Introdução ao Bluetooth Smart (BLE)

Este post faz parte da série Bluetooth Smart. Leia também os outros posts da série:

Como conectar diferentes tipos de aparelhos, incluindo vestíveis, sensores e atuadores, para que se comuniquem no conceito de Internet das Coisas, da melhor maneira possível? Um candidato forte a ser utilizado nas aplicações como agente principal de transferência de dados é o Bluetooth Smart (ou Bluetooth Low Energy - BLE), por causa dos seus atributos de economia de energia. Ele foi desenhado em sua concepção para uma nova classe de aplicações de saúde, entretenimento e aplicações seguras.

 

Bluetooth Smart : Comunicação de diversos dispositivos por BLE.
Figura 1: Comunicação de diversos dispositivos por BLE.

 

O BLE ou Bluetooth Smart é uma tecnologia de rede de área pessoal sem fios concebida e comercializada pela Bluetooth Special Interest Group. Em comparação com Bluetooth Clássico, o Bluetooth Smart destina-se a fornecer consumo de energia e custos consideravelmente reduzidos, procurando manter um alcance de comunicação similar. O BLE poderia ser superior a outras tecnologias baseadas em localização para smartphones porque ele é mais direcionado. Por exemplo, com BLE uma loja pode detectar em qual departamento você está parado e enviar uma oferta relevante. Algumas empresas estão utilizando beacons para fazer sistemas de localização indoor em eventos ou shoppings. A Apple está usando iBeacon em suas lojas de varejo, para o envio de mensagens sobre atualizações de telefone ou o status do seu computador levado para reparo.

 

Por sua característica principal ser a economia de energia, um dispositivo BLE permanece em modo IDLE (sleep) durante a maior parte do tempo. Esta tecnologia foi desenvolvida para aplicações que apenas precisam enviar poucas informações, esporadicamente saindo do modo "sleep" apenas para realizar conexões que duram apenas milissegundos. Dessa forma, se tem um consumo energético com picos de 6 mA, mas com uma média de 1 uA apenas.

 

Na tabela abaixo é feita uma comparação de algumas características das tecnologias de comunicação sem fio mais difundidas na comunicação entre dispositivos: Bluetooth Clássico, Wi-Fi, ZigBee e BLE.

 

Tabela 1 - Comparação entre os Padrões

 

Bluetooth Clássico

Bluetooth Low Energy (BLE)

ZigBee

Wi-Fi

Padrão de camada física

IEEE 802.15.1

GFSK

IEEE 802.15.4

IEEE 802.11abg

Frequências

2.4 GHz

2.4 GHz

868 MHz, 915 MHz, 2.4 GHz

2.4 GHz, 5 GHz

Máxima Taxa de

Bits (Mbps)

1 até 3

1

0.25

11(b), 54(g), 600(n)

Distância Máxima (m)

10-100

50

10-100

100-250

Consumo de

Energia

Alto

Muito Baixo

Muito Baixo

Muito Alto

Vida Útil da Bateria

Dias

Meses a anos

Meses a anos

Horas

Tamanho da Rede

(dispositivos)

7

Indefinido

64,000+

255

 

 

Topologias de Rede

 

No BLE são comuns três tipos de topologias de rede:

  • Peer-to-Peer (P2P);
  • estrela e;
  • rede mesh.

 

A primeira topologia, a P2P, cria uma conexão ponto a ponto entre dois dispositivos. Como, por exemplo, entre seu smartphone e um dispositivo que você gostaria de interagir, como esta cafeteira.

 

Conexão P2P entre dispositivos Bluetooth Smart (BLE)
Figura 2: Conexão P2P.

 

A formação da topologia Scatternet, utilizada no Bluetooth Clássico, não é mais vista no BLE. É possível apenas a topologia estrela ou uma rede mesh, que é a união de várias redes em estrela. Porém, agora um dispositivo mestre pode ter bilhões de escravos, devido a um aumento de 3 bits para 48 bits no espaço destinado aos endereços.

 

A figura abaixo exemplifica uma rede mesh.

 

Rede Mesh entre dispositivos Bluetooth Smart (BLE)
Figura 3: Rede Mesh BLE

 

 

Arquitetura

 

A arquitetura do BLE é dividida em camadas conforme a figura abaixo. Pode ser separada entre controlador e host. O host corresponde à parcela de cima da pilha de protocolos, enquanto o controlador corresponde à parcela mais abaixo. O controlador é quem permite que o host durma por longos períodos, somente despertando quando for necessário realizar alguma ação.

 

Adicionalmente, as especificações permitem um padrão de comunicação de protocolos entre o Host e o Controlador chamado de Host Controller Interface (HCI), permitindo a interoperabilidade entre Host e Controladores produzidos por diferentes empresas. Essas camadas podem ser integradas por um simples CI (Circuito Integrado) ou um chip, ou elas podem ser divididas em varios CIs conectados por uma camada de comunicação (UART, USB, SPI, ou outras).

