Comunicazione Bluetooth BLE beacon per dispositivi edge IoT

in English

Internet of Things (IoT) dispone di diverse tecnologie che migliorano la funzionalità dei dispositivi IoT in grado di connettersi e comunicare tra loro. L'IoT, insieme a varie tecnologie e dispositivi avanzati, sta trasformando rapidamente la società moderna in una più semplice e intelligente.

Secondo una recente indagine, tra tutte le altre tecnologie wireless disponibili, i beacon Bluetooth Low Energy (BLE) si sono rivelati una tecnologia di comunicazione wireless a corto raggio molto promettente, perché appaiono molto frequentemente o sono molto comuni nella tecnologia compatibile con il Bluetooth.

Il beacon BLE è costituito da un processore ARM Cortex-M0 a 32 bit e da un trasmettitore RF a 2,4 GHz con Bluetooth 4.0 Smart. Il Bluetooth SIG (Special Interest Group) gestisce diverse versioni di dispositivi Bluetooth Smart. SIG sostiene che questi beacon possono trasmettere fino a 70 metri (230 piedi). Secondo i nostri studi, gli utenti hanno praticamente sperimentato una portata di circa 40-50 metri in condizioni reali, a causa dell’effetto del rumore e degli ostacoli. I dispositivi intelligenti BLE possono rilevare la frequenza del segnale trasmesso e calcolare la distanza misurando la forza dei segnali ricevuti (RSS). I beacon BLE sono piccoli dispositivi che inviano periodicamente specifici pacchetti di dati per indicare la presenza o la trasmissione di informazioni specifiche. Un beacon solitamente è utile per i sistemi di navigazione e posizionamento interni.

Protocolli Beacon

Attualmente esistono due tipi principali di protocolli software utilizzati per tracciare i Beacon e consentire loro di comunicare con un programma o un browser. Possono essere classificati principalmente come:

Protocollo iBeacon basato su app
Protocollo Eddystone basato su browser

Figura 1: Beacon BLE

Esiste una certa sovrapposizione, poiché l'Universal Unique Identifier (UUID) di Eddystone funziona effettivamente con le applicazioni, ma in generale ogni protocollo si limita a funzionare con applicazioni o browser. I segnali stessi possono essere configurati per funzionare con uno qualsiasi di questi protocolli e utilizzati per scopi diversi.

Il protocollo iBeacon permette di inviare notifiche in background o in background di un’applicazione, permettendo all’applicazione di ricevere una notifica quando un utente riceve un messaggio.
Il protocollo Eddystone parla al browser web che deve essere aperto per consentire all’utente di ricevere il messaggio/URL. Le notifiche in background sono supportate su Android ma non su iOS.

Interazione Beacon e BLE

Incentrato sul protocollo iBeacon più diffuso, Beacon trasmette un singolo pacchetto di dati composto da quattro tipi di informazioni. UUID, Maggiore, Minore, cal Tx Power - La combinazione di queste informazioni consente di trovare, navigare e avviare una conversazione con l’utente. Qui di seguito sono riportate tutte le informazioni:

UUID: È una stringa di 16 byte utilizzata per distinguere tra grandi gruppi di beacon correlati. Ad esempio, se Coca-Cola gestisce una rete di cartelloni pubblicitari in una catena di supermercati, tutti i cartelloni Coca-Cola utilizzano lo stesso UUID. Questo permette all'applicazione per smartphone di Coca-Cola di vedere quali annunci ausiliari provengono dai tag Coca-Cola.
Maggiore: È una stringa di 2 byte utilizzata per contrassegnare un sottoinsieme più piccolo di segnalatori all’interno di un insieme più ampio. Ad esempio, se Coca-Cola ha quattro beacon in un particolare supermercato, tutte e quattro le luci sono uguali. Ciò consente a Coca-Cola di sapere esattamente in quale negozio si trova il cliente.
Minore: È una stringa di 2 byte che identifica ciascun beacon. Seguendo l'esempio di Coca-Cola, il beacon davanti al negozio Minore avrà il suo pezzo unico. Di conseguenza, il programma speciale di Coca-Cola sa esattamente dove si trova il cliente nel negozio.
cal Tx Power: La potenza di trasmissione calibrata viene utilizzata per determinare la vicinanza del beacon. Come funziona? La potenza di trasmissione calibrata è la potenza del segnale a un metro esatto dal dispositivo. Deve essere calibrata e precodificata. Gli strumenti possono quindi utilizzarlo come base per una stima approssimativa della distanza. cal Tx non deve essere confuso con la potenza Tx. Il primo è per Apple, mentre il secondo è la quantità effettiva di potenza di trasmissione del Beacon, che dipende in larga misura dalle impostazioni fisiche e dalle capacità del Beacon.

