از اتصال هدفون تا شهرهای هوشمند: سفری به دنیای تکنولوژی بلوتوث و بررسی ورژن‌های مختلف

اگر تا به حال از هدفون بی‌سیم، ساعت هوشمند یا حتی یک سنسور کوچک دمایی استفاده کرده‌اید، با یک غافلگیری بزرگ روبرو بوده‌اید: همه این دستگاه‌ها با تکنولوژی‌ای به نام بلوتوث کار می‌کنند. شاید نام ورژن‌های مختلف آن مانند بلوتوث ۵.۳ یا ۵.۴ به گوشتان خورده باشد، اما تفاوت آنها در چیست؟ چرا برخی دستگاه‌ها ماه‌ها با یک باتری کار می‌کنند و برخی دیگر هر چند ساعت باید شارژ شوند؟ در این پست، سفری به دنیای بلوتوث خواهیم داشت، از معماری پروتکل آن گرفته تا مقایسه کامل ورژن‌های مختلف و کاربردهای آن در عصر اینترنت اشیا.

بلوتوث چیست و چگونه کار می‌کند؟

بلوتوث یک استاندارد ارتباط بی‌سیم برد کوتاه است که در باند فرکانسی ۲.۴ گیگاهرتز (همانند وای‌فای) کار می‌کند . اما برخلاف وای‌فای، برای مصرف توان بسیار پایین و اتصالات سریع بین دستگاه‌ها طراحی شده است. نام جالب آن برگرفته از نام پادشاه دانمارک، هارالد بلوتوث، است که قبایل اسکاندیناوی را متحد کرد !

برای درک بهتر بلوتوث، باید با معماری پشته پروتکل (Protocol Stack) آن آشنا شویم. این معماری به دو بخش اصلی تقسیم می‌شود :

1. کنترل‌کننده (Controller): این بخش شامل سخت‌افزار رادیو و یک لایه نرم‌افزاری سطح پایین به نام لایه پیوند (Link Layer) است. وظیفه اصلی آن، ارسال و دریافت بسته‌های داده در زمان واقعی است .
2. میزبان (Host): این بخش شامل پروتکل‌های سطح بالاتر است که به اپلیکیشن‌ها اجازه می‌دهد به صورت استاندارد با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. پروتکل‌های مهمی مانند GAP (پروفایل دسترسی عمومی) که مسئول کشف دستگاه‌ها و برقراری ارتباط است و GATT (پروفایل ویژگی عمومی) که نحوه تبادل داده‌ها را مشخص می‌کند، در این بخش قرار دارند .
3. رابط HCI: این رابط استاندارد، وظیفه برقراری ارتباط بین بخش Host و Controller را بر عهده دارد. جالب است بدانید که Host و Controller می‌توانند روی یک تراشه (پیکربندی تک‌تراشه) یا دو تراشه جداگانه (پیکربندی دوگانه) قرار داشته باشند .

انواع بلوتوث: کلاسیک در مقابل کم‌مصرف (LE)

شاید برای شما سوال پیش بیاید که چرا برخی بلوتوث‌ها پرسرعت هستند و برخی دیگر بسیار کم‌مصرف. پاسخ در وجود دو نوع بلوتوث نهفته است:

• بلوتوث کلاسیک (BR/EDR): این نوع بلوتوث برای انتقال داده‌های حجیم و مداوم مانند استریم صوتی به هدفون‌ها یا بلندگوها طراحی شده است. نرخ انتقال آن می‌تواند به ۲-۳ مگابیت بر ثانیه برسد، اما مصرف انرژی بالایی دارد .
• بلوتوث کم‌مصرف (Bluetooth LE): این نسخه با هدف اینترنت اشیا و دستگاه‌های باتری‌خور متولد شد. بلوتوث LE مصرف انرژی را به شدت کاهش می‌دهد (جریان مصرفی در حدود ۱۵-۵ میلی‌آمپر) و برای ارسال بسته‌های کوچک داده در فواصل زمانی طولانی ایده‌آل است. یک سنسور دما با یک باتری سکه‌ای می‌تواند ماه‌ها با این پروتکل کار کند .

امروزه بسیاری از دستگاه‌ها مانند گوشی‌های هوشمند، دو حالته (Dual-Mode) هستند و هر دو نوع کلاسیک و LE را پشتیبانی می‌کنند .

