Các ứng dụng công nghệ Bluetooth IoT: Từ BLE đến Mesh

Từ kết nối cáp đến Mesh : Bluetooth đã thay đổi game kết nối như thế nào ?

Bluetooth đã đi được một chặng đường rất dài kể từ khi Jaap Haartsen , một kỹ sư điện, phát minh ra công nghệ này vào năm 1994 khi làm việc cho Ericsson ở Lund, Thụy Điển. Ông hình dung công nghệ này như một giải pháp thay thế cho cáp dữ liệu RS-232 mà từ những năm 1960 đã là tiêu chuẩn để kết nối thiết bị ngoại vi của máy tính với PC. Haartsen đã phá vỡ tiêu chuẩn đó bằng cách sử dụng sóng vô tuyến UHF bước sóng ngắn trong băng tần Công nghiệp, Khoa học và Y tế ( ISM ) từ 2,4 đến 2,485 GHz để gửi các gói dữ liệu nhỏ và đơn giản (“tin nhắn”) trong khoảng cách ngắn vài mét.

Năm 1998, Haartsen đóng vai trò quan trọng trong việc thành lập Nhóm lợi ích đặc biệt Bluetooth (SIG) —một cơ quan thiết lập tiêu chuẩn như 3GPP và Liên minh LoRa. Kể từ đó, nhóm đã có một cuộc sống của riêng mình khi chúng ta đã nhúng công nghệ Bluetooth vào thói quen hàng ngày của mình trên toàn thế giới. Bluetooth sẽ chỉ tiếp tục trở nên quan trọng hơn khi SIG cải tiến các dịch vụ công nghiệp của mình: Bluetooth Low-Energy (BLE) và Bluetooth mesh.

Xem thêm : Giới thiệu về hệ thống mạng Wifi Mesh và những ứng dụng trong IoT

Sử dụng các ứng dụng Bluetooth IoT để đạt được các mục tiêu kinh doanh

Khi chọn một chế độ kết nối khác— ví dụ: Bluetooth qua LPWAN hoặc NB-IoT qua LTE-M — trước tiên, hãy đảm bảo trước tiên xác định và hiểu rõ ràng các mục tiêu kinh doanh truyền cảm hứng cho sáng kiến ​​IoT của bạn.

Vậy bạn đang cố gắng hoàn thành điều gì với IoT ?

• Đặc điểm của doanh nghiệp, ngành của bạn, dịch vụ của bạn và lĩnh vực mà bạn, nhân viên và khách hàng của bạn hoạt động là gì?
• Bạn đang cố gắng theo dõi mọi thứ hoặc mọi người trong nhà, ngoài trời hoặc qua ranh giới của cả hai?
• Bạn có sẵn nguồn điện hay các thiết bị cần phải hoạt động bằng pin?
• Bạn có cần gửi các gói dữ liệu nhỏ ( ví dụ: mở / đóng hoặc các tin nhắn hoạt động / không hoạt động đơn giản) qua mạng hay bạn nghĩ mình cần truyền các file thô lớn như âm thanh hoặc hình ảnh qua mạng?
• Điều quan trọng là phải khám phá những câu hỏi này — và nhiều câu hỏi khác không có chỗ để đề cập ở đây — trước khi trở thành mồi ngon cho những lời quảng cáo thổi phồng về một phương thức kết nối mới.

Khi Bluetooth hoạt động tốt

Có thể bạn đang cố gắng theo dõi thiết bị, nhân sự và bệnh nhân khi họ len lỏi trong các  tòa nhà bệnh viện. Các ứng dụng Bluetooth IoT được thiết kế phù hợp có hiệu quả đối với các tình huống theo dõi tài sản trong nhà như vậy do các yêu cầu về năng lượng thấp, khả năng mở rộng vô hạn về mặt lý thuyết và độ tin cậy tự phục hồi của các mạng Mesh Bluetooth mới nổi. Nhưng các giải pháp Bluetooth tương tự sẽ không tối ưu để đạt được các mục tiêu kinh doanh khác.