È leggermente diverso da Eddystone, dove vengono inviati tre pacchetti di dati: UID, URL e TLM:

L’UID di Eddystone è lungo 16 byte e si divide in due parti:

Namespace (10 byte), il cui scopo è simile all'UUID di iBeacon. Con iBeacon, di solito si assegna un UUID univoco a tutti i beacon per filtrarli facilmente dai segnali provenienti da altri. Nell’UID di Eddystone è possibile fare lo stesso con lo spazio dei nomi.
Instance (6 byte), servono allo stesso scopo di iBeacon di numeri grandi e piccoli per identificare i singoli beacon. Per i segnali Estimote che riflettono l’UID Eddystone, l’istanza è visualizzata come una stringa di massimo 12 caratteri.

L’URL di Eddystone
Il pacchetto Eddystone URL contiene un campo URL. La dimensione del campo dipende dalla lunghezza dell'URL.

Eddystone‐TLM
l pacchetto Eddystone TLM è progettato per essere distribuito dal pilota con pacchetti di “dati” (cioè UID e/o URL) per scopi di gestione della flotta. I dispositivi Bluetooth vicini possono leggere questi pacchetti e inviarli al servizio di gestione del parco veicoli. Ad esempio, questo servizio può avvisare il proprietario della guida turistica che la batteria è scarica. Il pacchetto di telemetria comprende:

Tensione della batteria, che può essere utilizzata per stimare il livello della batteria del segnalatore
Temperatura del beacon
Numero di pacchetti inviati dall’ultima accensione o riavvio del beacon, il tempo di attività del beacon, cioè il tempo trascorso dall’ultima accensione o riavvio.

Esistono altri tipi di protocolli, ma questi sono i due principali utilizzati a livello commerciale. Oltre a iBeacon e Eddystone, esiste anche Altbeacon (sviluppato da iBeacon dopo una causa per violazione di brevetto da parte di Radius Networks, ovvero uno standard aperto). Prima di Eddystone, Google ha lavorato sui flag URI, uno standard che ha poi portato al pacchetto URL di Eddystone. Al momento, il protocollo Eddystone è ancora relativamente nuovo ed è quindi probabile che migliori rapidamente nelle sue applicazioni e prestazioni. Far riferimento al Documento informativo Soluzioni per la connessione Wi-Fi per l’IoT per saperne di più su BLE.

Opportunità di ricerca dei beacon BLE

Dopo un lungo studio/ricerca sul beacon BLE, possiamo essere certi della fattibilità e dell’idoneità delle applicazioni IoT. La flessibilità, l’hardware a basso costo e la facilità di implementazione del BLE offrono agli sviluppatori un maggiore margine di manovra e rendono l’infrastruttura più economica e scalabile. Tuttavia, ho notato che sono presenti ancora alcuni bug, come ad esempio la durata limitata della batteria, l’interoperabilità tra diversi profili BLE, la scarsa sicurezza e così via. Per superare i suddetti svantaggi, dopo aver discusso alcune funzionalità del beacon BLE, hanno suggerito le future direzioni di ricerca.

Il beacon deve supportare contemporaneamente entrambi i protocolli (iBeacon e Eddystone).

