С тех пор, как он был разработан в 1998 году Специальной группой по интересам Bluetooth (SIG), успех Bluetooth на потребительском рынке, где он стал характерной чертой практически для каждого смартфона, планшета и ПК, сделал его нарицательным. По данным Bluetooth SIG, количество поставок устройств Bluetooth исчисляется миллиардами, а среднегодовые темпы роста составляют 12 процентов, достигнув к 2022 году 5,2 миллиарда единиц. 

Однако менее известен потенциал этой технологии для обеспечения беспроводной связи с промышленными приложениями даже в самых сложных условиях. Технология снова и снова перестраивалась, совсем недавно, с выпуском спецификаций Bluetooth 5 в декабре 2016 года, расширяя набор функций и укрепляя свои позиции для обслуживания новых вариантов использования. Но часто упускают из виду то, что по своей сути Bluetooth имеет много общего с промышленными приложениями.

Вот восемь веских аргументов в пользу выбора Bluetooth для подключения промышленных приложений.

# 1 Bluetooth очень невосприимчив к помехам

Bluetooth работает в нелицензированном диапазоне частот ISM 2,4 ГГц (промышленный, научный и медицинский). Там он сосуществует с множеством других радиочастотных технологий, включая Wi-Fi, ZigBee и другие коммерческие приложения, такие как автомобильная сигнализация и видеоустройства.

Чтобы быть услышанным, Bluetooth использует метод, называемый адаптивным скачкообразным изменением частоты. Диапазон ISM 2,4 ГГц состоит из 79 отдельных каналов 1 МГц в Bluetooth Classic. В Bluetooth Low Energy (BLE) спектр делится на 40 отдельных каналов по 2 МГц, чтобы обеспечить более спокойный дизайн RF и еще больше снизить стоимость. Сообщения разбиваются на небольшие пакеты данных и отправляются один за другим по отдельным каналам каждые 625 микросекунд. Канал переключается до 1600 раз в секунду в соответствии с согласованной последовательностью. Пакеты, которые не достигают получателя в целости и сохранности, повторно отправляются, и, если канал виноват, он помечается и избегается при дальнейшей связи.

Результатом является беспроводная передача данных, которая надежно находит оптимальный путь прохождения шума.

# 2 Bluetooth поддерживает высокую плотность устройства 

Конструкция Bluetooth оптимизирована для поддержки высокой плотности устройств, и несколько сетей, расположенных в непосредственной близости, будут продолжать работать с ограниченными помехами. Короткие пакеты данных, идеально подходящие для промышленных применений, включающих, например, измерения и контроль, каждый проводят в воздухе лишь короткое время. Следовательно, они не излишне загрязняют радиоволны, сводя к минимуму помехи другим устройствам.

Bluetooth дополнительно поддерживает автоматическое управление питанием, передавая только пакеты с уровнем сигнала, необходимым для достижения приемного устройства. Другими словами, они не кричат, когда нет шума, чтобы прорезать. Это снова освобождает радиоволны, увеличивая количество устройств, которые могут занимать одну и ту же полосу частот, не вызывая помех. Он также обладает дополнительным преимуществом экономии энергии, что особенно актуально для автономных устройств с батарейным питанием.

И, наконец, он оптимизирован для сосуществования с Wi-Fi, который часто разделяет диапазон ISM в промышленных и бытовых условиях. Каналы Wi-Fi используют полосу 22 МГц в диапазоне ISM, которая может одновременно поддерживать до трех непересекающихся каналов. Используя адаптивное скачкообразное изменение частоты, Bluetooth способен оптимально использовать свободные эфиры, например, передавая рекламные пакеты данных BLE в пространстве между каналами Wi-Fi.

# 3 Bluetooth обнаруживает и исправляет битовые ошибки

Когда отношение сигнал / шум низкое, например, в шумной обстановке, или когда расстояния передачи велики, вероятность появления ошибочных битов в сообщениях увеличивается. В дополнение к обнаружению ошибок для оптимизации схемы переключения каналов путем исключения ненадежных каналов, Bluetooth может, при необходимости, использовать прямое исправление ошибок (FEC) для исправления битовых ошибок на стороне приемника. Это включает добавление избыточных битов к основному сообщению, которое алгоритм FEC может затем использовать для исправления ошибок. Как мы увидим, это также помогает Bluetooth надежно передавать сообщения на большие расстояния и в шумной обстановке.