Khi không có Bluetooth

Giống như tất cả các giải pháp kết nối, Bluetooth không phải là viên đạn bạc. Ví dụ, nó sẽ không hoạt động tốt để theo dõi các tài sản dưới nước trong bến cảng hoặc trên một giàn khoan dầu. Tín hiệu 2,4 GHz của Bluetooth không dễ dàng truyền qua môi trường nước. Bluetooth cũng sẽ là một lựa chọn không phù hợp cho các giải pháp bảo mật yêu cầu thông tin hình ảnh, âm thanh hoặc sinh trắc học phải được công bố thông qua mạng do tải các loại dữ liệu đó trên mạng.

Chúng ta sẽ đi sâu vào một số tính năng kỹ thuật quan trọng của các ứng dụng Bluetooth IoT bên dưới, nhưng trước tiên tôi muốn nhấn mạnh rằng hiệu quả cuối cùng của mỗi chế độ kết nối được liên kết mật thiết với mức độ phù hợp của các tính năng kỹ thuật của mỗi chế độ với ba đồng phụ thuộc các nhân tố:

• Mục tiêu kinh doanh của bạn
• Điều kiện môi trường và lĩnh vực local
• Hệ sinh thái kỹ thuật số và đài phát thanh local mà bạn hy vọng đạt được mục tiêu của mình

Tất cả đều phụ thuộc vào việc hiểu mục tiêu kinh doanh của bạn, trò chuyện trong các tính năng kỹ thuật của chế độ kết nối và làm việc với các chuyên gia miền có thể đồng cảm với mục tiêu kinh doanh của bạn và giúp bạn đưa ra quyết định có trách nhiệm hơn.

Kiến trúc của một ứng dụng Bluetooth IoT

Để hiểu tại sao những thay đổi gần đây về tiêu chuẩn Bluetooth lại có ý nghĩa quan trọng đối với các ứng dụng IoT, trước tiên chúng ta phải đi sâu vào “ngăn xếp” Bluetooth. Sự phát triển của Bluetooth từ sự thay thế cho cáp dữ liệu RS-232 thành một giải pháp kết nối IoT mạnh mẽ và khổng lồ là câu chuyện về việc thêm các lớp mới vào ngăn xếp. Hãy nhớ rằng “ngăn xếp” trong ngữ cảnh này về cơ bản có nghĩa là lớp từ dưới lên của các giao thức, quy trình và ứng dụng, trong đó mỗi lớp cao hơn phụ thuộc và xây dựng dựa trên những lớp bên dưới nó. Thông số kỹ thuật Bluetooth mới nhất cho IoT — Mesh Bluetooth — phải được thiết kế dựa trên ngăn xếp BLE 4.xx hoặc 5.xx — một phần mở rộng của thông số kỹ thuật Bluetooth Core (“cổ điển”). Do đó, ngăn xếp Mesh Bluetooth mới nổi sau này bao gồm ba lớp ngăn xếp: Lõi, sau đó là BLE và Mesh ở trên cùng. Đọc sơ đồ ngăn xếp Mesh bên dưới từ dưới lên.

Cấu trúc liên kết Bluetooth: Ghép nối, Truyền phát (Broadcast) , Mesh

Trong 24 năm qua, Bluetooth đã phát triển để phù hợp với những nhu cầu thay đổi như sau:

• Point-to-point : Bluetooth làm phương tiện ghép nối hai thiết bị
  • Ví dụ: Một máy tính được ghép nối với chuột không dây
• Một-nhiều : Bluetooth như một phương tiện có một thiết bị phát thông tin đến nhiều thiết bị hoặc ngược lại
  • Ví dụ: Phát nhạc trên loa thông minh và đồng thời truyền ảnh tới máy chiếu — cả hai đều sử dụng một iPhone duy nhất
• Nhiều-nhiều : Bluetooth như một cách kết nối nhiều thiết bị với nhiều thiết bị khác như thể trong một mạng nhện
  • Ví dụ: Kết nối 1.278 đèn trên cao trong nhà kho với nhau để làm mờ và làm sáng đèn tự động dựa trên hoạt động và sở thích cá nhân.

