Kommunikation Bluetooth Low Energy in Smartphones - wie funktioniert das?

Bluetooth Low Energy (LE) ermöglicht neue Wireless-Anwendungen in den Bereichen Sport/Fitness, Medizin, Industrie und Sensorik. In vielen Fällen werden dabei -Mobiltelefone als Gegenstelle verwendet. Im Folgenden deshalb ein Überblick über die Arbeitsweise von Bluetooth LE und die Applikationsentwicklung für Mobiltelefone.

Bluetooth Low Energy (LE) ist Teil der Bluetooth-4.0-Spezifikation vom Juni 2010. Bluetooth LE unterstützt die typische Bluetooth-Architektur (Bild 1) mit einer Host-CPU für den Upper Layer Stack und einem Radio/Controller für den Lower Layer Stack. Beide sind über das Host Controller Interface (HCI) verbunden. Die Radio/Controller Hardware ist in zwei Varianten verfügbar:

  • Single-Mode Devices (Radio Hardware) unterstützen nur Bluetooth LE
  • Dual-Mode Devices (Radio Hardware) unterstützen Bluetooth und Bluetooth LE.

Single-Mode-Hardware wird in Sensoren, Dual-Mode-Hardware in Mobiltelefonen, Tablets usw. eingesetzt. Die Bluetooth Special Interest Group (SIG) hat Begriffe für die verschiedenen Blue-tooth-Versionen vorgestellt: Bluetooth 2.1/3.0 wird „Bluetooth Classic“, ein Blue-tooth Dual-Mode System „Bluetooth Smart Ready“ und ein Single-Mode-Gerät „Bluetooth Smart“ genannt. Diese Begriffe sollen es dem Anwender erleichtern, die entsprechende Anwendung zu erkennen.

Bluetooth Low Energy - Rollen und States

Bluetooth LE unterstützt je nach Verbindungsart verschiedene Rollen für die Devices. Diese sind für die verbindungslose Übertragung „Broadcaster“ und „Observer“, für die verbindungsorientierte Übertragung „Peripheral“ und „Central“. Bluetooth LE Devices im verbindungsorientierten Modus arbeiten entweder als Master oder als Slave. Bluetooth LE unterstützt keinen Master-Slave Switch wie bei Bluetooth Classic, d.h. die Funktion eines Device als Master oder Slave bleibt mindestens für die Dauer der Verbindung bestehen. Die wesentlichen Merkmale der vier Device-Rollen sind:

  • Broadcaster: In dieser Rolle sendet ein Device nur Advertiser Events. Einige Advertiser Events können bis zu 31 Bytes Daten beinhalten.
  • Observer: Devices in dieser Rolle sind Empfänger, d.h. diese Devices arbeiten nur als Empfänger für Broadcaster und senden nicht. Zwischen Broadcaster und Observer wird keine Verbindung aufgebaut.
  • Peripheral: Devices in dieser Rolle senden Connectable Advertiser Events und sind Slave.
  • Central: Ein Device in dieser Rolle ist immer der Master (typischerweise ein Mobiltelefon oder PC) für Devices in der Peripheral-Rolle. Ein Central Device sendet niemals Advertiser Events. Zwischen Peripheral und Central wird eine Verbindung aufgebaut.

Zusätzlich unterstützt Bluetooth LE verschiedene States:

  • Standby (praktisch keine Bluetooth-LE-Aktivität in diesem State)
  • Advertising/Advertiser (Broadcast von Advertisement Events auf den Advertiser-Kanälen)
  • Scanning/Scanner (Scan für Advertiser Events ohne Verbindungsaufbau)
  • Initiating/Initiator (Aufbau einer Verbindung zu einem Advertiser)
  • Connection (Slave oder Master kommuniziert mit einem oder mehreren Devices)

Ein Bluetooth LE Master ist Scanner und Initiator. Master und Slave können Advertiser sein. Die Eigenschaften eines Bluetooth LE Controller sind übrigens abhängig vom Hersteller. Nicht jeder Controller unterstützt den Betrieb als Master. Einige Controller haben Limitierungen betreffend die Zahl der unterstützten Verbindungen. Aktuelle Single-Mode Controller unterstützen als Master in der Regel nur eine Verbindung. Dual-Mode Controller unterstützen zwischen 3 und 16 Verbindungen. Die Merkmale der Bluetooth LE Hardware und Software müssen berücksichtigt werden, wenn Low-Power-Betrieb oder Datendurchsatz wichtig sind. Bild 2 zeigt in diesem Zusammenhang die LE-Device-Rollen sowie die States und Betriebsarten für ein Thermometer und ein mobiles Gerät.