آموزش و مقالات شبکه، وب، سرور و اینترنت

آموزش‌های کلادفلر به‌زودی در این بخش قرار داده می‌شود.

بلوتوث کم‌مصرف (BLE)؛ راهنمای تکنولوژی اینترنت اشیا

نوشته شده توسط

گیک شبکه

در

تکنولوژی BLE که اولین بار سال ۲۰۱۲ معرفی شد، یک پروتکل خیلی انعطاف‌پذیره که برای خیلی از کاربردهای مهم اینترنت اشیا، ارتباط بی‌سیم فراهم میکنه. تمرکز اصلیش روی کار کردن با مصرف انرژی فوق‌العاده پایینه و همین باعث شده تو صنایع مختلفی مثل لوازم الکترونیکی مصرفی، بهداشت و درمان و حتی لجستیک و انبارداری ازش استفاده بشه. امروز میخوایم تمام نکات پایه‌ای BLE رو با هم یاد بگیریم تا شما هم بتونید برای پروژه‌های بعدیتون ازش استفاده کنید و سهمی از این بازار بزرگ ۳۸۴ میلیارد دلاری اینترنت اشیا داشته باشید.

داستان بلوتوث از کجا شروع شد؟

قبل از اینکه بریم تو دنیای BLE، بهتره یه نگاهی به پدرش یعنی همون بلوتوث معمولی بندازیم. مشخصات فنی بلوتوث از دهه ۹۰ میلادی وجود داشته. هدف اصلی از طراحی این پروتکل این بود که جای کابل‌ها رو برای انتقال داده بین دستگاه‌ها تو فاصله‌های کوتاه بگیره. جالبه که امروز هم اصلی‌ترین کاربردش همینه.

بلوتوث یک تکنولوژی بی‌سیم با برد کوتاهه که تو باند فرکانسی ۲.۴ گیگاهرتز ISM کار میکنه. این باند فرکانسی برای استفاده عموم آزاده و نیازی به مجوز نداره. کارش هم انتقال داده و ساختن شبکه‌های شخصی کوچیک (PAN) هست.

احتمالا همین الان دور و بر همه‌مون کلی دستگاه بلوتوثی هست: گوشی موبایل، لپ‌تاپ، هدفون و اسپیکر. جالبه بدونید که فقط تو سال ۲۰۲۱، بیشتر از ۴.۷ میلیارد دستگاه بلوتوثی تو کل دنیا تولید و عرضه شده. این نشون میده که بلوتوث یکی از پرکاربردترین تکنولوژی‌های دنیاست.

اگه از مردم تو خیابون بپرسید بلوتوث چیه، اکثرشون یه شناخت کلی ازش دارن. اما پشت پرده، این یک استاندارد فنی نسبتا پیچیده‌ است که توسط یک گروه به اسم گروه علایق ویژه بلوتوث (Bluetooth Special Interest Group) یا به اختصار SIG مدیریت میشه. این گروه در طول سال‌ها، نسخه‌های مختلفی از مشخصات فنی بلوتوث رو منتشر کرده. دو تا از معروف‌ترین پروتکل‌های این استاندارد، «بلوتوث کلاسیک» و «بلوتوث کم‌مصرف» هستن.

تا سال ۲۰۱۰، تمرکز اصلی روی بهتر کردن بلوتوث کلاسیک بود. اما تو همین سال، گروه SIG نسخه ۴.۰ بلوتوث رو منتشر کرد. این نسخه یک مسیر متفاوت رو در پیش گرفت و یک پروتکل جدید به اسم بلوتوث کم‌مصرف (BLE) رو به دنیا معرفی کرد.

بلوتوث کم‌مصرف (BLE) دقیقا چیه؟

با اینکه BLE خیلی از ویژگی‌هاش رو از جدش یعنی بلوتوث کلاسیک گرفته، اما به عنوان یک تکنولوژی متفاوت شناخته میشه. هدف اصلی BLE بازارهایی هست که نیاز اصلیشون مصرف انرژی فوق‌العاده پایینه، نه سرعت انتقال داده بالا.

