Bluetooth LE a vu le jour

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1 A P P L I C A T I O N Internet des objets dispose désormais de trois variantes. Mais laquelle choisir? La spécification 4.0 a introduit une variante de appelée LE, Low Energy ou Smart. Positionnée sur le marché grand public avec Smart et Smart Ready, cette déclinaison a été développée pour permettre la création de nouveaux types d appareil dans des secteurs où cette technologie n avait pas été largement adoptée auparavant pour des raisons d autonomie ou de coût. Mais quelle est la variante de qui convient le mieux à votre application? Réponse de Texas Instruments. AUTEUR Karl Torvmark, Marketing stratégique, Solutions de connectivité sans fil, Texas Instruments. LE a vu le jour sous l appellation Lite dans les laboratoires de recherche de Nokia au milieu des années 2000, en tant que variante plus compacte et plus simple du classique pour les applications où ce dernier s avérait trop complexe ou trop énergivore. Nokia, qui a perçu un potentiel prometteur dans cette nouvelle technologie, a alors créé une alliance, baptisée Wibree, autour de son nouveau-né avec d autres fabricants de produits sans fil et de semi-conducteurs. Environ un an plus tard, il est devenu clair qu il était plus logique de développer cette technologie au sein du groupe SIG qui en a pris la charge. Cette technologie a ensuite été appelée Ultra Low Power avant d être rebaptisée Low Energy. Elle a été incluse dans la spécification v4.0 publiée en Dans les communications destinées au grand public, la spécification v4.0 est appelée Smart ou Smart Ready, selon la forme sous laquelle elle est présentée. A l heure actuelle, la technologie Low Energy est présente dans bon nombre de produits disponibles en magasin (ceinture de suivi du rythme cardiaque Polar H7, montre de sport Fenix de Garmin, etc.). Tout aussi important, Low Energy est pris en charge dans les téléphones mobiles, tablettes et PC dernier cri d entreprises telles qu Apple, Motorola et Samsung. Il existe une certaine confusion au sujet de ce que 4.0 apporte réellement sur la table. Certaines personnes qui ne connaissent pas les rouages internes de la technologie supposent que Smart réduit la consommation d énergie dans tous les types d application de la technologie, mais c est faux. Les avantages de Smart ne s appliquent qu aux produits qui utilisent les fonctions de Smart/ Low Energy, et uniquement dans certains exemples d utilisation. Nous y reviendrons plus tard, après avoir examiné comment la technologie Smart est présentée au consommateur. Smart et Smart Ready Tels que présentés aux consommateurs, les produits intégrant la technologie Low Energy portent les marques Smart et Smart Ready. Ceux-ci ne correspondent pas nécessairement directement aux catégories techniques que nous explorerons plus tard, mais ont leur propre définition ancrée dans l expérience du consommateur. Les produits Smart Ready sont des produits de type «station pivot», tels que des ordinateurs, tablettes, téléphones mobiles et autres, qui prennent en charge Smart ( Low Energy) et permettent l ajout ultérieur de profils supplémentaires par le téléchargement d applications ou de pilotes, ou par le biais d une autre méthode. Les produits Smart sont des produits Low Energy qui communiquent avec des produits Smart Ready. Point important : par définition, les produits Smart ne peuvent pas communiquer avec des produits «classiques»; ils ne peuvent communiquer qu avec des produits Smart Ready. Par conséquent, lors de l achat d un produit Smart, le consommateur doit savoir que le produit fonctionnera avec d autres produits portant le logo Smart Ready, mais pas avec les produits ne portant que le logo. Point de vue technique Du point de vue technique, il existe essentiellement trois types de produits : «classique», bimode et monomode. Le premier est le classique, mentionné précédemment. La majeure partie du parc installé de produits relève de cette catégorie. Du matériel Low Energy est livré depuis plus de deux ans mais bon nombre de produits n'incluent pas le support logiciel nécessaire pour cette technologie. Il y a tout lieu de penser que, dans l'avenir, la plupart des produits incluront le support de la technologie Low Energy (la plupart des circuits intégrés modernes l'incluent déjà). Cela dit, dans l'immédiat, certains types de 36 / L EMBARQUÉ / N 5 / 2014

