Bluetooth - технология беспроводной передачи данных, работающая в частотном диапазоне 2400...2485 МГц. Для исключения взаимного влияния данный диапазон поделен на 79 каналов шириной 1 МГц (или 40 каналов шириной 2 МГц для случая Bluetooth Low Energy). По дальности действия Bluetooth-устройства делятся на модули первого класса (дальность на открытом пространстве ≥100 м), второго класса (дальность ≥10 м) и третьего класса (дальность действия - 1 м). Некоторые модули способны передавать данные на расстояние до 1 км в зоне прямой видимости. Основными отличительными свойствами стандарта Bluetooth являются адаптивная скачкообразная перестройка частоты (Adaptive Frequency Hopping), помехоустойчивое кодирование (Forward Error Correction), узкополосные каналы и низкая чувствительность к переотражениям и многолучевому распространению сигнала.
Следует обратить внимание, что в зависимости от реализуемой версии стандарта Bluetooth-модули кардинально отличаются по своим характеристикам. Модули стандарта Bluetooth 2.1 и более ранних версий предназначены для передачи значительных объемов информации, при этом их энергопотребление может составлять десятки или сотни милливатт. Устройства, реализующие спецификацию Bluetooth 4.0 и выше (также часто называемые Bluetooth Low Energy), отличаются существенно более низким энергопотреблением, что обеспечивает их работу от одной батарейки на протяжении нескольких лет. При этом скорость передачи и дальность действия таких модулей также значительно ниже по сравнению с модулями стандарта Bluetooth 2.1.
Важнейшим преимуществом технологии Bluetooth является её широкое распространение среди мобильных устройств. Это позволяет считывать показания с датчиков или управлять удалёнными исполнительными механизмами при помощи практически любого смартфона или планшета.
Bluetooth 5.2
Bluetooth 5.1
Bluetooth 5.0
Bluetooth mesh
Bluetooth 4.x
Bluetooth 3.0
Bluetooth 2.x
Bluetooth 5.2
Спецификация Bluetooth 5.2 опубликована SIG 6 января 2020 года. В спецификации добавлены следующие новые функции:
- LE Power Control - позволяет устройствам динамически оптимизировать мощность передачи для связи между подключенными устройствами, что существенно экономит заряд батареи;
- LE Audio - новый стандарт передачи звука с низким энергопотреблением через Bluetooth представляет несколько новых функций, включая возможность передавать аудиоданные на множество устройств или принимать звук одновременно от нескольких источников; используется новый кодек LC3;
- Enhanced Attribute protocol - улучшенная версия протокола атрибутов использует только шифрованное соединение, поддерживает параллельные транзакции, а также позволяет изменять блок максимальной передачи (MTU) во время соединения.
Bluetooth 5.1
Bluetooth 5.1 предоставляет новые функции Direction Finding, которые позволят устройствам Bluetooth определять местоположение с погрешностью < 1 метра. Bluetooth 5.1 предлагает два разных метода определения направления: «Угол прибытия» (Angle of Arrival) и «Угол отправления» (Angle of Departure). Одно из двух устройств должно иметь массив из нескольких антенн, и данные, полученные от этих антенн, могут использоваться для определения направления, с которого поступает сигнал Bluetooth.
Bluetooth 5.0
Cпецификация Bluetooth 5 была опубликована в конце 2016 года. Версия 5 стала наиболее кардинальным изменением стандарта с момента появления Bluetooth Low Energy. Её основные особенности:
- 2х увеличение скорости передачи (2 Мбит/c вместо 1 Мбит в предыдущих версиях; помимо увеличения пропускной способности это также обеспечивает снижение энергопотребления устройств за счёт сокращения времени передачи пакетов);
- 4х увеличение дальности действия (передача теперь может осуществляться не только на повышенной скорости 2 Мбит/с, но и на пониженных скоростях 125 и 500 кбит/с; увеличивается чувствительность устройств, и, соответственно, диапазон действия);
- 8х увеличение ёмкости передаваемых пакетов (полезная нагрузка advertisement-пакетов увеличивается с 31 до 255 байтов; кроме того, вводятся 37 дополнительных advertisement-каналов, что позволяет уменьшить загруженность трёх основных каналов).
Bluetooth mesh
Организация Bluetooth Special Interest Group в июле 2017 г. опубликовала новую спецификацию Bluetooth Mesh Networking, позволяющую объединять сотни Bluetooth-устройств в одну сеть с ячеистой топологией. В результате такого объединения за счет ретрансляции сообщений через промежуточные узлы зона охвата Bluetooth-сети может быть увеличена в десятки раз. Спецификация предусматривает применение многоуровневой системы аутентификации и шифрования, что обеспечивает защиту сети от всех известных типов атак. Обмен данными в сети регламентируется на всех уровнях - от физического до уровня приложений, что даёт возможность совместного использования устройств различных производителей.