ارتباط داده با رادیوی LE (که مخفف Low Energy هست) در بسته‌های کوچیک و کوتاه اتفاق میفته که لازم نیست خیلی پشت سر هم باشن. یک سناریوی معمولی برای BLE این شکلیه: دستگاه رادیوش رو برای مدت کوتاهی روشن میکنه، چند بایت یا چند کیلوبایت داده رو منتقل یا دریافت میکنه، و بعد دوباره رادیو رو خاموش میکنه و به حالت خواب (Sleep Mode) برمیگرده.

این دقیقا برعکس کاربردهای بلوتوث کلاسیکه. مثلا وقتی دارید با هدفون بلوتوثی به موسیقی گوش میدید، رادیوی بلوتوث کلاسیک همیشه روشنه تا ارتباط پایدار بمونه و کمترین تاخیر رو داشته باشه، یا مثلا وقتی میخواید یک فایل بزرگ رو بین دو تا گوشی منتقل کنید.

مقایسه بلوتوث کلاسیک و بلوتوث کم‌مصرف (BLE)

با اینکه این دو تا پروتکل شباهت‌های زیادی دارن، مثلا هر دو زیرمجموعه استاندارد بلوتوث هستن و هر دو تو باند فرکانسی ۲.۴ گیگاهرتز کار میکنن، اما دو تا پروتکل کاملا جدا و ناسازگار با هم هستن. یعنی یک دستگاه که فقط بلوتوث کلاسیک داره نمیتونه به یک دستگاه که فقط BLE داره وصل بشه.

  • بلوتوث کلاسیک برای انتقال حجم زیادی از داده طراحی شده، اما در عوض مصرف انرژیش هم بالاست. همون مثال گوش دادن به موسیقی با هدفون بی‌سیم رو در نظر بگیرید. این یک کاربرد کلاسیک برای بلوتوث کلاسیکه.
  • بلوتوث کم‌مصرف (BLE)، از طرف دیگه، برای کاربردهایی طراحی شده که نیازی به انتقال حجم بالای داده ندارن اما در عوض عمر باتری خیلی براشون مهمه. مثلا یک سنسور دما تو یک انبار بزرگ رو تصور کنید که میخواید نصبش کنید و برای ماه‌ها یا حتی سال‌ها دیگه بهش دست نزنید. برای چنین کاربردی، BLE انتخاب خیلی بهتریه.

البته تفاوت‌های فنی بیشتری بین این دو وجود داره، اما اگه بخوایم خیلی سطح بالا و خودمونی بگیم، تفاوت اصلی بین بلوتوث کلاسیک و BLE تو مصرف انرژی و سرعت انتقال داده است.

ویژگیبلوتوث کلاسیک (Classic Bluetooth)بلوتوث کم‌مصرف (BLE)
هدف اصلیانتقال مداوم داده (مثل صدا)انتقال بسته‌های کوچک داده به صورت دوره‌ای
مصرف انرژیبالابسیار پایین (تا ۱۰۰ برابر کمتر از کلاسیک)
سرعت انتقال دادهبالاترپایین‌تر
کاربرد اصلیهدفون، اسپیکر، انتقال فایلسنسورها، گجت‌های پوشیدنی، دستگاه‌های پزشکی
حالت کاریهمیشه متصل و فعالبیشتر اوقات در حالت خواب، برای مدت کوتاه فعال

چرا BLE اینقدر خوبه؟ (مزیت‌ها)

تا اینجا فهمیدیم که BLE با فکر کردن به یک بازار خاص طراحی شده: بازار دستگاه‌هایی که نیاز به مصرف انرژی پایین و انتقال داده کم دارن. برای اینکه نیاز این بازار رو برآورده کنه، بلوتوث کم‌مصرف یک سری مزیت‌های مهم هم برای توسعه‌دهنده‌ها و هم برای مصرف‌کننده‌ها فراهم میکنه. بیایید چند تا از مهم‌ترین‌هاش رو ببینیم:

  • مصرف انرژی پایین: حتی وقتی با بقیه تکنولوژی‌های کم‌مصرف مقایسه‌اش میکنیم، BLE باز هم بهینه و کم‌مصرفه. راز این مصرف کم اینه که رادیوی دستگاه تا جای ممکن خاموش میمونه و فقط برای فرستادن مقدار کمی داده با سرعت پایین برای مدت کوتاهی روشن میشه.
  • هزینه پایین برای شروع توسعه: ماژول‌ها و چیپست‌های BLE در مقایسه با تکنولوژی‌های مشابه، قیمت پایین‌تری دارن. این به خاطر اینه که استفاده ازش خیلی زیاد شده و رقابت تو بازار بالا رفته.
  • دسترسی آزاد به مستندات فنی: برای بیشتر پروتکل‌ها و تکنولوژی‌های بی‌سیم دیگه، شما باید عضو رسمی اون گروه یا کنسرسیوم بشید تا بتونید به مشخصات فنیش دسترسی داشته باشید. عضویت تو این گروه‌ها میتونه خیلی گرون باشه (حتی تا هزاران دلار در سال). اما برای BLE، مستندات فنی نسخه‌های اصلی (مثل 4.0, 4.2, 5.0, 5.1, 5.2, 5.3 و غیره) رو میتونید به صورت رایگان از وب‌سایت Bluetooth.com دانلود کنید.
  • وجود گسترده در گوشی‌های هوشمند: این شاید بزرگترین مزیت BLE نسبت به رقباش مثل ZigBee، Z-Wave و Thread باشه. تقریبا همه مردم دنیا یک گوشی هوشمند دارن و تقریبا تمام این گوشی‌ها سخت‌افزار BLE رو داخلشون دارن. این به توسعه‌دهنده‌ها یک پایگاه کاربری بالقوه خیلی بزرگ برای اپلیکیشن‌هاشون میده.

آیا BLE هیچ محدودیتی نداره؟

به عنوان یک توسعه‌دهنده، فهمیدن محدودیت‌های یک تکنولوژی به اندازه فهمیدن مزیت‌هاش مهمه. اینطوری میتونید تصمیم بگیرید که آیا این تکنولوژی برای پروژه شما مناسبه یا نه. بیایید چند تا از مهم‌ترین محدودیت‌های BLE رو بررسی کنیم.

  • سرعت انتقال داده (Throughput): سرعت انتقال داده تو BLE توسط نرخ داده رادیوی فیزیکی محدود میشه. این نرخ به نسخه بلوتوثی که استفاده میشه بستگی داره.
    • برای نسخه‌های بلوتوث قبل از ۵.۰، این نرخ روی ۱ مگابیت بر ثانیه (Mbps) ثابته.
    • اما برای بلوتوث ۵.۰ و بالاتر، این نرخ بسته به حالت و لایه فیزیکی (PHY) که استفاده میشه، متغیره. میتونه مثل نسخه‌های قبلی ۱ مگابیت بر ثانیه باشه، یا وقتی از قابلیت سرعت بالا (high-speed) استفاده میشه به ۲ مگابیت بر ثانیه برسه.
    • وقتی هم از قابلیت برد بلند (long-range) استفاده میشه، این نرخ به ۵۰۰ یا ۱۲۵ کیلوبیت بر ثانیه (Kbps) کاهش پیدا میکنه.
    • نکته مهم: این نرخ‌ها مربوط به لایه رادیوییه. سرعتی که کاربر نهایی در سطح اپلیکیشن تجربه میکنه، خیلی کمتر از این حرف‌هاست.
  • برد (Range): تکنولوژی BLE برای کاربردهای با برد کوتاه طراحی شده، برای همین برد عملکردش محدوده. چند تا عامل روی برد BLE تاثیر میذارن:
    • فرکانس کاری: این تکنولوژی تو طیف فرکانسی ۲.۴ گیگاهرتز ISM کار میکنه که خیلی تحت تاثیر موانعی مثل اشیای فلزی، دیوارها و آب (مخصوصا بدن انسان) قرار میگیره.
    • طراحی آنتن: عملکرد و طراحی آنتن دستگاه BLE خیلی مهمه.
    • پوشش فیزیکی دستگاه: قاب و بدنه دستگاه روی عملکرد آنتن تاثیر میذاره، مخصوصا اگه آنتن داخلی باشه.
    • جهت‌گیری دستگاه: این مورد هم به موقعیت قرارگیری آنتن مربوط میشه (مثلا تو گوشی‌های هوشمند). به طور کلی برد BLE بین ۰ تا ۲۵ متر بهینه است و در شرایط ایده‌آل میتونه تا ۱۰۰ متر هم برسه.
  • نیاز به دروازه (Gateway) برای اتصال به اینترنت: برای اینکه داده رو از یک دستگاه که فقط BLE داره به اینترنت بفرستید، به یک دستگاه دیگه نیاز دارید که هم BLE داشته باشه و هم به اینترنت وصل باشه (مثلا یک گوشی هوشمند یا یک دستگاه مخصوص). این دستگاه واسط، داده رو از دستگاه BLE میگیره و بعد به اینترنت منتقل میکنه.