# 4 Bluetooth вписывается в существующие конструкции

Последовательные порты использовались десятилетиями и продолжают использоваться в промышленных приложениях. Профиль последовательного порта Bluetooth (SPP) эмулирует полный последовательный интерфейс (RS232, RS422 / 485) с аппаратным подтверждением связи через Bluetooth. Последовательный кабель может быть заменен беспроводным соединением с двухточечной или многоточечной работой. SPP используется для обмена данными между ноутбуками, системами управления и другими устройствами с последовательным интерфейсом.

# 5 Bluetooth предлагает больше покрытия, чем вы думаете

Хотя Bluetooth обычно ассоциируется с беспроводной связью порядка метров, было показано, что технология надежно работает на гораздо больших расстояниях. В одном исследовании  были проведены исследования производительности интерфейса датчик-привод в реальном времени на основе Bluetooth в жестких промышленных условиях.

Авторы приходят к выводу, что «беспроводные системы автоматизации, основанные на технологии Bluetooth, чрезвычайно надежны благодаря присущим им системным характеристикам, таким как адаптивное скачкообразное изменение частоты на высоких рабочих частотах, обнаружение и исправление ошибок. Ни паразитные излучения машин, ни другие радиосистемы или движения трансиверов не могут ухудшить передачу, если расстояния не превышают 30 м ».

Bluetooth 5 предлагает еще большую дальность. В условиях открытого поля и с использованием хорошей антенны мы смогли передать сообщение на расстояние более 1,7 км, используя дальний режим Bluetooth (кодированный PHY).

Увеличенный диапазон достигается в режиме дальнего действия Bluetooth 5 за счет увеличения продолжительности широковещательных сообщений до восьми раз в самых сложных сценариях. Покрытие может быть дополнительно расширено в плотных средах путем внедрения ячеистой сети Bluetooth. В ячеистой сети сообщения могут передаваться от узла к узлу, пока они не достигнут своего места назначения. 

# 6 Bluetooth работает везде, где вы

Все устройства Bluetooth разработаны с учетом требований одного и того же глобального стандарта. Это выгодно производителям устройств, которым не нужно беспокоиться о поддержке нескольких SKU для работы на мировом рынке. Проникновение технологии в портативные устройства также дает возможность взаимодействовать с устройствами Bluetooth с любого смартфона или планшета через специальное приложение.

# 7 Bluetooth идеально подходит для (промышленных) IoT-приложений

Согласно отчету Silvair  поставщика гибких пакетов микропрограмм освещения для светодиодного освещения и сенсорных устройств, радиопередача Bluetooth (в его варианте с низким энергопотреблением) отличается от конкурирующих беспроводных технологий ближнего радиуса действия, прежде всего с точки зрения скорости, которая повышает эффективность, задержку и отзывчивость. Кроме того, он оптимизирован для передачи множества очень маленьких пакетов данных, что делает его идеальным для приложений IoT не только в подключенном доме или городе, но и в подключенной отрасли. 

# 8 Bluetooth очень безопасен в дизайне

Ряд функций способствует превращению Bluetooth в высоконадежную беспроводную технологию. Упомянутое ранее адаптивное переключение частоты зависит от псевдослучайной последовательности переключения, известной только передатчику и приемнику. Это означает, что перехватчик должен будет отслеживать все доступные каналы и правильно соединять пакеты данных в отправляемое сообщение.

Начиная с Bluetooth 4.2, сопряжение устройств Bluetooth, являющееся обязательным условием для связи между ними, использует алгоритм, соответствующий федеральным стандартам обработки информации (FIPS), для генерации так называемой пары открытый-закрытый ключ Диффи-Хеллмана с эллиптической кривой (ECDH). Эта функция, называемая LE Secure Connections, предотвращает перехват данных, передаваемых при атаках «человек посередине» (MITM). 

Модули Bluetooth также можно сделать невидимыми для других устройств Bluetooth, что означает, что потенциальные хакеры не знают об их присутствии. Соединения могут быть установлены только между устройствами, которые были спарены заранее.

Надежная работа в далеком будущем

За 20 лет, прошедших с момента основания Bluetooth SIG, технология смогла оставаться актуальной, адаптируясь к развивающимся случаям использования. Первоначально задуманный как беспроводное средство синхронизации данных между мобильными телефонами, он вскоре послужил ряду вариантов использования, обычно связанных с передачей данных между персональными электронными устройствами. Сегодня BLE (начиная с версии 4.0) и Bluetooth 5.0 играют в совершенно другой лиге, обслуживая сценарии использования в Интернете вещей.

С момента своего появления Bluetooth зарекомендовал себя как надежное решение для подключения к промышленным производственным процессам. Тысячи компаний в таких разных областях, как промышленное производство, медицинские приборы и геологоразведочные работы, уже много лет успешно используют Bluetooth и будут продолжать работать в будущем.

Поделиться: