Bluetooth Low Energy (BLE) ist eine drahtlose Kommunikationstechnologie, die speziell für Anwendungen mit niedrigem Energieverbrauch entwickelt wurde. Ursprünglich 2009 als Erweiterung von Bluetooth 4.0 eingeführt und aktuell in Version 5.4 verfügbar, hat BLE seit seiner Einführung in vielen Bereichen, insbesondere auch im Internet of Things (IoT), an Bedeutung gewonnen. In diesem Beitrag beleuchten unsere Xperten die technischen Details von BLE, die verschiedenen Profile und wie BLE im IoT eingesetzt wird.

Wichtige Kenndaten von BLE

BLE unterscheidet sich von herkömmlichem Bluetooth durch eine Vielzahl technischer Spezifikationen, wodurch es sich für energieeffiziente Anwendungen besonders eignet:

• Maximale Datenrate: 2 Mbit/s (theoretisch)
• Praktische Datenrate: 0,27 Mbit/s
• Energieverbrauch: Typischerweise im Bereich von µA bis mA
• Frequenzband: 2,4 GHz ISM-Band, Arbeit auf 40 Kanälen wie Wi-Fi
• Maximale Übertragungsdistanz: Bis zu 100 Meter unter optimalen Bedingungen
• Frequenzsprungverfahren: Adaptive Frequenzsprungverfahren
• Modulation: GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying)
• Sendeleistung: Bis zu 10mW
• Maximale Paketgröße: 31 Bytes in Version 4.0/4.1, bis zu 251 Bytes seit Version 4.2
• Reichweite: 5 bis 100 Meter, abhängig vom Power-Level und Advertising-Intervall

BLE-Profile

BLE definiert verschiedene Profile, die den Modus Operandi festlegen. Zu den wichtigsten Profilen zählen:

• Heart Rate Profile (HRP): Echtzeitüberwachung der Herzfrequenz.
• Blood Pressure Profile (BPP): Messung und Übertragung von Blutdruckdaten.
• Glucose Profile (GP): Überwachung des Blutzuckerspiegels.
• Proximity Profile (PXP): Nutzung von Näheinformationen für Schlüsselfinder.
• Find Me Profile (FMP): Lokalisierung verlorener Geräte.

Weitere Profile sind im Gesundheitswesen sowie Sport- und Fitness-Bereich zu finden (bspw. Cycling Speed, Running Speed, Weight Scale Profile). Das Mesh Profile ermöglicht die Kommunikation in Mesh-Netzwerken.

Neben diesen spezifischen Profilen sind zwei fundamentale Protokolle entscheidend für die BLE-Kommunikation: das Generic Access Profile (GAP) und das Generic Attribute Profile (GATT).

Generic Access Profile (GAP)

GAP beschäftigt sich mit den Vorgängen vor der eigentlichen Datenübertragung, wie dem Senden und Empfangen von Advertising Packets, dem Scannen nach Geräten sowie dem Initiieren und Aufrechterhalten von Verbindungen. Dabei definiert GAP vier Hauptrollen:

• Broadcaster: Sendet Advertising Packets ohne Verbindungsbedarf.
• Observer: Empfängt Advertising Packets ohne Verbindungsbedarf.
• Peripheral: Sendet Advertising Packets und akzeptiert Verbindungen.
• Central: Initiiert und verwaltet Verbindungen zu Peripheriegeräten.

Zudem beschreibt GAP auch die Prozesse zur Verbindungserstellung und -aufrechterhaltung:

• Advertising: Peripheriegeräte senden Advertising Packets, um ihre Anwesenheit zu signalisieren.
• Scanning: Central-Geräte suchen nach Advertising Packets.
• Initiating: Central-Geräte stellen Verbindungen zu Peripheriegeräten her.
• Connecting: Zwei Geräte halten eine aktive BLE-Verbindung aufrecht.

Advertisement & Advertisement Payload

Advertising Packets sind kurze Nachrichten, die von BLE-Geräten gesendet werden, um ihre Anwesenheit bekannt zu geben. Die Advertisement Payload kann bis zu 31 Bytes an Daten enthalten und umfasst Informationen wie Gerätename, Dienst-UUIDs sowie andere relevante Daten.

Die Struktur eines Advertising Packets umfasst:

• Preamble: 1 Byte zur Synchronisation.
• Access Address: 4 Bytes, festgelegt auf 0x8E89BED6 für Advertising Channels.
• PDU (Protocol Data Unit): Bis zu 37 Bytes, enthält die eigentlichen Nutzdaten.
• CRC (Cyclic Redundancy Check): 3 Bytes zur Fehlererkennung.

Die wichtigsten Inhalte der Advertisement Payload sind:

• Local Name
• Manufacturer Data
• Service UUIDs
• Service Data
• Power-Level
• Connection Interval Range
• Appearance (z. B. Icon)

Generic Attribute Profile (GATT)

Das GATT tritt nach der Verbindungsherstellung in Aktion und befasst sich mit dem strukturierten Datenaustausch. Es definiert, wie Daten in Services und Characteristics organisiert sind und wie sie ausgetauscht werden.

