Bluetooth är en beprövad teknik som har testats i de mest krävande miljöer. Pelle Svensson, utvecklingschef för produktstrategi inom kortdistanskommunikation hos u-blox, gör här en genomgång av tekniken och historien och ger åtta viktiga argument till varför Bluetooth är ett självklart val för kommunikation inom industrin.

Bluetooth är i dag ett välkänt begrepp. Tekniken, som utvecklades 1998 av Bluetooth Special Interest Group (SIG), har skördat stora framgångar på konsumentmarknaden och återfinns numera i så gott som alla smartmobiler, surfplattor och datorer. Enligt Bluetooth SIG kan antalet sålda Bluetooth-enheter räknas i miljarder, och med en genomsnittlig årlig tillväxt på 12 procent väntas man ha nått 5,2 miljarder enheter år 2022. Siffrorna ljuger inte: Bluetooth fungerar, är populärt och stöds av ett kolossalt ekosystem.

Potential inom industrin
Vad som däremot är mindre känt är teknikens potential för uppkoppling av trådlösa applikationer inom industrin, även i de mest krävande miljöer. Bluetooth har uppdaterats med nya funktioner flera gånger, senast i januari 2019 då specifikationerna för Bluetooth 5.1 publicerades (eg. Angle of Arrival. Use cases is indoor location). Dessa förbättrade de tekniska egenskaperna och gjorde standarden bättre lämpad för nya användningsområden. Men vad som ofta förbises är att Bluetooth i grunden erbjuder stora fördelar för applikationer inom industrin.

Fig 1. Nyckelfördelar med Bluetooth i krävande miljöer

Nedan följer åtta starka argument för att välja användning av Bluetooth vid uppkoppling av applikationer inom industrin.

#1 Bluetooth har hög immunitet mot interferens:
Bluetooth arbetar på det licensfria 2,4 GHz ISM-frekvensbandet (Industrial, Scientific, and Medical). Tekniken delar detta band med flera andra RF-tekniker, bl.a. Wi-Fi, ZigBee och olika kommersiella applikationer som billarm och videoenheter.

För att höras använder Bluetooth s k adaptiv frekvenshoppning. ISM-bandet på 2,4 GHz utgörs i Bluetooth Classic av 79 enskilda kanaler på 1 MHz. Inom lågenergi-Bluetooth är spektrumet uppdelat i 40 enskilda kanaler på 2 MHz för att möjliggöra enklare RF-design och minska kostnaderna ytterligare. Meddelanden delas upp i små datapaket som skickas ett och ett via separata kanaler var 625:e mikrosekund. Kanalbyte sker upp till 1600 gånger i sekunden enligt en i förväg bestämd ordning. Paket som inte når fram felfritt till mottagaren skickas på nytt, och om skadan beror på kanalen markeras den så att den kan undvikas i framtida kommunikation.

Resultatet är en tillförlitlig trådlös dataöverföring som alltid hittar den optimala vägen genom bruset.

#2 Bluetooth stödjer en hög densitet av enheter:
Bluetooth har redan från början varit optimerat för att stödja en hög densitet av enheter och kommer därför fungera med begränsad interferens även när flera nätverk är belägna mycket nära varandra. De små datapaketen, som är idealiskt lämpade för industriapplikationer för t ex mätning och styrning, tillbringar endast en kort tid i luften. Det innebär att de inte belastar etern i onödan och att interferensen med andra enheter är minimal.

Bluetooth anpassar även uteffekten automatiskt så att paketen aldrig skickas med högre effekt än vad som krävs för att de ska nå mottagarenheten. Man kan alltså säga att de inte ropar högt när det inte finns något brus som måste överröstas. Detta frigör också utrymme i etern och ökar antalet enheter som kan använda samma frekvensband utan att orsaka interferens. En ytterligare fördel är att det sparar energi, vilket har särskild betydelse för fristående batteridrivna enheter.

Slutligen är tekniken optimerad för att existera harmoniskt tillsammans med Wi-Fi, som också ofta utnyttjar ISM-bandet i både industri- och konsumentprodukter. Wi-Fi-kanaler använder en bandbredd på 22 MHz på ISM-bandet, vilket innebär att man kan ha upp till tre icke överlappande kanaler samtidigt. Med hjälp av adaptiv frekvenshoppning kan Bluetooth optimalt utnyttja ledigt utrymme i etern, t ex genom att sända små BLE-datapaket i utrymmet mellan Wi Fi-kanaler.

#3 Bluetooth hittar och korrigerar bitfel:
När signal-brusförhållandet är för lågt, t ex i miljöer med mycket brus eller vid långa överföringsavstånd, ökar risken för att meddelanden påverkas av bitfel. Utöver att hitta fel och optimera hoppen mellan kanaler genom att undvika opålitliga kanaler kan Bluetooth vid behov använda felkorrigering på mottagarsidan (Forward Error Correction, FEC) för att korrigera bitfel. Det innebär att överföringen utökas med redundanta bitar som FEC-algoritmen sedan kan användas av mottagaren för att korrigera eventuella fel.

#4 Bluetooth passar etablerade standarder:
Seriella portar har varit i bruk i flera årtionden och används fortfarande standardmässigt för applikationer inom industrin. Profilen Bluetooth Serial Port Profile (SPP) emulerar ett komplett seriellt gränssnitt (RS232, RS422/485) med maskinvarubaserad handskakning via Bluetooth. En seriell kabel kan ersättas med trådlös punkt-till-punktanslutning eller flerpunktsanslutning. SPP används för utbyte av data mellan bärbara datorer, kontrollsystem och andra enheter med seriellt gränssnitt.