BLE رو کجاها میبینیم؟ (کاربردهای واقعی)

وقتی BLE تو سال ۲۰۱۰ معرفی شد، تمرکزش بیشتر روی کاربردهای اینترنت اشیا (IoT) بود که تو اونها حجم کمی از داده با سرعت پایین منتقل میشه. تو این ده سال اخیر، BLE تو کاربردهای خیلی متنوعی از دستگاه‌های مصرفی گرفته تا تولیدات صنعتی استفاده شده. بیایید چند تا از رایج‌ترین کاربردهاش رو ببینیم:

  • اتوماسیون خانگی: بخش بزرگی از بازار خانه هوشمند به لطف استفاده از بلوتوث LE ممکن شده. این تکنولوژی به دستگاه‌هایی مثل لامپ‌های هوشمند، ترموستات‌های هوشمند، قفل‌های هوشمند و سنسورهایی که دود یا باز بودن پنجره رو تشخیص میدن، اجازه میده با هم ارتباط برقرار کنن.
  • ردیاب‌های تناسب اندام: خیلی از ما ساعت‌های هوشمند یا مچ‌بندهای سلامتی داریم که ضربان قلب، تعداد قدم‌ها و چیزای دیگه رو ردیابی میکنن. این دستگاه‌های سلامتی و ردیاب فعالیت، با استفاده از BLE با اپلیکیشن‌های روی گوشیمون ارتباط برقرار میکنن. این انتقال‌های کوتاه و سریع داده در فاصله نزدیک، یک مثال عالی برای کاربرد BLE هست.
  • دستگاه‌های صوتی: همه ما با هدفون‌های بلوتوثی آشناییم، اما معمولا این دستگاه‌ها از بلوتوث کلاسیک استفاده میکنن. یکی از جدیدترین پیشرفت‌ها در زمینه بلوتوث کم‌مصرف، چیزی به اسم LE Audio هست. این استاندارد جدید چندین مزیت نسبت به بلوتوث سنتی داره، از جمله کیفیت صدای بهتر، مصرف انرژی کمتر و پشتیبانی از سمعک‌ها.
  • ردیابی تماس (Contact Tracing): سیستم‌های هوشمند ردیابی تماس دارن برای کمک به جلوگیری از شیوع بیماری‌های عفونی استفاده میشن. به جای گزارش‌دهی دستی، ردیابی تماس با استفاده از BLE به صورت مداوم «تگ»های BLE یا گوشی‌های هوشمند اطراف رو اسکن میکنه تا به صورت ناشناس تماس‌های نزدیک بین افراد رو ثبت کنه. مثلا در یک محیط کاری، به هر کارمند یک تگ BLE داده میشه و اگه یک نفر بیمار بشه، به راحتی میشه فهمید چه کسانی با اون در تماس نزدیک بودن.
  • تگ‌های پیدا کردن اشیا: با شلوغ شدن سفرها، بعضی‌ها تگ‌هایی مثل AirTag یا Tile رو به چمدونشون وصل میکنن تا اگه گم شد بتونن پیداش کنن. این دستگاه‌های ردیاب دقیق که با BLE کار میکنن، فقط برای چمدون نیستن. میتونید اونها رو به هر چیزی که فکر میکنید ممکنه گم بشه وصل کنید، مثل دوچرخه یا کلید ماشین، و موقعیتش رو از طریق یک اپلیکیشن روی گوشی پیدا کنید.
  • تبلیغات هدفمند: تصور کنید تو یک فروشگاه لباس هستید و یهو یک نوتیفیکیشن روی گوشیتون میاد که یک کوپن تخفیف برای همون فروشگاهی که توش هستید بهتون میده. این نوع تبلیغات شخصی‌سازی شده و مبتنی بر مکان، دقیقا کاریه که تبلیغ‌کننده‌ها و صاحبان فروشگاه‌ها میتونن انجام بدن. این کار به لطف پیشرفت‌های بلوتوث ۵.۰ و تکنولوژی پخش همگانی «بیکن»های بلوتوثی ممکنه.
  • مدیریت انبار: مدیران انبارها دارن از راهکارهای مبتنی بر BLE برای ردیابی دما و رطوبت محموله‌های حساس، تشخیص افتادن بسته‌های شکننده و حتی پیدا کردن بهینه‌ترین مکان برای نگهداری دارایی‌ها در انبار استفاده میکنن. پتانسیل زیادی وجود داره که هوش مصنوعی و BLE با هم ترکیب بشن و یک زنجیره لجستیک واقعا هوشمند ایجاد کنن.
  • ایمنی کارکنان: تگ‌های BLE میتونن به روش‌های مختلفی به حفظ ایمنی کارکنان کمک کنن. مثلا دکمه‌های وحشت (Panic buttons) برای کارمندان بانک یا هتل که در معرض خطر هستن. این افراد میتونن با فشار دادن تگ BLE به صورت نامحسوس درخواست کمک کنن. یا سیستم‌های تشخیص سقوط (Fall detection) در سایت‌های ساختمانی یا خانه‌های سالمندان که به محض تشخیص سقوط، به صورت خودکار هشدار ارسال میکنن.