 

Como pode ser visto na comparação feita pela Figura 4, quando se trata de BLE existem os modos Single e Dual Mode. O Single Mode ou Smart Chip, é o mais utilizado quando a necessidade é o minimo consumo de energia. Já o Dual Mode ou Smart Ready Chip trás uma arquitetura que une as duas tecnologias, Bluetooth Clássico e Bluetooth Low Energy. Os smartphones que suportam BLE possuem um chip Smart Ready e portanto suportam as duas tecnologias, e como são mais modernos, os fabricantes cobram um preço inferior por um chip Smart Ready do que por um chip clássico.

 

Arquitetura Bluetooth Classic vs BLE
Figura 4: Arquitetura Bluetooth Classic vs BLE

 

As 3 configurações mais comuns no mercado atualmente, são:

  • Único CI SoC (System on Chip);
  • Dois CIs com HCI;
  • Dois CIs com interface proprietária.

 

A tendência é que sistemas simples usem a configuração SoC, que é um único chip com Controlador e Host, para manter os custos e a complexidade da placa de circuito impresso baixos.

 

 

Aplicações do BLE

 

A existência de um dispositivo com essas características abre grandes possibilidades, sensores para informar pressão sanguínea ou o pulso de um indivíduo, comunicação máquina-a-máquina (M2M) e automatizar tarefas em uma residência doméstica (acender a luz quando alguém entrar no cômodo) ou no ambiente de trabalho (destrancar porta ao receber a aproximação do funcionário), por exemplo.

 

 

Vantagens do BLE sobre o Bluetooth Classic

 

Quando é realizada uma comparação entre as duas tecnologias fica claro que Bluetooth e Bluetooth Smart são utilizados para propostas bem diferentes. O BLE é vital para aplicações que precisam trocar apenas pequenas quantidades de dados periodicamente, não sendo recomendado para aplicações que precisam fazer uma grande transferência de dados, falar ao telefone ou um streaming de vídeo, por exemplo. Já o Bluetooth Clássico pode alcançar altas taxas e transferir uma grande quantidade de dados, porém consome a vida útil da bateria rapidamente, além de seu preço ser bem maior.

 

Tabela 2 - Comparação de Tecnologias

 

Bluetooth Clássico

Bluetooth Smart (BLE)

Preço

Alto

Muito Baixo

Consumo de Energia

Alto

Muito baixo

Aplicação

Transferências com grandes quantidades de dados

Transferências de pequenas quantidades de dados

 

O Bluetooth Low Energy tem uma abordagem diferente da apresentada pelo Bluetooth Clássico, portanto não pretende substituir seu antecessor, mas sim oferecer novas soluções e ampliar sua utilização. Como apresentado neste artigo, sua arquitetura simples e barata aliada ao seu baixo consumo energético e seu tamanho reduzido, tornam essa tecnologia perfeita para utilização em sensores e aplicações que exigem eficiência energética. Desta forma a vida útil da bateria pode ser estendida por anos, com um custo bem inferior.

 

Com milhares de possibilidades o BLE pode nos auxiliar em aplicações que vão desde a monitoração de nossa saúde até automatização em espaço civil e empresarial em que vivemos. Ainda há pontos fracos a serem trabalhados, mas já é certo que esta tecnologia veio pra ficar, contribuindo para uma melhor qualidade de vida e facilitando o acesso à informação.

 

 

Hardwares e Kits de Desenvolvimento disponíveis no mercado

 

Existem diversos hardwares e kits de desenvolvimento BLE no mercado. Cada um com suas peculiaridades, sendo mais atrativo do que outro dependendo do objetivo de quem adquire.

 

Segue uma lista com alguns desses hardwares:

 

 

Referências

 

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Graduado em Engenharia Elétrica com ênfase em Telecomunicações pelo INATEL (Instituto Nacional de Telecomunicações) e técnico em Automação Industrial, participante do Projeto Momote.io e entusiasta na área de Internet das Coisas. Gosta de inovação, arte, pinga e viola.
  • Gabriel Libânio

    Muto bem escrito Leandro.
    Parabéns!

    • Leandro Pessoa

      Muito obrigado Gabriel Libânio.

  • Miguel Czarnobai

    Uma fabricante muito boa no segmento de BLE não citada é a Cypress, a configuração é muito fácil de fazer. http://www.cypress.com/products/bluetooth-low-energy-ble

  • http://arduinoezigbee.blogspot.com.br/ cirineu

    Distância máxima do Zigbee só de 10 a 100 m ? Tem zigbee de 1200m e também 9 Km dá uma pesquisada.

    • Victor

      Você tem razão. 10 a 100m é em 2.4Ghz, sem amplificador.
      Para Sub-Ghz a distância máxima pode ser bem maior.

    • Leandro Pessoa

      Esse texto aborda transmissões na frequência de 2.4 Ghz, sem amplificador, como nosso amigo Victor disse.
      Muito obrigado pelo comentário.