Bluetooth mới với năng lượng thấp : BLE 

Bluetooth Low-Energy (BLE), ra mắt vào năm 2009, đã tạo tiền đề cho các ứng dụng trong tương lai trong IoT khi lĩnh vực này đang phát triển. BLE là một đặc điểm kỹ thuật chủ yếu nhắm mục tiêu đến các ứng dụng IoT quy mô nhỏ như thiết bị đeo được và phát sóng báo hiệu yêu cầu thiết bị gửi một lượng nhỏ dữ liệu bằng cách sử dụng năng lượng tối thiểu.

Bluetooth SIG đã thực hiện một số thay đổi đối với công nghệ Bluetooth Classic để làm cho nó ít ngốn điện hơn mà không ảnh hưởng đến phạm vi giao tiếp — những thay đổi sẽ chứng tỏ điều cần thiết đối với các Ứng dụng Bluetooth IoT.

Việc tăng chỉ số điều chế và điều chỉnh các loại dữ liệu sử dụng nhiều tải (và do đó tiêu tốn nhiều điện năng) đã cho phép Bluetooth giảm mức tiêu thụ điện từ 95 đến 99% (tùy thuộc vào trường hợp sử dụng). Nâng cấp mã hóa tin nhắn lên 128-bit AES-CCM (cấp chính phủ) là điều kiện tiên quyết cuối cùng để xoay cấu trúc liên kết BLE khỏi những người bán hàng trên tai nghe Bluetooth Classic của họ và hướng tới hàng loạt các nút công suất thấp chuyển tiếp các tin nhắn đơn giản qua các nhà kho cũng như nhà thông minh.

Đọc bảng trên, bạn sẽ thấy rằng số lượng nút đang hoạt động đã tăng từ bảy lên “không giới hạn”. Và có một thời điểm quan trọng trong việc chuyển đổi công nghệ từ các ứng dụng cá nhân, nhỏ hơn thành các giải pháp IoT có thể mở rộng rộng rãi.

Mesh Bluetooth: Từ mọi người đến mọi thứ

Bluetooth SIG đã công bố “đặc điểm kỹ thuật Mesh ” vào năm 2017, tiêu chuẩn hóa các tính năng không giới hạn về mặt lý thuyết của BLE. Các cấu trúc liên kết Bluetooth trước đây chủ yếu là về giao diện giữa người và vật. Mặc dù mục tiêu cuối cùng vẫn là khuếch đại tiềm năng của con người , nhưng cấu trúc liên kết Mesh về cơ bản là về cách mọi thứ giao tiếp với nhau trên quy mô lớn. Đó là về nhiều thiết bị nói chuyện với nhiều thiết bị khác.

Cấu trúc liên kết Mesh có một số tính năng mới giúp nó hoạt động hiệu quả đối với một số ứng dụng IoT nhất định.

Tính Đa hướng, mô đun và Phục hồi

Trong một mạng Mesh , tất cả các nút hoạt động như máy phát, rơle và máy thu. Từ nguồn gốc của nó, một thông điệp nhất định nhảy từ nút này sang nút khác một cách đa hướng thay vì tuyến tính. Hãy tưởng tượng một mạng nhện thay vì một đường cao tốc.

Do đó, cấu trúc liên kết loại bỏ vấn đề lỗi gateway kết nối với các cụm cảm biến phụ thuộc vì Mesh tự động “tự phục hồi” bằng cách đẩy các thông báo xung quanh các nút chết. Các khu vực của mạng Mesh cũng có thể được thêm vào hoặc loại bỏ mà không gặp chút rắc rối nào ngoài việc cung cấp và cấu hình trạng thái. Do đó, cấu trúc liên kết không chỉ mạnh mẽ mà còn có tính mô-đun.