I protocolli di rilevamento BLE supportano solo un tipo di protocollo alla volta. Esistono due framework per iBeacon e Eddystone. I grafici dei log sono diversi. Alcuni sviluppatori hanno costruito Beacon per supportare entrambi i protocolli, ma in pratica può supportare solo un protocollo alla volta. Gli sviluppatori o gli utenti devono passare manualmente da un protocollo all’altro. Anche se la maggior parte dei progettisti integri questo circuito per facilitare l’utilizzo di entrambi i protocolli, la commutazione deve essere effettuata durante la fase di sviluppo o di configurazione. Quando un trainer viene implementato con un protocollo specifico, è molto difficile cambiare la modalità di protocollo. Attualmente non esiste sul mercato un progetto specifico che supporti contemporaneamente entrambi i protocolli. Esiste un potenziale di ricerca e sviluppo in questo settore per proporre un progetto per il beacon BLE che supporti entrambi i protocolli allo stesso tempo.

Il beacon deve eseguire interazioni “molti-a-molti”.

Nell'era dell'Internet of Things, era importante avere interazioni multiple in una determinata area con l’installazione di più Beacon. Tuttavia, in un ambiente di installazione ad alto raggio, le interferenze sono un problema che impedisce un’interazione fluida e ininterrotta. In un ambiente di questo tipo, i segnali possono interferire tra loro solo se sono vicini. Consideriamo il problema precedente come un’opportunità di ricerca, cioè di lavoro, e proponiamo un design per i beacon BLE che consenta l’interazione tra molte persone in rete.

Efficienza energetica dei beacon BLE

Con le reti di sensori wireless, questo è possibile, anche se i dispositivi a basso consumo sono stati ben studiati. La raccolta di energia BLE è utile solo in ambiente esterno. Nel caso dell'ambiente interno, non ha molto senso; è necessario studiare l’accumulo di energia negli ambienti interni. A causa di tali limitazioni nell’immagazzinamento dell’energia all’interno degli edifici, i dispositivi IoT richiedono protocolli di trasmissione dati leggeri che ottimizzino l’utilizzo delle risorse e il consumo energetico. Consideriamo la questione precedente come un potenziale per ulteriori ricerche, cioè proponiamo lavoro e progettazione di protocolli leggeri in diversi livelli dello stack IoT. Un approccio leggero al trasferimento dei dati aumenta la durata della batteria del dispositivo e riduce la latenza, ossia la qualità del servizio (QoS). L’approccio dei protocolli leggeri trasmette solo piccole quantità di dati, riducendo i requisiti di comunicazione, lo sforzo computazionale e la capacità di archiviazione. L’uso di protocolli standard nell'attuale sistema IoT garantisce scalabilità, interoperabilità e prestazioni del sistema. Pertanto, tali protocolli leggeri devono presentare:

Compatibilità con ogni altro protocollo già esistente
Flessibilità per essere implementati in beacon, wearable o gateway più robusti.
Scalabilità per supportare le applicazioni in una piattaforma aggiornata.

Migliore stima della distanza

Secondo gli studi esaminati, a causa dell’instabilità dei segnali BLE, era molto difficile ottenere una stima accurata della distanza. Le sorgenti di segnale più vicine potevano essere identificate facilmente, poiché le sorgenti di segnale non erano in prossimità l’una dell’altra, a differenza di quanto accade in un’infrastruttura di beacon. Pertanto, una misurazione RSS imprecisa crea problemi nella stima della distanza dei beacon. La fluttuazione del valore RSS rappresenta una nuova sfida nello sviluppo di applicazioni legate ai beacon. In futuro, la misurazione RSS dovrà stabilizzarsi per evitare fluttuazioni nei valori di distanza. Consideriamo il problema precedente come un’opportunità di ricerca, ovvero lavorare e proporre un design per il beacon BLE che permetta di ottenere un’ipotesi di precisione migliore, dato che l'RSS di un beacon secondo i dispositivi.

Kit beacon BLE

Il CYALKIT-E02, Kit design riferimento beacon sensore BLE a energia solare, è stato progettato per aiutare a creare piccoli dispositivi IoT alimentati a energia solare con connettività wireless BLE. L’RDK viene fornito con un sensore BLE solare, un ponte BLE-USB e una scheda di debug. Il sensore Solar BLE si basa sul circuito integrato di gestione dell'energia (PMIC) di Cypress S6AE103A e Modulo EZ-BLE™ PRoC™. Il sensore è progettato per raccogliere energia dal sole o dalle luci interne e funzionare senza batteria.