بیکن‌های BLE (BLE Beacons)

بیکن‌های بلوتوث، فرستنده‌های کوچیک، بی‌سیم و باتری‌خور هستن که از پروتکل BLE برای ارسال سیگنال استفاده میکنن. نکته خاص در مورد بیکن‌ها اینه که معمولا یک‌طرفه کار میکنن. یعنی فقط به دستگاه‌های BLE اطرافشون سیگنال میفرستن (پخش همگانی یا Broadcast)، اما داده‌ای دریافت نمیکنن. بیکن‌ها برای این کار نیازی به اتصال اینترنت ندارن. یک سناریوی معمول اینه که یک بیکن به صورت مداوم داده رو به دستگاه‌های هوشمند اطرافش (مثل موبایل‌ها و ساعت‌های هوشمند) پخش میکنه.

در حال حاضر، پشتیبانی گوشی‌های هوشمند از بیکن‌های بلوتوثی هنوز کامل نیست، برای همین پیاده‌سازی‌های واقعی اونها کمه. اما در آینده احتمالا میبینیم که از بیکن‌ها برای کارهایی مثل بازاریابی مجاورتی (Proximity marketing)، مسیریابی داخلی (مثلا تو یک مرکز خرید بزرگ) و ردیابی دارایی‌ها در صنعت لجستیک بیشتر استفاده میشه.

خب، حالا بریم سراغ بخش فنی ماجرا: معماری BLE

پروتکل بلوتوث کم‌مصرف، حتی برای توسعه‌دهنده‌های باتجربه هم ساده نیست. برای اینکه سفر شما برای یادگیری توسعه BLE رو شروع کنیم، میخوایم معماری پروتکل بلوتوث LE رو به صورت کلی و لایه‌های مختلفش رو با هم بررسی کنیم.

بلوتوث کم‌مصرف یک پروتکل هست. مثل هر پروتکل دیگه‌ای، این هم مثل یک کتابچه قوانینه که دستگاه‌ها برای ارتباط و تبادل اطلاعات باید ازش پیروی کنن. مهمه که بدونید عملکرد کلی یک پروتکل به پروتکل‌های کوچیکتری تقسیم میشه که هر کدوم یک وظیفه خیلی تخصصی دارن. این پروتکل‌های کوچیکتر در یک معماری لایه‌ای به اسم پشته پروتکل (Protocol Stack) کنار هم قرار میگیرن.

پشته پروتکل بلوتوث به طور کلی به سه بخش یا زیرسیستم اصلی تقسیم میشه: اپلیکیشن (Application)، میزبان (Host) و کنترلر (Controller). داخل هر کدوم از این بلوک‌ها، لایه‌های مشخصی وجود داره.

لایه‌های پروتکل BLE

اگه شما توسعه‌دهنده‌ای هستید که میخواید اپلیکیشن‌های BLE بنویسید، لازم نیست خیلی نگران لایه‌هایی که پایین‌تر از لایه مدیر امنیت (Security Manager) و پروتکل ویژگی (Attribute Protocol) هستن باشید. اما دونستن کلیات این لایه‌ها میتونه مفید باشه. بیایید یه نگاهی بهشون بندازیم.