Tin nhắn được quản lý hàng loạt

Nhiều tính năng làm cho Mesh Bluetooth trở thành một cấu trúc liên kết mạnh mẽ xuất phát từ sự cải tiến của Bluetooth SIG đối với kỹ thuật “làm ngập”. Ngập lụt tương tự như cách thức hoạt động của internet . Khi một nút Mesh nhất định xuất bản dữ liệu, nó sẽ làm như vậy bằng cách “làm ngập” tất cả các nút nằm trong phạm vi trực tiếp.

Các nút đó lần lượt làm ngập tất cả các nút trong tầm với của chúng, v.v. Và vì chỉ các nút được địa chỉ rõ ràng hoặc “đã đăng ký” hoạt động dựa trên dữ liệu đi qua chúng, bạn có thể tận dụng mọi thiết bị như một thiết bị chuyển tiếp – không chỉ các gateway .

Mặc dù nghe có vẻ không hiệu quả, nó cho phép thiết kế phần cứng kiểu dáng đẹp, thực thi lệnh đơn giản và “bước nhảy” ngắn giữa các nút — hiệu quả chuyển trực tiếp thành mức tiêu thụ điện năng thấp, chi phí đơn vị thấp và khả năng mở rộng.

“Managed flooding” là một sự tinh chỉnh của lũ lụt được sử dụng trong BLE pseudo-meshes. Nó cho phép các mạng Mesh được tiêu chuẩn hóa hoạt động hiệu quả hơn trong các ứng dụng Bluetooth IoT có thể mở rộng. Lũ lụt được quản lý đề cập đến sự kết hợp độc đáo của một số tính năng kỹ thuật của cấu trúc liên kết Mesh :

• Mỗi nút Mesh định kỳ phát ra “heartbeats” để cảnh báo các nút lân cận rằng nó đang hoạt động và sẵn sàng truyền tải thông điệp.
• Các nút nhận một heartbeats nhất định có thể tính toán khoảng cách từ điểm xuất phát của heartbeats. Biết khoảng thời gian cho phép mạng tiết kiệm năng lượng bằng cách chọn các giá trị Thời gian tồn tại (TTL) tối ưu cho các tin nhắn khi bạn giới hạn số lượng “bước nhảy” mà bạn muốn các tin nhắn đi qua Mesh .
• Các mắt Mesh có thể được phân chia thành các “mạng con” phân tích cú pháp lũ lụt thông báo thành các vùng mạng riêng biệt, do đó tiết kiệm năng lượng trong khi chỉ thêm độ phức tạp chiều tối thiểu vào cấu trúc liên kết.
• Mỗi nút lưu vào bộ nhớ cache mỗi thông báo đi qua nó, vì vậy khi các thông báo tràn qua nút, nó sẽ biết loại bỏ thay vì chuyển tiếp bất kỳ thông báo nào trong bộ nhớ cache của nó. Bộ nhớ đệm cho phép nút “quản lý” lũ lụt trong khi giữ cho mạch điện đơn giản và tiết kiệm năng lượng.

Friendship (Tình bạn) and Proxies

“Tình bạn” là một tính năng gọn gàng của cấu trúc liên kết Mesh mới cho phép nó quản lý thêm lượng tin nhắn trong khi vẫn tiết kiệm năng lượng . Bạn có thể cung cấp cho một số thiết bị trở thành nút công suất thấp (LPN) và những thiết bị khác trở thành “người bạn” của chúng.

Người bạn thường không bị ràng buộc về quyền lực ( tức là nó được kết nối với Mesh năng lượng hơn là pin). Không có giới hạn về nguồn, nút bạn bè lắng nghe và xếp hàng các tin nhắn được gửi đến LPN giống như một hộp thư thoại trong khi LPN tắt đầu thu của nó để tiết kiệm điện. Khi LPN thức dậy theo định kỳ, nó có thể hỏi người bạn xem nó có tin nhắn trong cửa hàng hay không, bật bộ thu và yêu cầu nút bạn bè gửi toàn bộ hàng đợi trong một loạt trước khi LPN chuyển sang trạng thái ngủ.