Особенности сети Bluetooth mesh делают её оптимальным решением в двух областях: домашняя автоматизация (т.е. "умный дом") и управление освещением. Ещё одно преимущество сети Bluetooth mesh - возможность легко добавить к ней Beaconing-функциональность для решения задач позиционирования внутри помещений.
Bluetooth 4.x
В декабре 2009 года опубликована версия спецификации Bluetooth 4.0, наиболее существенным достоинством которой является сверхмалое пиковое энергопотребление, среднее энергопотребление и энергопотребление в спящем режиме. Благодаря этому, устройства, использующие Bluetooth Low Energy, могут работать до нескольких лет от одной батарейки типа "таблетка".
Важнейшим преимуществом модулей Bluetooth Low Energy является возможность работать в режиме радиомаяка (Beacon-а), т.е. способность рассылать широковещательные сообщения всем Bluetooth-устройствам без установления соединения. Это позволяет отправлять различные рекламные сообщения, а также определять местоположение объектов внутри помещений (по уровню принимаемого сигнала RSSI).
В зависимости от функциональных возможностей устройства Bluetooth Low Energy (сокращённо BLE) делятся на два типа: Bluetooth Single Mode (или Bluetooth Smart) и Bluetooth Dual Mode (или Bluetooth Smart Ready). Модули и микросхемы Bluetooth Single Mode предназначены для использования в датчиках с минимальным энергопотреблением, передающих короткие пакеты данных. Такие устройства не поддерживают соединение с модулями, реализующими предыдущие версии стандарта (Bluetooth 2.1 и более ранними). Модули Bluetooth Dual Mode одновременно поддерживают стандарты Bluetooth 2.1 и Bluetooth Low Energy. Такие модули обычно применяются в разнообразных портативных устройствах (ноутбуках, планшетных компьютерах, смартфонах).
Bluetooth 3.0
Появившийся в 2009 году стандарт Bluetooth 3.0 поддерживает высокоскоростную передачу данных со скоростью до 24 Мбит/с. Эта возможность реализована следующим способом. Устройства, совместимые с Bluetooth 3.0, оснащаются сразу двумя модулями - Bluetooth 2.1 + EDR (обычная скорость до 3 Мбит/c) и модулем, работающем аналогично Wi-Fi по протоколу 802.11, обеспечивающим уже высокую скорость. При этом совместимости с Wi-Fi непосредственно нет, и для работы в этих беспроводных сетях устройству потребуется дополнительный модуль.
Bluetooth 2.x
Модули стандарта Bluetooth 2.1 и более ранних версий (в дальнейшем будем называть их Bluetooth Classic) предназначены для передачи значительных объемов информации (например, аудиоданных), при этом их энергопотребление может составлять десятки или сотни милливатт.
Важным свойством любого Bluetooth-устройства является список поддерживаемых им профилей, то есть набор функциональных возможностей, доступных для данного устройства. Два модуля Bluetooth могут взаимодействовать только в том случае, если они оба поддерживают один и тот же профиль. Например, для подключения беспроводной гарнитуры к мобильному телефону оба устройства должны реализовывать профили Headset или Hands-Free.
Рассмотрим основные профили, реализуемые модулями Bluetooth Classic и Bluetooth Smart.
Профили Bluetooth Classic
Профиль последовательного порта позволяет организовать "прозрачный" беспроводной канал между двумя устройствами, которые ранее были связаны проводным последовательным интерфейсом. Встраиваемый Bluetooth-модуль осуществляет преобразование потока данных, поступающих по проводному асинхронному последовательному каналу, в беспроводной поток в соответствии с профилем SPP (Serial Port Profile). На удаленной стороне в качестве приемопередатчика Bluetooth можно использовать штатный Bluetooth-адаптер персонального компьютера или второй встраиваемый модуль.
Hands-Free Profile (HFP) - используется для соединения беспроводной гарнитуры и телефона.
Human Interface Device Profile (HID) - обеспечивает поддержку устройств с HID, таких как мышки, джойстики, клавиатуры. Использует медленный канал, работает на пониженной мощности.
Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) - разработан для передачи двухканального стерео аудиопотока, например, музыки, к беспроводной гарнитуре или любому другому устройству.
Health Device Profile (HDP) - регламентирует процессы взаимодействия и управления различных медицинских приборов и датчиков по беспроводному каналу.
Профили Bluetooth Smart
Health Thermometer / Heart Rate Sensor - передача информации с датчиков температуры / пульсометров.
iBeacon/AltBeacon/EddyStone - определение местоположения объектов внутри помещений.
Proximity/Find Me - измерение расстояния между двумя объектами.
Cable Replacement - аналог профиля SPP для устройств Bluetooth Smart.