  • لایه فیزیکی (Physical Layer – PHY):
    این لایه به رادیوی فیزیکی اشاره داره که برای ارتباط و مدوله/دمدوله کردن داده استفاده میشه. این لایه تو همون باند فرکانسی ISM (طیف ۲.۴ گیگاهرتز) کار میکنه.
  • لایه پیوند (Link Layer):
    این لایه با لایه فیزیکی (رادیو) در ارتباطه و برای لایه‌های بالاتر یک راه برای تعامل با رادیو فراهم میکنه. این لایه مسئول مدیریت وضعیت رادیو و همچنین الزامات زمانی برای پایبندی به مشخصات فنی بلوتوث کم‌مصرفه.
  • رابط کنترلر میزبان (Host Controller Interface – HCI):
    لایه HCI یک پروتکل استاندارد هست که توسط مشخصات بلوتوtoh تعریف شده و به لایه میزبان (Host) اجازه میده با لایه کنترلر (Controller) ارتباط برقرار کنه. این لایه‌ها میتونن روی چیپ‌های جداگانه باشن یا هر دو روی یک چیپ باشن.
  • پروتکل کنترل و تطبیق پیوند منطقی (L2CAP):
    لایه L2CAP مثل یک لایه تقسیم‌کننده پروتکل عمل میکنه. این لایه چندین پروتکل رو از لایه‌های بالاتر میگیره و اونها رو تو بسته‌های استاندارد BLE قرار میده. بعد این بسته‌ها رو به لایه‌های پایین‌تر میفرسته.
  • پروتکل ویژگی (Attribute Protocol – ATT):
    پروتکل ATT تعریف میکنه که یک سرور چطور داده‌هاش رو در اختیار یک کلاینت قرار میده و این داده‌ها چطور ساختاردهی شدن.
  • پروفایل ویژگی عمومی (Generic Attribute Profile – GATT):
    این لایه یکی از مهم‌ترین لایه‌ها برای توسعه‌دهنده‌هاست. GATT فرمت داده‌ای که توسط یک دستگاه BLE ارائه میشه رو تعریف میکنه. همچنین رویه‌های لازم برای دسترسی به این داده‌ها رو مشخص میکنه.

    تو GATT دو تا نقش اصلی وجود داره: سرور (Server) و کلاینت (Client).

    • سرور: دستگاهیه که داده‌هایی که کنترل میکنه یا در اختیار داره رو به بقیه نشون میده.

    • کلاینت: دستگاهیه که با سرور ارتباط برقرار میکنه تا داده‌های سرور رو بخونه یا رفتارش رو کنترل کنه.

    یادتون باشه که یک دستگاه BLE میتونه همزمان هم سرور باشه و هم کلاینت.

    برای فهمیدن GATT، باید با دو مفهوم کلیدی آشنا بشید: سرویس‌ها (Services) و مشخصه‌ها (Characteristics).


    • سرویس (Service): یک گروه از یک یا چند «ویژگی» (Attribute) هست. هدفش اینه که ویژگی‌های مرتبط که یک کارکرد خاص رو روی سرور انجام میدن، کنار هم جمع کنه. مثلا، «سرویس باتری» که توسط خود گروه SIG تعریف شده، شامل یک مشخصه به اسم «سطح باتری» هست.

    • مشخصه (Characteristic): همیشه بخشی از یک سرویسه و یک تیکه از اطلاعات یا داده رو نشون میده که سرور میخواد در اختیار کلاینت بذاره. مثلا، «مشخصه سطح باتری» میزان شارژ باقی‌مونده باتری رو نشون میده که کلاینت میتونه اون رو بخونه.

    در BLE، شش نوع عملیات روی مشخصه‌ها وجود داره:

    • دستورها (Commands)
    • درخواست‌ها (Requests)
    • پاسخ‌ها (Responses)
    • اعلان‌ها (Notifications)
    • نشانه‌ها (Indications)
    • تاییدها (Confirmations)
  • پروفایل دسترسی عمومی (Generic Access Profile – GAP):
    این هم یکی دیگه از لایه‌های بسیار مهم برای توسعه‌دهنده‌هاست. GAP یک چارچوب تعریف میکنه که میگه دستگاه‌های BLE چطور با هم تعامل کنن. این شامل موارد زیر میشه:

    • نقش‌های دستگاه‌های BLE

    • تبلیغات (Advertising) – (پخش همگانی، کشف، پارامترهای تبلیغ، داده تبلیغ)

    • برقراری ارتباط (Connection) – (شروع ارتباط، پذیرش ارتباط، پارامترهای ارتباط)

    • امنیت


    نقش‌های مختلف یک دستگاه BLE اینها هستن:



    • پخش‌کننده (Broadcaster): دستگاهی که تبلیغات (Advertisements) میفرسته اما بسته‌ای دریافت نمیکنه و اجازه اتصال هم به کسی نمیده. مثل یک بیکن.

