ما هي العوامل المؤثرة على نطاق البلوتوث في إنترنت الأشياء؟

بلوتوث منخفض الطاقة (أصبح) تتم مناقشته على نطاق واسع في عالم إنترنت الأشياء في الوقت الحالي. من الآمن أن نفترض أن معظمنا لديه فهم جيد لمعنى البلوتوث وكيفية عمله عمليًا. مثل جميع التقنيات اللاسلكية, يعتبر BLE أكثر ملاءمة لتطبيقات معينة من غيرها. ولكن ما الذي يحدد بالضبط إلى أي مدى يمكن أن تمتد خيوط الاتصال غير المرئية هذه? إذا كنت تفكر في استخدام Bluetooth أو BLE في إنترنت الأشياء, فيما يلي قائمة بالعوامل الأساسية التي تؤثر على نطاق البلوتوث بالإضافة إلى بعض الطرق لتوسيعه.

ما هو نطاق البلوتوث

قبل مناقشة العوامل, سيكون من المفيد تحديد ما نعنيه “نطاق” في تقنية البلوتوث. نطاق Bluetooth هو الحد الأقصى للمسافة التي يمكن لجهازين يدعمان تقنية Bluetooth من خلالها تبادل البيانات بشكل موثوق. يُترجم هذا غالبًا إلى المدى الذي يمكن أن تكون عليه سماعات البلوتوث الخاصة بك من الهاتف أو مدى انتشار مستشعرات البلوتوث الخاصة بك من بوابة في عالم إنترنت الأشياء.

يقول Bluetooth SIG أن نطاق البلوتوث هو:

من أكثر من كيلومتر إلى أقل من متر.

هذا هو, العملي, يتراوح المدى الموثوق به بين أجهزة Bluetooth من كيلومتر واحد إلى أقل من متر.

لماذا نطاق البلوتوث قصير

المدى القصير للبلوتوث ليس خطأً, إنها ميزة. يستخدم 2.4 نطاق جيجاهرتز مع طاقة نقل منخفضة لتوفير البطارية. وهذا يحد من نطاقه حسب التصميم. البلوتوث مخصص لشبكات المناطق الشخصية, توصيل الأجهزة من حولك مباشرةً. تستخدم التقنية طيف انتشار التنقل بين الترددات (FHSS), وهو أمر رائع ولكنه يحد أيضًا من النطاق.

عند النظر في خصائص شبكة تعتمد على الراديو مثل البلوتوث, هناك ثلاثة عوامل رئيسية تلعب دورًا:

• نطاق
• سرعة نقل البيانات
• استهلاك الطاقة

ومع ذلك, ومن الصعب إعطاء الأولوية للثلاثة لأن قوانين الفيزياء تفرض قيودًا واضحة. فمثلا, بينما يمكن لتقنية Bluetooth تحقيق سرعات نقل بيانات عالية, يأتي هذا غالبًا مع زيادة استهلاك الطاقة ونطاق أقل.

نحن نتعامل في المقام الأول مع نوعين من البلوتوث: بلوتوث كلاسيكي وبلوتوث منخفض الطاقة (أصبح). ينقل Bluetooth Classic في جميع الاتجاهات بمعدل بيانات مرتفع جدًا. يبلغ نطاقه عادةً حوالي 10 أمتار, بينما يمكن أن يصل بليه إلى ما يصل إلى 100 متر عن طريق الإرسال في دفعات قصيرة بطاقة أعلى ولكن بمعدلات بيانات أقل.

بلوتوث 5 ووضع المدى الطويل

في 2016, بلوتوث 5.0 تم الكشف عنها, بناء على الإصدار 4.2 ولكن مضاعفة سرعة انتقاله. يعد الإصدار الجديد أكثر ملاءمة لتحديد المواقع في الأماكن المغلقة واتصالات إنترنت الأشياء. LE Coded PHY هو وضع Bluetooth طويل المدى الذي تم تقديمه في تقنية Bluetooth 5.0. إنه يوسع بشكل أساسي نطاق أجهزة BLE العادية من 30-100 قدم إلى ما يصل إلى كيلومتر واحد.