2 Internet des objets A P P L I C A T I O N 1 RELATIONS ENTRE LES PRODUITS BLUETOOTH SMART ET BLUETOOTH SMART READY (SOURCE : BLUETOOTH SIG) Lors de l'achat d'un produit Smart, le consommateur doit savoir que le produit fonctionnera avec d'autres produits portant le logo Smart Ready, mais pas avec les produits ne portant que le logo. 68 F SMART READY SMART Produits sans fil traditionnels, diffusant des contenus riches tels que des contenus vidéo et audio Smart Ready Produits qui se connectent en et en Smart Smart Produits de détection qui envoient de petites quantités de données en consommant très peu d énergie produits (par exemple, les écouteurs stéréo ) auxquels la technologie Low Energy apporte peu d'avantages resteront probablement des produits classiques. La deuxième catégorie est celle des produits dits bimodes. Ces produits prennent en charge les technologies classique et Low Energy, et peuvent communiquer avec les produits classique et Smart. Les produits Smart Ready contiennent des circuits intégrés bimodes. Ils ne profitent pas de la réduction de la consommation d'énergie que permet la technologie Low Energy, car ils doivent encore répondre aux exigences des anciens produits, mais ils constituent une partie importante de l'écosystème global. La troisième catégorie, et peut-être la plus intéressante, est celle des produits monomodes, qui prennent en charge la technologie Low Energy en tant que mode de communication unique. Ces produits ne peuvent pas communiquer directement avec des produits classiques, mais sont optimisés pour la technologie Low Energy et en tirent donc pleinement parti. Notez que la technologie Low Energy a été conçue et optimisée pour les applications ayant un taux d'utilisation relativement faible. Par exemple, une ceinture de suivi du rythme cardiaque peut rester EXEMPLE D UNE INTERFACE UTILISATEUR DÉPORTÉE GRÂCE À BLUETOOTH SMART n Prenons l exemple d un appareil de chauffage installé dans la chambre des enfants. Cet appareil est assorti d'un thermostat qui peut être programmé pour des températures de jour et de nuit distinctes chaque jour de la semaine. L'interface utilisateur du thermostat comprend deux affichages à sept segments, trois LED et cinq boutons. Il est en général impossible de comprendre comment ce thermostat fonctionne, même avec le manuel en main. En revanche, si ce matériel était remplacé par un circuit intégré Low Energy monomode, il serait possible d'effectuer la programmation sur l'écran tactile d'un smartphone, ce qui améliorerait considérablement la facilité d'utilisation de l'appareil. De plus, le fabricant du thermostat pourrait même réaliser des économies (sur le coût des composants, ainsi qu'en réduisant les retours et les appels en direction du service client!). Avec Low Energy, ce type d interface utilisateur intégrée classique n a plus lieu d être! connectée pendant plusieurs heures lors d'un long exercice, mais elle ne transmet que quelques octets par seconde. Par conséquent, dans un protocole optimisé, la radio n'est généralement active que pendant moins d'une milliseconde. En revanche, dans le cas d'un casque ou d'un haut-parleur sans fil, où la quantité de données se mesure en centaines de Ko par seconde, la radio est généralement active plus longtemps. La spécification initiale a été conçue pour la transmission de données sans fil polyvalente et a été adaptée avec succès à d'autres exemples d'utilisation, tels que les périphériques d'entrée et l'audio sans fil. La technologie Low Energy a été conçue pour des exemples d'utilisation auxquels la spécification initiale se prête moins, élargissant ainsi le marché potentiel global de. Les marchés du Smart A ce jour, la technologie Smart est bien implantée dans le secteur du sport et du bien-être. Le secteur médical est également très porteur pour cette technologie, avec de nouveaux exemples d'utilisation tels que les L EMBARQUÉ / N 5 / 2014 / 37

