Bluetooth、BLE、およびBLEメッシュ-産業用IoTスペースに革命を起こす

Bluetoothテクノロジーは、2つのデバイス間のファイル共有プラットフォームから、スピーカーを介した音楽の再生まで、最新の接続ソリューションになるまでに長い道のりを歩んできました。 今日、BluetoothはすでにIoTデバイスで使用されている最も人気のあるワイヤレス規格の1つです。 Bluetoothは、技術の進歩（Bluetoothメッシュネットワーク）、超低消費電力、およびBLE通信技術に対する企業の認識の高まりのおかげで、産業用モノのインターネット（IIoT）の点でこれまで以上に収益性が高くなっています。 Bluetooth SIGの最近の2021年の市場更新の傾向によると、2025年までにBluetooth対応デバイスの年間出荷台数は60億を超えるでしょう。

このブログでは、さまざまなBluetoothトポロジ、BLEプロトコルスタック、Bluetoothメッシュネットワーキングの出現、産業用IoTにおけるBluetoothテクノロジーの利点、およびBluetoothとBLEメッシュテクノロジーを使用した新しいIIoTアプリケーションについて詳しく説明しています。

Bluetoothトポロジ：Bluetoothテクノロジは、次のようなさまざまなトポロジオプションをサポートしています :

• ポイントツーポイント：2つのBluetoothデバイスのペアリング
  • 例：携帯電話とポータブルBluetoothスピーカー
• ブロードキャスト：1対多（1：m）のデバイス通信の確立
  • 例：スマートフォンで音楽を再生し、同時にさまざまなアプリケーションで写真をキャストします。
• メッシュ：多対多（m：m）デバイス通信の確立
  • 例：多数のBLEセンサーを接続して相互に通信します。

BLEプロトコルスタック：プロトコルスタックはBluetoothテクノロジーの中心です。 プロトコルスタックは、テクノロジがどのように機能し、タスクを実行するために使用されるかを指定します。 次の図は、BLEプロトコルスタックのさまざまなレイヤーの基本的な概要と機能を示しています。

コントローラには、次のレイヤーが含まれています:

• 物理層（PHY）：PHYはBLEスタックの最下層であり、電波を介してワイヤレス（OTA）で情報を送受信します。
• リンク層（LL）：リンク層は、物理層（PHY）への直接の接続とインターフェイスのスキャン、アドバタイズ、作成/維持を担当します。
• ホストコントローラーインターフェイス（HCI）：シリアルインターフェイスを介したコントローラーとホスト間の通信を可能にします。

ホストにはいくつかのレイヤーが含まれています:

• 論理リンク制御および適応プロトコル（L2CAP）：L2CAPはHCI層の最上位に配置され、ホストの上位層（GAP、GATT、アプリケーション）と下位層のBLEプロトコルスタック間のデータ転送を可能にします。
• 属性プロトコル（ATT）：BLEサーバーデータベースでデータ/属性を表す方法と、データ/属性を読み書きする方法を定義します。
• Security Manager（SMP）：SMPはセキュリティ管理に使用され、キーの配布とペアリングのプロセス、およびデバイス認証、データの整合性、機密性などのサービスへのアクセスを定義します。
• Generic Access Profile（GAP）：GAPは、BLEデバイスが相互に対話できるかどうかを判断するのに役立ち、接続を担当します。
• Generic Attribute Profile（GATT）：GATTは、2つのBluetooth Low Energy（BLE）デバイスが属性プロトコル（ATT）によって保存されたデータを転送する方法を定義します。

アプリケーション層: 

• アプリケーション（アプリ）：他のタイプのシステムと同様に、アプリケーション層は最上位層です。 これは、アプリケーションによって実装された実際のユースケースに関連するすべてのロジックとデータ処理を含むユーザーインターフェイスを担当します。