#5 Bluetooth har större räckvidd än du kanske tror:
Fastän Bluetooth vanligen förknippas med trådlös kommunikation på bara några meters håll har tekniken visat sig fungera pålitligt även vid betydligt större avstånd. I en studie undersökte man hur ett Bluetoothbaserat realtidsgränssnitt för en sensor/aktuator presterade i tuffa industrimiljöer.

Författarna konstaterade att ”trådlösa automatiseringssystem baserade på Bluetoothteknik är extremt pålitliga tack vare inbyggda systemfördelar som adaptiv frekvenshoppning med höga driftfrekvenser, feldetektering och korrigering. Varken störande strålning från maskiner, andra radiosystem eller sändare kan påverka överföringen så länge avstånden är mindre än 30 m.”

Bluetooth 5 erbjuder ännu större räckvidd. På en öppen yta och med en bra antenn lyckades vi skicka ett meddelande mer än 1,7 km med hjälp av Bluetooth långdistansläge (coded PHY).

Bluetooth 5 långdistansläge uppnås högre räckvidd genom att skickade meddelanden skickas långsammare – upp till 8 gånger under de mest krävande omständigheterna. I områden med hög densitet kan täckningen förbättras ytterligare genom att ett s k meshnätverk för Bluetooth implementeras. I ett meshnätverk vidarebefordras meddelanden mellan olika noder innan de når sin slutliga destination.

#6 Bluetooth fungerar var du än är:
Bluetoothenheter är utformade för att uppfylla kraven i en global standard. Detta är till stor fördel för produktutvecklare, som slipper ta fram flera olika varianter av produkter för olika delar av den globala marknaden. Teknikens genomslag på marknaden för mobila enheter innebär dessutom att det numera går att interagera med Bluetoothenheter från vilken smartmobil eller surfplatta som helst via en dedikerad app.

#7 Bluetooth passar idealiskt för IoT (sakernas internet) inom industrin:
Enligt en rapport från Silvair , som levererar flexibel fast programvara i paket för LED-belysning och sensorer, är Bluetoothtekniken överlägsen jämfört med konkurrerande trådlösa kortdistanslösningar – i synnerhet vad gäller hastigheten, vilket medför ökad effektivitet, mindre fördröjningar och god svarsförmåga. Den har dessutom optimerats för sändning av otaliga mycket små datapaket, vilket gör den perfekt lämpad för IoT-applikationer, inte bara i ett uppkopplat hem eller en stad, utan också inom en uppkopplad industri.

#8 Bluetooth har utformats för hög säkerhet:
Ett antal olika egenskaper gör Bluetooth till en mycket säker trådlös teknik. Adaptiv frekvenshoppning, som nämnts tidigare, innebär att enheterna använder en mer eller mindre slumpartad serie frekvenshopp som endast sändaren och mottagaren känner till. För att avlyssna kommunikationen skulle man vara tvungen att följa alla tillgängliga kanaler och sedan pussla ihop de olika datapaketen till meddelandet som skickas.

Sedan Bluetooth 4.2 sker parningen som krävs för att Bluetooth-enheter ska kunna kommunicera med varandra med hjälp av en algoritm certifierad av FIPS (Federal Information Processing Standards) som genererar ett s k ECDH (Elliptic Curve Diffie-Hellman) öppet/privat nyckelpar. Detta system, som också kallas LE Secure Connections, förhindrar att data som sänds fångas upp i en s k Man-in-the-Middle-attack (MITM).
Bluetooth-moduler kan också göras osynliga för andra Bluetooth-enheter, vilket innebär att eventuella hackers inte kan veta när de finns i närheten. Anslutningar kan endast upprättas mellan enheter som har parats i förväg.

Bild 2: Användningsområden för Bluetoothtekniken inom industrin (klicka för större bild)

Tillförlitliga prestanda en lång tid framöver
Under de över 20 år som gått sedan Bluetooth Special Interest Group (SIG) grundades har man hållit tekniken relevant genom att hela tiden anpassa den till förändrade användningsscenarier. Tekniken var ursprungligen tänkt för trådlös synkronisering av data mellan mobiltelefoner, men den började snabbt användas i många olika scenarier, vanligen i samband med dataöverföring mellan personliga elektroniska enheter. I dag spelar lågenergi-Bluetooth (från och med version 4.0) och Bluetooth 5.0 i en helt annan division och används i sakernas internet.

Sedan tekniken introducerades har Bluetooth gång på gång visat sig vara en robust uppkopplingslösning för tillverkningsprocesser inom industrin. Tusentals företag inom så varierande branscher som tillverkningsindustri, medicinsk utrustning och borrhålsundersökning har med goda resultat förlitat sig på Bluetooth under många år och kommer att fortsätta med det även framöver.

Pelle Svensson, utvecklingschef för produktstrategi inom kortdistanskommunikation hos u-blox

Pelle Svensson har arbetat med Bluetooth sedan tekniken lanserades, först hos Ericsson och sedan hos ConnectBlue och u-blox. ConnectBlue köptes 2014 av u-blox.

Filed under: Embedded