3 A P P L I C A T I O N Internet des objets 2 COMPARAISON ENTRE UNE ARCHITECTURE BLUETOOTH LOW ENERGY ET UNE ARCHITECTURE BLUETOOTH CLASSIQUE La couche physique PHY du Low Energy est une version allégée et optimisée de la couche physique PHY Basic Rate du traditionnel. Application Profile GATT/ATT L2CAP Link Layer PHY Low Energy Application Profile RFCOMM L2CAP Link Manager PHY classique HCI balises de proximité, les «appcessoires» et les interfaces utilisateur déportées. Les balises de proximité sont des petites balises à pile qui communiquent avec des stations pivots. La station pivot sait donc si la balise est à portée ou non, ce qui, associé à d'autres informations, peut s'avérer très utile dans la vie quotidienne. Ces balises permettent, par exemple, de savoir où vous avez laissé vos clés, de vous assurer de ne pas oublier votre téléphone lorsque vous quittez votre domicile ou de retrouver sous le canapé la télécommande que vos enfants avaient perdue. Un «appcessoire» est un appareil qui se connecte sans fil à votre téléphone ou tablette et étend les fonctionnalités d'une application d'une façon irréalisable avec les capteurs intégrés dans l'appareil mobile. Exemple : une ceinture de suivi du rythme cardiaque utilisée avec une application de suivi sportif (à l'heure actuelle, rien ne permet à un téléphone mobile de mesurer directement le rythme cardiaque). Les interfaces utilisateur déportées relèvent de l'idée selon laquelle divers appareils pourraient présenter une interface utilisateur sur un appareil mobile ou un ordinateur au lieu d'avoir une interface utilisateur physique avec des boutons, un écran, etc. Cette fonctionnalité est déjà très courante dans des appareils complexes qui sont déjà connectés à Internet d'une certaine façon (un routeur qui se configure à l'aide d'un navigateur Web, par exemple), mais Smart facilite son extension aux appareils à piles ou non connectés en permanence (voir encadré page précédente). La technologie Smart peut aussi être considérée comme un code d'activation de ce que l'on appelle l'internet des objets. Au lieu d'être reliés directement à Internet, les appareils Smart s'y relient par le biais d'appareils Smart Ready omniprésents, tels que les smartphones, tablettes ou PC. Le principal avantage de cette approche est que les appareils sans fil peuvent être plus simples, moins coûteux et moins énergivores que les appareils reliés directement à Internet (via des connexions GSM/3G/LTE ou Wi-Fi). En outre, aucune infrastructure supplémentaire n'est nécessaire ; les utilisateurs sont déjà équipés pour relier des appareils Smart à Internet. Quelles sont exactement les différences entre la technologie Low Energy et la technologie classique? Les différences commencent au niveau des couches inférieures, où le PHY Low Energy est une version allégée et optimisée du PHY BR [PHY désigne le transport physique, c'està-dire la façon dont les transmissions RF physiques sont effectuées ; BR et EDR sont les acronymes de Basic Rate (débit de base) et Enhanced Data Rate (débit binaire amélioré), termes techniques utilisés pour couvrir les modes 1 Mbit/s et 2/3 Mbit/s de la technologie classique]. Le PHY BR s'effectue par saut de fréquence sur 79 canaux (réductibles à un minimum de 20 canaux par saut de fréquence adaptatif) et exécute la découverte sur 32 canaux, tandis que le PHY Low Energy n'a que 37 canaux et exécute la découverte sur 3 canaux. La technologie Low Energy ayant beaucoup moins de canaux à examiner lors de la découverte, ce processus est beaucoup plus rapide. Une connexion peut être établie en quelques millisecondes au lieu des quelques secondes nécessaires avec la technologie classique. L'espacement des canaux de Low Energy est de 2 MHz, contre 1 MHz pour le BR, ce qui a pour effet de réduire les contraintes de filtrage RF. Au niveau des couches un peu plus élevées, les connexions Low Energy sont globalement similaires au mode BR appelé «sniff sub-rating». Il en résulte pour la technologie Low Energy un moyen éco-énergétique de maintenir les connexions tout en gardant la radio désactivée autant que possible. Fait qui n'est pas évident dans les Le CC2564 de TI est un exemple de circuit intégré bimode. Il exécute la pile v4.0 jusqu'au niveau de l'interface de contrôle de l'hôte HCI, le reste de la pile s'exécutant sur le microcontrôleur hôte. 38 / L EMBARQUÉ / N 5 / 2014

4 Internet des objets A P P L I C A T I O N spécifications, ces conditions plus souples permettent aux fournisseurs de circuits intégrés d'effectuer de nombreuses optimisations difficiles ou impossibles à effectuer avec la technologie classique, optimisations qui réduisent les courants de veille et actifs, ainsi que les temps de commutation. Ces optimisations aboutissent à des puces monomodes plus éco-énergétiques, plus simples et moins coûteuses que les puces bimodes ou classiques. Il existe également des différences au niveau des profils. A l'heure actuelle, les profils Low Energy sont tous superposés sur le GATT, utilisant le protocole GATT/ATT pour échanger des données. Dans la technologie classique, les profils définissent souvent leurs