Signal- und Datenübertragung Bluetooth Smart: Basistechnik für intelligente Anwendungen

Autor / Redakteur: Mark de Clercq * / Franz Graser

Bluetooth Smart weist nicht nur einen geringeren Stromverbrauch auf als die klassische Variante. Die Technik eröffnet auch die Möglichkeit, kleine tragbare Geräte per Energy Harvesting zu versorgen.

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Selbstversorger: Der Injektionsstift KiCoPen erzeugt zwischen 100 und 200 µJ Energie, um den Bluetooth Smart SoC von Dialog Semiconductor mit Strom zu versorgen – einfaches Abziehen und Aufstecken der Kappe genügt.
Selbstversorger: Der Injektionsstift KiCoPen erzeugt zwischen 100 und 200 µJ Energie, um den Bluetooth Smart SoC von Dialog Semiconductor mit Strom zu versorgen – einfaches Abziehen und Aufstecken der Kappe genügt.
(Bild: Cambridge Consultants)

Bluetooth ist seit jeher eine relativ stromsparende Kurzstrecken-Funkkommunikationstechnik – verglichen mit Wi-Fi, dem anderen häufig anzutreffenden drahtlosen Datenkommunikationsstandard. Viele Anwendungen im groß angekündigten Internet der Dinge (IoT) müssen jedoch mit weit geringeren Leistungspegeln als jenen von Classic Bluetooth betrieben werden. Deshalb hat sich Bluetooth Low Energy (Bluetooth v4.0, v4.1 und v4.2) etabliert, das von der Bluetooth Special Interest Group als „Bluetooth Smart“ vermarktet wird.

Warum Bluetooth Smart für tragbare Geräte?

Bluetooth findet sich bereits in Smartphones, Tablets und Notebooks, die Daten von einem Bluetooth-fähigen Knoten verarbeiten und anzeigen können oder Daten an andere Geräte und einen Cloud-Dienst senden (beispielsweise über Wi-Fi, Mobilfunk oder andere Verbindungen).

Dies ist seit geraumer Zeit möglich, aber Bluetooth Smart vereinfacht nun die Anbindung an den IoT-Knoten. Ein geringerer Stromverbrauch reduziert die Batteriebelastung im Knoten und erhöht deren Lebensdauer auf Monate, wenn nicht sogar Jahre. Noch spannender ist die Möglichkeit, kleine tragbare Geräte mittels Energy Harvesting zu versorgen, da der Energiebedarf für Datenverbindungen durch Neuerungen in der Bluetooth-Smart-Funktechnik immer weiter verringert wird.

Wie Classic Bluetooth arbeitet auch Bluetooth Smart im 2,4 GHz-ISM-Band, verbraucht aber in vielen Anwendungen nur 1/100 der durchschnittlichen Leistung. Der geringere Energieverbrauch erklärt sich durch die hauptsächlich ausgeschaltete Funkeinheit und die Nutzung kleiner Datenpakete. Mit 2 MHz breiten Kanälen steht eine Verbindungsdatenrate von 1 Mbps und ein Applikations-Datendurchsatz von nur 100 kbps bereit.

Mit Bluetooth Classic hingegen, das EDR (Enhanced Data Rate) nutzt, stehen theoretisch bis zu 3 Mbps bereit, obwohl die praktische Übertragungsrate eher 2 Mbps beträgt. Damit eignet sich diese Technik besser für Daten-Streaming, was jedoch mit einem höheren Energieverbrauch einhergeht. Geringe Datenmengen sind zusammen mit wenigen Arbeitszyklen jedoch eine gängige Voraussetzung vieler IoT-Überwachungs- und Messanwendungen.

Ein weiterer Unterschied zwischen den beiden Standards ist, dass Bluetooth Smart authentifizierte Verbindungen in nur drei Millisekunden erstellen kann, was wesentlich schneller ist als die 100 ms bei Classic Bluetooth. Ein schnellerer Verbindungsaufbau sorgt für eine schnellere Datenabfrage und weniger Energieverbrauch.

Bluetooth Smart adressiert noch ein weiteres wichtiges Anliegen in vielen IoT-Anwendungen: die Datensicherheit. Die Verschlüsselung und Authentifizierung basiert auf dem von der US-Regierung genutzten 128-Bit Advanced Encryption System (AES-128).

Eine Zusammenfassung der wesentlichen Unterschiede zwischen Classic Bluetooth und Bluetooth Smart finden Sie in untenstehender Tabelle.

Erübrigt sich in tragbaren Elektronikgeräten und Wearables die Batterie, dann verringert sich damit der Montageaufwand und die Zuverlässigkeit des Geräts wird erhöht. Dieser Schritt ist zudem umweltfreundlicher, da keine gebrauchten Batterien mehr entsorgt werden müssen.

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