Bluetoothメッシュネットワーキングの出現：

2017年に正式に開始されたBluetoothメッシュネットワーキングは、モノのインターネット（IoT）接続スペースへの待望の追加でした。 大規模なネットワークは、BLEメッシュを介して作成できます。このメッシュでは、数百、数千のデバイスが相互に確実かつ安全に接続および通信できます。 Bluetoothメッシュの利点は、ノードが中間ノードを介して遠くのノードにメッセージを中継できるため、範囲が拡張されることです。ネットワークの範囲とデバイスの到達範囲を拡張できます。 1つのノードがネットワークからドロップした場合でも、他のノードが参加してメッセージを相互に送信できます。 BLEメッシュの利点により、他のワイヤレス接続オプションよりもBLEメッシュを選択するのに適しています。 現在、BLEメッシュは、スマートHVAC、ビルディングオートメーション、状態監視、インダストリー4.0、位置情報サービスなどのアプリケーションで広く使用されています。

BLEメッシュアーキテクチャ：BluetoothメッシュはBluetooth Low Energy（BLE）スタックの最上位で実行されます。 次の図は、Bluetoothメッシュスタックと関連するレイヤーの概要を示しています。

Image credit: Bluetooth SIG

Bluetoothが産業用IoTアプリケーションに理想的なのはなぜですか？

• 接続性：私たちの多くは、Bluetooth接続の最大距離は最大数メートルであると信じていますが、実際には、産業環境に存在する過酷な条件でも、Bluetoothは通常より長い距離にあります。 それは働くことができます。 できます。 たとえば、最新の標準であるBluetooth 5.0は、最大1kmのメッセージを送信できます。

• デバイス数：Bluetoothメッシュでは、接続できるデバイス数や複数のノード間で送信されるデータ量にほとんど制限はありません。

• 運用コスト：Bluetoothは非常に低い電力を消費するため、運用コストを低く抑えることができます。 たとえば、1つのBluetoothデバイスを小さなバッテリーで最大5年間実行できます。

• 自己修復機能：ノードがメッシュネットワークを離れた場合でも、他のノードは相互に通信できます。 この機能はBLEメッシュテクノロジーで利用可能であり、中断のない通信のための産業用IoTアプリケーションで非常に役立ちます。

Bluetooth、BLE / BLEメッシュテクノロジーを使用した新しいIIoTアプリケーション：

• スマートHVACとビルディングオートメーション：超低エネルギー消費とBluetoothの簡単なインストールにより、Bluetoothメッシュテクノロジーは今日のスマートHVACとビルディングオートメーションソリューションで広く使用されています。大気質、温度、圧力センサーなどのさまざまなセンサーは、メッシュを作成して相互に通信し、アクションをトリガーできます。 Bluetoothワイヤレスメッシュテクノロジーにより、お客様は簡単にインストールでき、メンテナンスと運用のコストを削減できます。 

• BLEベースの資産追跡：Bluetooth Low Energy（BLE）ベースの追跡タグを使用して、建物、倉庫、および/または定義された屋内/屋外エリア内の資産を追跡できます。たとえば、BLEベースの資産追跡を製造で使用して、生産ラインから出荷エリアまで資産を追跡し、運用を改善できます。

• スマートファクトリー：Bluetoothテクノロジーを使用して、堅牢で信頼性の高い接続を確立し、センサーや産業用マシンからBluetoothベースのスマートフォンやタブレットにデータを転送します。これらのデバイスは、制御、監視、および自動化の目的で、工場で中央制御デバイスとして機能します。

Bluetooth、BLE、およびBLEメッシュソリューションにおけるVVDNの専門知識：

VVDNは、Bluetooth 5.0、BLE、およびBLEメッシュを使用したエンドツーエンドソリューションの設計、開発、製造において、トラッカー、センサー、スマートHVAC、その他の産業用IoTソリューションに至るまでの豊富な経験があります。 当社の社内エンジニアは、Unityテストフレームワーク、Googleテスト、Wireshark、BLEモニタリング、プロビジョニング、最適な結果を達成するためのテストに使用されるLightblueなどのソフトウェアとフレームワークを実際に使用した経験があります。 有る。 BLEベースの製品のハードウェアテスト用に、専用の社内RFラボが設置されています。 Bluetooth / BLEメッシュソリューションに関する要件と専門家のアドバイスについては、お気軽にお問い合わせください。