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lunedì, 8 Agosto 2022

Bluetooth Low Energy: connessioni a bassa energia

Una tecnologia che si sta affacciando sul mercato, e che sentiamo sempre più spesso citare quando si parla di industria 2.0, è il Bluetooth Low Energy, noto anche con la sigla BLE o con il nome di Bluetooth Smart. Come ovvio dal nome, traducibile con Bluetooth a bassa energia, questa tecnologia nasce per consumare il meno possibile, in modo da massimizzare la durata della batteria.

Questa tecnologia appare nel 2009, come parte della versione 4.0 del Bluetooth. Lo scopo del neonato BLE è quello di inserirsi nell’emergente mercato dell’IoT, Internet of Things, creando uno standard che consenta il funzionamento dei dispositivi per anni senza cambiare o ricaricare la batteria. Essendo pensato proprio per questo proposito, il BLE è in realtà molto diverso, nel funzionamento, dal Bluetooth vero e proprio.

Il termine IoT, per quanto usato in tempi recenti in tantissimi contesti, resta in qualche modo poco chiaro. L’idea di IoT è che tutti gli oggetti, dai PCs, alla macchina del caffè, alla porta di casa, siano messi on-line e resi in grado di comunicare tra loro. In questo modo i diversi oggetti possono scambiarsi dati senza bisogno di intervento umano ed agire di conseguenza. In ambito domestico significa che la casa potrebbe accorgersi se ci siete oppure no e regolare luci e riscaldamento di conseguenza, permettendo un considerevole risparmio energetico. In termini industriali, invece, significa avere la possibilità di monitorare l’intero processo di produzione, rendendolo più efficiente e sprecando molte meno risorse, non solo energia elettrica.

Oltre agli accorgimenti tecnici, per consentire un consumo molto basso i dispositivi BLE non trasmettono in modo continuo, come fanno invece quelli Bluetooth. In pratica la radio, cioè la parte di hardware che si occupa della comunicazione, rimane dormiente per un certo intervallo, poi si accende e fa advertising, in pratica comunica agli altri dispositivi di essere accesa e pronta alla connessione inviando pacchetti di dati ad intervalli casuali. Se viene instaurata una connessione, la radio resta accesa per il tempo necessario allo scambio di dati, altrimenti si spegne. Dire che la radio si spegne è tuttavia un po’ semplificativo: il dispositivo entra in realtà in modalità sleep. In questo modo continuano a funzionare, a basso regime, solo i sistemi necessari, come quello che serve a “cronometrare” il tempo tra un tentativo di connessione e l’altro. Un’altra differenza rispetto al Bluetooth classico è la velocità di scambio dei dati, detta bitrate, che per il BLE è compresa tra 125Kb/s e 1Mb/s, quindi sensibilmente più bassa. D’altro canto i dati che di solito vengono scambiati sono molto pochi e un ritardo nell’arrivo non causa nessun problema.

Inoltre, il BLE prevede anche una modalità broadcast. In questo caso i dispositivi trasmittenti trasmettono i dati che devono trasmettere, scelti dall’utente, ad intervalli casuali, determinati in questo modo: si sceglie un intervallo di durata fissata a cui viene aggiunto un intervallo casuale, ovviamente limitato. Questi intervalli fissati possono variare da centinaia di millisecondi a diverse ore. Non c’è una vera e propria connessione: se c’è una ricevente pronta il dato viene raccolto, altrimenti va perso; in caso i dati vengano persi o ricevuti ma siano danneggiati, non c’è possibilità di chiedere che siano reinviati. In ogni caso la trasmittente non sa che fine hanno fatto i dati inviati. Questo è quello che succede anche per le trasmissioni della radio: c’è un’antenna trasmittente e chiunque può ricevere. Quindi i dati trasmessi sono leggibili da tutti? No, ovviamente: i dati trasmessi usando il BLE sono criptati, quindi solo chi possiede le chiavi è in grado di leggerli effettivamente, gli altri vedrebbero solo delle sequenze alfanumeriche prive di senso.

Un tipico esempio di uso del BLE in modalità broadcast sono i rilevamenti ambientali: avendo grandezza che variano molto lentamente e facendo più misure del necessario, ad esempio una ogni mezz’ora, anche perdendo alcune trasmissioni di dati si avrebbe comunque un buon quadro della situazione. Per lavorare in questa modalità si fanno quindi spesso più trasmissioni del necessario. Questo aiuta a consumare meno energia perché le trasmissioni durano molto poco, molto meno di quanto durerebbero se si dovesse stabilire una connessione vera e propria, e sono comunque abbastanza contenute nel numero, così da far durare la batteria per mesi, se non addirittura anni.

Ovviamente la modalità di trasmissione e i suoi parametri, come gli intervalli tra un invio e l’altro di pacchetti, dipendono dall’applicazione. Se per dei sensori ambientali va bene una trasmissione broadcast con intervallo di circa mezz’ora – mezz’ora più l’intervallo casuale – per monitorare un delicato processo industriale serve una maggiore affidabilità, con connessione per dare garanzia di ricezione dell’informazione.

Per ora BLE e IoT sono prevalentemente usati in ambito industriale, anche se il BLE comincia ad essere sempre più usato anche per dispositivi medici e di monitoraggio dell’attività sportiva. Tra qualche anno però potrebbe prendere piede anche nelle abitazioni. In fondo non sarebbe male se il letto potesse dire alla macchina del caffè che vi siete alzati: cosa c’è di meglio che arrivare in cucina e trovare il caffè pronto?

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