    • ناظر (Observer): دستگاهی که به بسته‌های تبلیغاتی که بقیه میفرستن گوش میده اما با دستگاه تبلیغ‌کننده ارتباط برقرار نمیکنه.

    • مرکزی (Central): دستگاهی که دستگاه‌های تبلیغ‌کننده دیگه رو کشف میکنه و بهشون گوش میده. یک دستگاه مرکزی این قابلیت رو هم داره که به یک دستگاه تبلیغ‌کننده وصل بشه. معمولا گوشی‌های هوشمند یا کامپیوترها این نقش رو دارن.

    • پیرامونی (Peripheral): دستگاهی که تبلیغ میکنه و اتصال از دستگاه‌های مرکزی رو قبول میکنه. معمولا سنسورها، ساعت‌های هوشمند و دستگاه‌های کوچیک این نقش رو دارن.


    یادتون باشه که یک دستگاه میتونه همزمان چند تا نقش داشته باشه. مثلا گوشی هوشمند شما میتونه در نقش مرکزی باشه وقتی به ساعت هوشمندتون وصله، و همزمان در نقش پیرامونی باشه وقتی به کامپیوترتون وصله.


ردیابی موقعیت با BLE

یکی از جذاب‌ترین کاربردهای BLE، استفاده از اون برای ردیابی موقعیت در فضاهای داخلیه، جایی که GPS کار نمیکنه. این کار معمولا با دو روش انجام میشه: استفاده از سنسورها یا استفاده از بیکن‌ها.

  • موقعیت‌یابی با سنسورها: در این روش، سنسورهای BLE در مکان‌های ثابتی در یک فضای داخلی نصب میشن. این سنسورها به صورت غیرفعال به سیگنال‌های ارسالی از دستگاه‌های بلوتوثی مثل گوشی‌های هوشمند، تگ‌های ردیابی دارایی، بیکن‌ها و گجت‌های پوشیدنی گوش میدن. با توجه به قدرت سیگنال دریافتی (RSSI) از دستگاه فرستنده، موقعیت اون دستگاه تخمین زده میشه. این داده به یک سیستم موقعیت‌یاب داخلی (IPS) فرستاده میشه و اون سیستم با استفاده از الگوریتم‌های چندجانبه‌سازی (multilateration) موقعیت دقیق دستگاه رو محاسبه میکنه.
  • موقعیت‌یابی با بیکن‌ها: در این روش، بیکن‌ها در مکان‌های ثابت نصب میشن و به طور مداوم سیگنال‌هایی حاوی یک شناسه منحصر به فرد رو پخش میکنن. یک دستگاه مثل گوشی هوشمند که یک اپلیکیشن مخصوص روش نصب شده، وقتی در محدوده بیکن قرار میگیره، سیگنال رو دریافت میکنه. اگه دستگاه سیگنال حداقل سه بیکن رو دریافت کنه، میتونه با مقایسه قدرت سیگنال اونها، موقعیت خودش رو تخمین بزنه.

دقت موقعیت‌یابی با BLE معمولا در حد چند متر (کمتر از ۵ متر در شرایط بهینه) هست. این دقت به اندازه تکنولوژی‌هایی مثل UWB (که دقت در حد سانتی‌متر داره) بالا نیست، اما برای خیلی از کاربردها کاملا کافیه و مزیت‌هایی مثل هزینه پایین و مصرف انرژی کم داره.

آینده موقعیت‌یابی با BLE: با معرفی بلوتوث ۵.۱ و قابلیت جدیدش به اسم جهت‌یابی (Direction Finding)، قراره دقت موقعیت‌یابی با BLE به سطح زیر یک متر و حتی سانتی‌متر برسه. این قابلیت جدید به دستگاه‌ها اجازه میده نه تنها قدرت سیگنال، بلکه زاویه رسیدن سیگنال (Angle of Arrival – AoA) رو هم محاسبه کنن که باعث میشه موقعیت‌یابی خیلی دقیق‌تر بشه.