propres protocoles. Il en découle davantage de flexibilité, mais aussi une mise en œuvre plus complexe et une augmentation de la quantité de code à exécuter. Que choisir pour votre conception? Les circuits intégrés récents sont généralement des circuits bimodes plutôt que des circuits classiques. Par conséquent, du point de vue du matériel, le choix est souvent fait à votre place. Certains appareils ciblant une application spécifique peuvent rester des appareils BR ou BR/EDR uniquement, si l'application ciblée n'utilise pas la technologie Low Energy. Du point de vue des logiciels, de nombreuses piles largement disponibles prennent en charge la technologie Low Energy, mais là aussi, ce n'est pas toujours le cas. Quant au choix entre des circuits intégrés bimodes et monomodes ou des SoC, il dépend de l'application que vous ciblez. Si vous devez communiquer avec des appareils classiques, le choix est simple : vous devez utiliser un circuit intégré bimode. Si vous bénéficiez d'une certaine flexibilité des deux côtés de la liaison, les critères les plus importants sont déterminés par le type et la quantité des données transmises sur la liaison sans fil. Si vous transmettez beaucoup de données ou de flux multimédias en temps réel, il vaut mieux opter pour une solution BR/EDR. Le CC2564 de TI est un exemple de ce type de circuit intégré. Ce circuit intégré contient la pile v4.0 jusqu'au niveau de l'interface de contrôle de l'hôte (HCI), le reste de la pile s'exécutant sur le microcontrôleur de l'hôte (MCU). Si vous ne transmettez que de petites quantités de données, mieux vaut opter pour la technologie Low Energy. La technologie Low Energy peut offrir une très longue autonomie lorsqu'elle est utilisée dans les types d'applications pour lesquels elle a été conçue. Par exemple, un capteur communiquant avec un téléphone une fois par seconde 24h/24, 7j/7, affiche une autonomie de plus d'un an avec une pile bouton CR2032. La consommation d'énergie (et donc l'autonomie) évolue en fonction de la durée de communication. La durée minimale prise en charge en BLE est de 7,5 ms et la durée maximale est de 16 secondes. La limite de 16 secondes correspond au délai d'expiration des communications ; si des durées plus longues sont nécessaires, il est possible d'interrompre la connexion, puis de la rétablir autant de fois que nécessaire. Comme expliqué précédemment, le fait que seuls trois canaux sont utilisés pour la reconnexion signifie que celle-ci est beaucoup plus rapide qu'avec la technologie classique. Sa vitesse se mesure en millisecondes au lieu de secondes. Le marché évolue vers les circuits intégrés qui permettent d'implémenter toutes les fonctionnalités d'un appareil de type capteur, à l'exception de l'élément de détection luimême. Le CC2541 de TI est un exemple de SoC Low Energy monomode contenant la radio, un microcontrôleur et des périphériques, ainsi qu'une mémoire flash reprogrammable. D'autres facteurs peuvent également jouer un rôle. Par exemple, si vous souhaitez que l'appareil soit capable de communiquer avec des appareils ios, Low Energy est probablement une solution plus simple pour ce faire. Apple exige actuellement que les produits BR/EDR prenant en charge autre chose qu'un ensemble de profils prédéfinis soient certifiés dans le cadre du programme MFI. Pour les appareils Low Energy, il n'existe aucune restriction de ce type et une application ios s'exécutant sur un iphone 4S, iphone 5, ipod touch (5 e génération) ou ipad 3 (exécutant ios 5 ou une version supérieure) peut utiliser une API GATT pour communiquer avec des appareils BLE. Quant aux autres systèmes d'exploitation, certains téléphones Android prennent déjà en charge v4.0 et d'autres devraient suivre. Windows 8 est livré avec une prise en charge complète de v4.0 et des API ont déjà été annoncées lors d'événements Microsoft dédiés aux développeurs. Il faut également tenir compte de la facilité de développement et de la disponibilité des outils de développement et de la documentation nécessaires. Certains fournisseurs de produits Low Energy monomodes proposent des piles logicielles libres de droits et toute la documentation est librement accessible sur un site Web. Sur le marché des produits classiques, il est plus courant d'imposer des redevances sur la pile de protocoles et la signature d'un accord de confidentialité sur les fiches produit et autres documents techniques. n L EMBARQUÉ / N 5 / 2014 / 39

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