications à l’aide d’une application iOS incluse, via un microcontrôleur sans fil CC2541 Bluetooth basse consommation (BLE) de SimpleLink.

L’application offre entre autres caractéristiques la possibilité d’envoyer des commandes I2C directes et de configurer la carte pour qu’elle réponde à un déclenchement GPIO.

Exemple de développement n° 4 : module d’évaluation pour la détection, la navigation, la position, accéléromètre/magnétomètre/gyroscope à 3 axes

Le FRDM-FXS-MULT2-B est une carte d’extension de liberté permettant la fusion de capteurs et utilisant l’accéléromètre à 3 axes MMA8652FC, l’accéléromètre à 3 axes FXLS8471Q, le magnétomètre à 3 axes MAG3110, le gyroscope à 3 axes FXAS21002C, le capteur de pression MPL3115A2 et l’accéléromètre à 3 axes FXOS8700CQ, ainsi qu’un magnétomètre à 3 axes et la plate-forme de détection MMA9553L. La carte offre une détection sur 12 axes, une communication sans fil via Bluetooth et l’application compatible avec Android™, et une boîte à outils de fusion des capteurs. La carte est également prise en charge par l’ISF (Intelligent Sensing Framework).

Les applications cibles incluent : le test et la mesure ainsi que les applications industrielles.

Fig.5 :carte d’évaluation de détection à 12 axes Bluetooth de NXP

Remarque à l’intention des intégrateurs de système : lors du choix de dispositifs comme le CC2541, il est utile de chercher une interface I2C, qui facilitera l’intégration dans des systèmes plus importants. En effet, la plupart des processeurs sont dotés de broches I2C. Il est également possible d’utiliser un port USB, ce qui utilise plus d’espace et coûte plus cher.

Conclusion

Depuis sa création en 1996, le Bluetooth a trouvé sa place dans plusieurs milliards de produits partout dans le monde, et le fait que son nom soit aussi connu est la preuve de son omniprésence. C’est l’apparition du Bluetooth 4.0, également appelé Bluetooth basse consommation, en juin 2010, qui a fait de cette technologie une solution attrayante pour un nouveau domaine de produits et d’applications, en particulier les capteurs IoT caractérisés par un budget en alimentation très restreint.

Au passage à la version 5.0, l’offre Bluetooth basse consommation a été améliorée à plusieurs titres, notamment grâce à une capacité de données améliorée, une bande passante plus large, une portée de transmission plus longue, des interférences réduites avec les autres services sans fil, une meilleure sécurité et connectivité Internet, et la mise en réseau maillé.

Dans cet article, nous avons étudié le Bluetooth du point de vue du développeur. Nous avons vu comment la technologie a évolué, et nous avons étudié les principaux éléments de la technologie Bluetooth basse consommation. Nous avons ensuite donné quelques exemples pratiques de kits de développement et modules Bluetooth, en montrant aux développeurs comment accélérer leur apprentissage et réduire les délais de mise sur le marché en intégrant le BLE à leurs produits.