• Service: Ein Container für eine Gruppe von Characteristics, z. B. ein Herzfrequenzmonitoring-Service.
• Characteristic: Ein Datenwert, beschrieben durch Attribute wie Eigenschaften (Read, Write, Notify) und Deskriptoren.

Ein GATT-Server (z. B. ein Sensor) hostet die Daten, während ein GATT-Client (bspw. ein Smartphone) diese abruft und steuert. Die Kommunikation erfolgt über standardisierte Operationen wie Read, Write, Notify und Indicate.

Anwendungsfelder:

• Smart Homes: Steuerung von Haushaltsgeräten wie Beleuchtungssystemen und Thermostaten.
• Wearables: Fitness-Tracker und Gesundheitsmonitore, die kontinuierlich Daten sammeln und senden.
• Industrie 4.0: Überwachung und Wartung von Maschinen in Echtzeit zur Effizienzsteigerung und Reduzierung von Ausfallzeiten.

BLE im IoT

Die Einführung preisgünstiger und leistungsstarker System-on-Chip (SoC) mit integriertem WLAN und Bluetooth hat das IoT revolutioniert. Dank zahlreicher Entwicklungsframeworks und miniaturisierter Sensoren sind heute anspruchsvolle Anwendungen im Industriesektor möglich, von der Umweltüberwachung bis zur Bildanalyse.

Für den erfolgreichen Einsatz von IoT-Geräten in industriellen Umgebungen müssen jedoch bestimmte technische Anforderungen erfüllt werden. Robuste Gehäuse und zuverlässige Kabelverbindungen schützen die Geräte vor extremen Temperaturen, hoher Luftfeuchtigkeit und Vibrationen. Modularität und integrierte Diagnosetools erleichtern zudem die Wartung und Reparatur.

Ein kritischer Faktor ist dabei die Energieversorgung. Moderne Sensoren arbeiten zwar sehr energieeffizient, aber die Datenkommunikation kann dennoch einen hohen Energieverbrauch verursachen. Abhängig vom Einsatzort und den spezifischen Anforderungen können Batterien, Solarzellen oder Netzteile eingesetzt werden. Der geringe Energieverbrauch von BLE ist insbesondere in Szenarien mit batteriebetriebenen Geräten von Vorteil. Durch die effiziente Energienutzung können Geräte länger betrieben werden, ohne dass häufige Batteriewechsel erforderlich sind.

Zudem bleibt in IoT-Umgebungen trotz moderner WLAN-Technologien eine stabile Datenübertragung eine der größten Herausforderungen. Hier kann BLE entscheidende Vorteile liefern. Während WLAN höhere Datenübertragungsraten unterstützt, sind die meisten IoT-Anwendungen nicht auf hohe Datenraten angewiesen. BLE bietet ausreichend Bandbreite für die meisten Sensor- und Steuerungsanwendungen. Darüber hinaus nutzt BLE adaptive Frequenzsprungverfahren, um Interferenzen mit anderen Funktechnologien zu minimieren. Besonders in Umgebungen mit vielen Geräten und potenziellen Störquellen ist das nützlich, da BLE hier oftmals eine stabilere Kommunikation gewährleisten kann.

Die Technologie bietet nicht nur eine energieeffiziente und zuverlässige Kommunikationsmöglichkeit, sondern auch Lösungen für viele typische Herausforderungen in solchen Umgebungen. Durch die Integration von BLE in IoT-Systeme können Unternehmen ihre Effizienz steigern und kostengünstige Lösungen entwickeln.

Fazit

Die unterschiedlichen Profile von BLE ermöglichen eine breite Palette von Anwendungsfällen, von der Gesundheitsüberwachung über Smart Homes bis hin zu industriellen Automatisierungslösungen. Durch die Kombination von GAP und GATT kann BLE sowohl einfache als auch komplexe Kommunikationsanforderungen erfüllen.

In industriellen Szenarien, in denen die Umweltbedingungen rau und die Anforderungen hoch sind, zeigt BLE seine Stärke. Es reduziert Interferenzen, ermöglicht eine stabile Kommunikation und trägt zur Energieeffizienz bei. Zudem bietet BLE eine zuverlässige Datenübertragung und einfache Integration in bestehende Systeme.

Während BLE nicht die einzige Technologie im IoT-Bereich ist, bietet es spezifische Vorteile, die es für bestimmte Anwendungen besonders geeignet machen. Unternehmen, die BLE in ihre IoT-Strategien integrieren, können von diesen Vorteilen profitieren, wie z. B. niedrigem Energieverbrauch und einfacher Implementierung. Dennoch sollten die spezifischen Anforderungen und Bedingungen jeder Anwendung sorgfältig geprüft werden, um die beste Technologieauswahl zu treffen.