Điều này cho phép các nhà cung cấp giải pháp tận dụng các lợi ích của cấu trúc liên kết Bluetooth quảng bá nhưng trong khuôn khổ Mesh linh hoạt, điều chỉnh kết quả cuối cùng phù hợp với yêu cầu về nguồn và dữ liệu cụ thể của trường hợp sử dụng.

Tính năng thú vị cuối cùng của cấu trúc liên kết Mesh là nó có thể giao tiếp với và bao gồm các thiết bị Bluetooth mà không cần ngăn xếp Mesh . Các thiết bị tương thích với BLE cũ hơn bao gồm hàng tỷ điện thoại thông minh được bán ra kể từ khi BLE ra mắt vào năm 2009 . Lợi ích của việc có thể tương tác với mạng Mesh sử dụng công nghệ cũ hơn phải rõ ràng.

Nhớ lại rằng ngăn xếp Mesh được xếp lớp trên ngăn xếp BLE. Và hãy xem xét rằng tất cả các thiết bị BLE đều có cấu hình Thuộc tính chung (GATT). Nếu bạn cung cấp một nút Mesh làm proxy, nó sẽ hiển thị giao diện GATT mà qua đó bất kỳ thiết bị BLE nào cũng có thể “tham gia” vào mạng Mesh và tương tác với các nút của nó. Tóm lại, Giao thức Proxy của mesh làm cho nó tương thích ngược.

Tương lai cho Mesh ?

Mặc dù rõ ràng rằng Mesh đại diện cho một bước tiến quan trọng và mạnh mẽ đối với Bluetooth, nhưng tôi sẽ nhắc lại rằng chúng ta không được trở thành con mồi của tất cả các tính năng cường điệu và thú vị.

Hãy củng cố lại mục tiêu kinh doanh của bạn. Mesh Bluetooth có phù hợp với sáng kiến ​​IoT của bạn không? Rất may, bạn không thực sự phải quyết định, vì tương lai của Bluetooth có thể liên quan đến kết nối lai .

Khi Ericsson có ý tưởng liên quan đến Bluetooth, chúng ta nên lắng nghe vì như bạn sẽ nhớ lại, Haartsen đã đi tiên phong trong Bluetooth tại công ty. Ericsson cho rằng sức mạnh thực sự của mạng Mesh có thể nằm ở Giao thức Proxy. Cụ thể hơn, sức mạnh đó có thể xuất phát từ các thiết bị đa phương thức, hỗ trợ BLE, có chức năng như “gateway mao dẫn” đến các phương thức kết nối khác,  ví dụ như  di động. Kết quả thực sự sẽ là một mạng lõi lai.

Thay vì các mạng Mesh vẫn rời rạc và cô lập, các mạng kết hợp như vậy thậm chí còn có thể thích ứng, mô-đun và mở rộng hơn.

Sự hiện diện của các gateway mao dẫn như điện thoại thông minh và / hoặc các nút proxy hỗ trợ cả kết nối Bluetooth và kết nối di động trong mạng Mesh khu vực mở rộng khả năng truy cập của các thiết bị hạn chế bộ nhớ, lưu trữ và năng lượng cực thấp vào mạng lõi lên và lên đám mây. –  Ericsson

Bước đầu tiên luôn giống nhau: xác định mục tiêu kinh doanh, tìm ra những điều phức tạp trong trường hợp sử dụng của bạn và phát triển một giải pháp để phù hợp ngay từ đầu. Điều đó được cho biết, tôi tự hỏi tại sao một số người nghĩ trường hợp sử dụng đa dạng và hybrid – ex theo dõi tài sản cả trong nhà  và  ngoài trời, có thể được phục vụ bởi một phương thức kết nối này hay cách khác. Thế giới lộn xộn và lai căng. Các mạng của chúng ta có thể cần phản ánh một số tính chất hỗn hợp đó để giải quyết vấn đề cơ bản.