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Bessere Benutzeroberflächen mit Bluetooth Low Energy

Bluetooth low energy

 

Hintergrund
Viele verschiedene Branchen und Anwendungsbereiche nutzen Standalone‑Geräte. Dies sind Geräte, die ohne Interaktion zur Steuerung lokaler Anlagen verwendet werden. Ein gutes Beispiel ist eine im Keller eines Gebäudes verborgene Heizungssteuerung, die still ihre Aufgaben erledigt und ohne dass eine Interaktion mit dem Gerät erforderlich wäre. Auch in anderen Bereichen gibt es viele ähnliche Geräte, z. B. lokale medizinische Geräte, dezentrale Pumpensteuerungen und andere Steuerungssysteme, die nicht mit einem Netzwerk verbunden sind. Es gibt viele derartige Geräte im Einsatz, und das wird auch in der vernetzten Welt des Internet of Things immer noch zutreffen.

Typischerweise gibt es bei dieser Art von Geräten Kosteneinschränkungen. Da die Systeme selten eine Interaktion erfordern, ist eine Benutzeroberfläche einer der Ansatzpunkte, um Kosten zu sparen. Derartige Geräte haben in der Regel nur wenige Tasten und nur eine einzeilige Textanzeige.

Bei der Inbetriebnahme und Wartung des Gerätes muss der Installateur oder der Wartungstechniker jedoch über eine umständliche Benutzeroberfläche mit dem System interagieren. Er muss auch auf ein dickes Handbuch zurückgreifen, um zu wissen, wie man mit dem Gerät umgeht, und um seltsame Zahlencodes zu verstehen, damit er die Parameter identifizieren kann, die das System zum Betrieb benötigt.

Einsatz von Bluetooth Low Energy, um dies zu „lösen“
Warum ersetzt man nicht die Tasten und das einzeilige Display durch eine Bluetooth Low Energy‑Verbindung? Dies ist zwar kein neuer Anwendungsfall, aber ich bin fest davon überzeugt, dass dies bei viel mehr Geräten eingesetzt werden kann, als wir heute glauben.

Bluetooth Low Energy wurde mit der Einführung von Bluetooth 4.0 als Teil des Bluetooth‑Standards eingeführt und ist eine leichte Funktechnologie, die gut zu diesem Anwendungsfall passt. Das Grundkonzept des Lesens und Schreibens von Attributen, das in Bluetooth Low Energy (sog. GATT, Generic Attribute Profile) eingeführt wurde, eignet sich hervorragend für dieses Szenario. Konfigurationsparameter und Statusanzeigen können als GATT‑Attribute dargestellt werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung einer seriellen Abstraktion über Bluetooth Low Energy, die viele der Chip- und Modulhersteller im Angebot haben. Zusätzlich zur seriellen Abstraktion könnte ein einfaches Protokoll zur Übertragung von Konfigurationsparametern und Statusinformationen implementiert werden.

Der Grund für eine bessere Benutzeroberfläche ist natürlich die Tatsache, dass Bluetooth Low Energy in allen gängigen Telefonen, Tablets und Laptops auf dem Markt unterstützt wird. Alle Installateure und Servicetechniker haben also eine Benutzeroberfläche gewissermassen schon in ihrer Tasche. Der Gerätehersteller muss für seine Geräte lediglich eine Telefon-/Tablet‑App entwickeln, was heute eher einfach und nicht allzu kostenintensiv ist.

Bluetooth Low Energy

Vorteile der Verwendung einer Bluetooth Low Energy‑App als Benutzeroberfläche für ein Gerät
Der Grundvorteil ist natürlich, dass Sie eine durchgängige, grafische Benutzeroberfläche mit vielen Interaktionsmöglichkeiten durch Multi‑Touch‑Technologien haben. Sie können Daten aus der Vergangenheit in Diagrammen präsentieren, die Daten vom Gerät in einem benutzerfreundlichen Format darstellen und mehrere Sprachen unterstützen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass mehrere Benutzeroberflächen möglich sind, z. B. eine Schnittstelle für den Installateur und eine für den Wartungstechniker.

Da das Telefon oder Tablet normalerweise mit dem Internet verbunden ist, kann der Installateur/Wartungstechniker immer über die neuesten Änderungen der App informiert werden. Die Internetverbindung kann zur Erweiterung der Benutzeroberfläche genutzt werden, z. B. durch die Bereitstellung der neuesten Wartungsanweisungen online. Die App kann ein Over‑the‑Air‑Firmware‑Update (FOTA) des Gerätes unterstützen.