مقایسه ورژن‌های مختلف بلوتوث: از ۴.۲ تا ۶.۲

هر نسخه جدید بلوتوث، بهبودهایی در زمینه‌های سرعت، برد، مصرف انرژی و قابلیت‌های جدید به ارمغان آورده است. در جدول زیر مهم‌ترین تفاوت‌ها را بررسی می‌کنیم :

مقایسه توان مصرفی و برد

• توان مصرفی: همانطور که در جدول مشخص است، از نسخه ۴.۲ به بعد، تمرکز اصلی بر روی کاهش مصرف انرژی بوده است. بلوتوث ۵.۳ و ۵.۴ با بهینه‌سازی‌هایی در نحوه ارسال بسته‌های تبلیغاتی و مدیریت اتصالات، مصرف باتری را در دستگاه‌های کوچک مانند ساعت‌های هوشمند و سنسورها به شدت کاهش داده‌اند .
• برد: بزرگترین جهش در نسخه ۵.۰ رخ داد که برد را در شرایط ایده‌آل از ۵۰ متر به ۲۴۰ متر افزایش داد . این افزایش برد با استفاده از نرخ داده‌های پایین‌تر (۱۲۵ کیلوبیت بر ثانیه) به دست می‌آید که به سیگنال اجازه می‌دهد مسافت بیشتری را طی کند . نسخه‌های جدیدتر روی افزایش دقت و پایداری این برد تمرکز کرده‌اند.

کاربردهای بلوتوث در الکترونیک، هوشمندسازی و اینترنت اشیا

بلوتوث امروزه به یک ستون فقرات برای دنیای متصل تبدیل شده است. در زیر به برخی از مهم‌ترین کاربردهای آن اشاره می‌کنیم:

1. الکترونیک مصرفی: رایج‌ترین کاربرد شامل هدفون‌های بی‌سیم، بلندگوها، موس و کیبورد است. این دستگاه‌ها عمدتاً از بلوتوث کلاسیک یا نسخه‌های ترکیبی برای انتقال صدا و داده با کیفیت بالا استفاده می‌کنند .
2. سلامت و تناسب اندام: ساعت‌های هوشمند، ردیاب‌های فعالیت و تجهیزات پزشکی مانند گلوکومتر و مانیتور ضربان قلب، از بلوتوث LE برای ارسال داده‌های حیاتی به گوشی هوشمند استفاده می‌کنند. مصرف ناچیز انرژی در اینجا حیاتی است .
3. خانه هوشمند: بلوتوث نقش کلیدی در خانه‌های هوشمند ایفا می‌کند. از قفل‌های هوشمند که با گوشی باز می‌شوند گرفته تا لامپ‌ها و سنسورهای دما. همچنین، بلوتوث به عنوان پروتکل اصلی برای اتصال اولیه (Provisioning) دستگاه‌های مبتنی بر Matter به شبکه وای‌فای منزل استفاده می‌شود .
4. موقعیت‌یابی و ردیابی داخلی (Indoor Positioning): با معرفی قابلیت جهت‌یابی در نسخه ۵.۱ و کانال‌یابی در نسخه ۶.۰، بلوتوث به یک فناوری قدرتمند برای ردیابی اموال در انبارها، ناوبری در فرودگاه‌ها و موزه‌ها و حتی یافتن اشیا با تگ‌های هوشمند تبدیل شده است .
5. شبکه‌های حسگر عظیم (Large-Scale Sensor Networks): قابلیت PAwR در بلوتوث ۵.۴ این امکان را فراهم کرده تا هزاران دستگاه (مانند برچسب‌های قیمت الکترونیکی در فروشگاه‌های بزرگ) بتوانند در یک شبکه عظیم و کم‌مصرف با یکدیگر ارتباط برقرار کنند .
6. چندپروتکلی (Multiprotocol): تراشه‌های مدرن می‌توانند همزمان از پروتکل‌های مختلف مانند بلوتوث LE و Zigbee استفاده کنند. برای مثال، یک لامپ هوشمند می‌تواند هم به شبکه مش Zigbee برای کنترل از راه دور متصل باشد و هم به طور مستقیم با گوشی موبایل از طریق بلوتوث برای تنظیمات اولیه یا به‌روزرسانی سریع‌تر ارتباط برقرار کند .

نتیجه‌گیری

تکنولوژی بلوتوث از یک راه‌حل ساده برای اتصال هدفون، به یک پروتکل ارتباطی پیچیده و چندوجهی تبدیل شده است که ستون فقرات اینترنت اشیا را تشکیل می‌دهد. انتخاب ورژن مناسب به نیاز پروژه شما بستگی دارد:

• برای انتقال صوت با کیفیت، هر نسخه ۵.۰ به بالا پاسخگو است.
• برای حسگرهای باتری‌خور که نیاز به طول عمر بالا دارند، بلوتوث LE با نسخه ۵.۳ یا ۵.۴ ایده‌آل است.
• برای سیستم‌های ردیابی دقیق و شبکه‌های عظیم صنعتی، قابلیت‌های نسخه ۶.۰ و ۶.۲ ضروری به نظر می‌رسند .

با ظهور قابلیت‌هایی مانند Auracast (پخش صوتی عمومی) در آینده نزدیک، بلوتوث همچنان به تکامل خود ادامه خواهد داد و نحوه تعامل ما با دنیای اطراف را بیش از پیش متحول خواهد کرد .