پرسش و پاسخ‌های رایج در مورد BLE

  • سوال ۱: پس BLE همون بلوتوث معمولیه؟
    نه. با اینکه هر دو زیرمجموعه استاندارد بلوتوث هستن، اما دو تا پروتکل جدا و ناسازگار با هم هستن. بلوتوث کلاسیک برای انتقال مداوم داده مثل صدا طراحی شده و مصرف انرژی بالایی داره. BLE برای انتقال‌های کوتاه و کم‌حجم داده طراحی شده و مصرف انرژیش فوق‌العاده پایینه.
  • سوال ۲: چرا BLE برای اینترنت اشیا (IoT) اینقدر مهمه؟
    دو دلیل اصلی وجود داره: اول، مصرف انرژی خیلی پایینش که باعث میشه دستگاه‌های باتری‌خور بتونن برای ماه‌ها یا سال‌ها کار کنن. دوم، برای اکثر کاربردهای IoT مثل سنسورها، فقط لازمه حجم کمی از داده (مثلا فقط دمای فعلی) به صورت دوره‌ای ارسال بشه که BLE برای این کار کاملا بهینه است.
  • سوال ۳: BLE به زبان ساده چطور کار میکنه؟
    سه مرحله اصلی داره:
    1. تبلیغ (Advertising): دستگاه‌های پیرامونی (مثل یک سنسور) بسته‌های کوچیک داده رو به صورت مداوم پخش میکنن تا حضور خودشون رو اعلام کنن.
    2. اسکن (Scanning): دستگاه‌های مرکزی (مثل یک گوشی) به این بسته‌های تبلیغاتی گوش میدن تا دستگاه‌های اطراف رو پیدا کنن.
    3. اتصال (Connection): وقتی دستگاه مرکزی یک دستگاه پیرامونی رو پیدا کرد، میتونه بهش درخواست اتصال بده و بعد از اون، دو دستگاه میتونن داده رو به صورت دوطرفه رد و بدل کنن.
  • سوال ۴: نقش‌های مختلف دستگاه‌های BLE چی هستن؟
    چهار نقش اصلی وجود داره:
    • پیرامونی (Peripheral): دستگاهی که تبلیغ میکنه و منتظر اتصال میمونه (مثل ساعت هوشمند).
    • مرکزی (Central): دستگاهی که اسکن میکنه و اتصال رو برقرار میکنه (مثل گوشی موبایل).
    • پخش‌کننده (Broadcaster): دستگاهی که فقط تبلیغ میکنه و قابل اتصال نیست (مثل بیکن‌ها).
    • ناظر (Observer): دستگاهی که فقط به تبلیغات گوش میده و وصل نمیشه.
  • سوال ۵: چند تا مثال واقعی از کاربرد BLE میزنید؟
    حتما. ردیاب‌های تناسب اندام (مثل فیت‌بیت)، ساعت‌های هوشمند، تجهیزات پزشکی بی‌سیم (مثل مانیتورهای قند خون)، قفل‌های هوشمند در خانه، لامپ‌های هوشمند، تگ‌های پیدا کردن وسایل (مثل ایرتگ)، و سیستم‌های موقعیت‌یاب داخلی در فروشگاه‌ها و فرودگاه‌ها، همگی از BLE استفاده میکنن.

منابع

  • [2] Bluetooth Low Energy (BLE) – Cisco Meraki Documentation
  • [4] Bluetooth RTLS: BLE Location Tracking & Positioning | Inpixon
  • [6] What is Medical BLE? | AiRISTA Blog
  • [8] BLE Scanner 4.0 on the App Store
  • [10] BLE Scanner (Connect & Notify) – Apps on Google Play
  • [1] BLE vs Bluetooth : r/embedded
  • [3] Bluetooth Low Energy (BLE): A Complete Guide
  • [5] Can someone explain BLE to me? (Bluetooth Modules) : r/embedded
  • [7] BLE | Bluetooth Low Energy – Why Everyone Is Using It?
  • [9] BLE (Bluetooth Low Energy): What Is BLE? | 7SIGNAL

دیدگاه‌ها

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

نوشته‌های بیشتر