Wenn das Telefon/Tablet verbunden ist, können lokal gespeicherte Informationen hochgeladen werden, um sie später für eine zentrale Analyse zu verwenden (z. B. für eine zentrale Auswertung zur vorbeugenden Wartung oder zur Erfassung von Daten für zukünftige Produktverbesserungen). Das gleiche Konzept kann genutzt werden, um eine Verbindung zwischen Back‑Office‑Spezialisten und den von ihnen betreuten Servicetechnikern herzustellen.

Ein weiterer Vorteil ist, dass das Gerät komplett „kopflos“ sein kann. Das Hinzufügen von Tasten, Anzeigen und Anschlüssen ist immer eine kostspielige Herausforderung für die Geräte, die in einer anspruchsvollen Umgebung arbeiten. Das Hinzufügen einer Bluetooth Low Energy‑Verbindung über einen Chip oder ein Modul kann eine kostengünstigere Lösung darstellen, da sie teure mechanische Konstruktionen und Komponenten für raue Umgebungen ersetzt.

Implementierung
Die Implementierung der Bluetooth Low Energy‑Verbindung kann durch die Integration eines Bluetooth Low Energy‑Chips oder -Moduls in das Gerät erfolgen. Die Modulintegration ist in der Regel eine einfache Aufgabe, da das Modul typischerweise als voll für Bluetooth qualifiziert mit zugelassenen Komponenten (type‑approved) geliefert wird. Damit müssen Gerätehersteller nicht über eigenes Funk- und Bluetooth Low Energy Know‑how verfügen.

u‑blox_NINA‑B1

Das Bild zeigt ein Beispiel für ein Bluetooth Low Energy‑Modul. Das Modul NINA‑B1 von u‑blox ist mit einem Antennen‑Pin oder einer internen Antenne erhältlich. Die Variante mit Antennen‑Pin kann nützlich sein, wenn es mechanische Probleme gibt, die eine Platzierung der Antenne an einer anderen Stelle als das Modul erfordern (z. B. ein Metallgehäuse).

Das Modul/der Chip wird typischerweise über eine serielle Schnittstelle (z. B. eine UART‑Schnittstelle) mit dem Geräte‑Mikrocontroller (MCU) verbunden. Es gibt aber auch noch andere Möglichkeiten, z. B. SPI-, I2C- oder PIO‑Schnittstellen.

Das Modul NINA‑B1 unterstützt verschiedene Softwareschnittstellen zur Geräte‑MCU. Der u‑blox Serial Port Service (SPS) ist eine Abstraktion der seriellen Verbindung, die über UART läuft. Eine weitere Möglichkeit ist die Nutzung der GATT‑Server‑Funktionalität über UART. Dadurch kann die Geräte‑MCU ihre eigenen GATT‑Attribute einrichten, die über die Bluetooth Low Energy‑Verbindung gelesen/geschrieben und von der Geräte‑MCU aktualisiert und an die Geräte‑MCU gemeldet werden können. NINA‑B1 bietet auch Unterstützung für die Kunden, ihren eigenen benutzerdefinierten Anwendungscode innerhalb von NINA‑B1 zu schreiben, z. B. mit Hilfe der Arm Mbed‑Entwicklungswerkzeuge.

Ein bei Bluetooth oft diskutiertes „Problem“ ist die Kopplung zwischen dem Telefon/Tablet und einem Gerät. Im Anwendungsfall von Steuergeräten wird es viele Erstbenutzer geben, die sicher auf ein Gerät zugreifen müssen, z. B. einen Servicetechniker, der zum ersten Mal an einem Gerät arbeitet. Es ist möglich, dass das Gerät ständig erkennbar ist und die App einen Modus zur Suche nach dem Gerät unterstützt. In Fällen, in denen lediglich ein einziges Gerät erkennbar ist, mag dies ausreichen. Noch besser wäre es allerdings, Near Field Communication (NFC) zu verwenden, um eine Assoziierung/Kopplung mit dem Gerät durchzuführen. Bluetooth Low Energy unterstützt eine Kopplungsmethode mit dem Namen Out‑Of‑Band‑Pairing (OOB), um dies zu ermöglichen. Bringen Sie Ihr Telefon in die Nähe des Geräts („berühren“ Sie das Gerät), und wenn Sie nah genug dran sind, wird eine automatische sichere Verbindung hergestellt. Das u‑blox NINA‑B1 Modul unterstützt die Kopplung mit NFC OOB.