يعمل وضع Bluetooth® Long Range على زيادة النطاق دون زيادة طاقة الخرج, استخدام “مشفرة PHY” مع رموز تصحيح الأخطاء إلى الأمام (FEC). هذا يتداول مع معدل البيانات, تقليله إلى 500 كيلو بايت في الثانية أو 125 كيلوبت في الثانية.

يقدم LE Coded PHY معدلين للبيانات:

• S2: يستخدم كل بت رمزين, خفض معدل البيانات إلى النصف إلى 500 كيلوبت في الثانية (نصف 1M). يتضاعف النطاق مقارنة بـ LE 1M PHY.
• S8: يستخدم كل بت ثمانية رموز, خفض معدل البيانات إلى 125 كيلوبت في الثانية (1م مقسوما على 8). النطاق يتضاعف أربع مرات مقارنة بـ LE 1M PHY.

باستخدام PHY المشفر يمكن تحقيق ما يصل إلى 1 نطاق الكيلومترات في التضاريس الجبلية وعدة مئات من الأمتار في المباني السكنية.

العوامل الرئيسية التي تؤثر على نطاق البلوتوث في إنترنت الأشياء

لا يتم تحديد نطاق شبكة Bluetooth من خلال عامل واحد فحسب، بل يتم تحديده من خلال مجموعة من العوامل. وتشمل هذه العوامل الفنية, أجهزة بليه, بيئة نقل الإشارات, امتثال, وهلم جرا, والتي تحدد في الواقع القدرة الأساسية لشبكة Bluetooth على نقل البيانات عبر مسافات معينة.

اِصطِلاحِيّ Fالجهات الفاعلة

• قوة الارسال

ربما تكون طاقة الإرسال هي العامل الأكثر وضوحًا الذي يؤثر على النطاق. ببساطة, كلما زادت قوة الإرسال, كلما زادت إمكانية انتقال إشارة البلوتوث. ومع ذلك, الأمر ليس بهذه البساطة مثل ضبط طاقة الإرسال على الحد الأقصى.

في تطبيقات إنترنت الأشياء, وخاصة تلك التي تستخدم أجهزة بليه التي تعمل بالبطارية, استهلاك الطاقة هو مصدر قلق بالغ. غالبًا ما تعني قوة الإرسال الأعلى استنزافًا أسرع للبطارية.

• المتلقي حساسية

بينما تحظى قوة الإرسال بالكثير من الاهتمام, حساسية المتلقي لا تقل أهمية. يمكن لجهاز الاستقبال الأكثر حساسية التقاط إشارات Bluetooth الأضعف, زيادة النطاق بشكل فعال دون استهلاك إضافي للطاقة. أدت التطورات في تصميم الرقائق إلى تحسين حساسية جهاز الاستقبال بشكل كبير في السنوات الأخيرة.

• تصميم الهوائي ووضعه

يلعب تصميم الهوائي دورًا حاسمًا في نطاق البلوتوث. النوع, بحجم, ويمكن أن يؤثر اتجاه الهوائي بشكل كبير على قوة الإشارة واتجاهها. في أجهزة Bluetooth IoT المدمجة, غالبًا ما تحد قيود المساحة من خيارات الهوائي. مستخدم, يمكن أن يكون لتصميم الهوائي الخارجي نتائج أفضل. تُعد بوابة MKGW7 USB الجديدة مثالًا ممتازًا.

• إصدارات وميزات البلوتوث

ال نسخة البلوتوث المستخدمة في أجهزة إنترنت الأشياء الخاصة بك يمكن أن تؤثر بشكل كبير على النطاق. بلوتوث 5.0, قدم في 2016, جلبت تحسينات كبيرة لقدرات النطاق.

ميزة Bluetooth 5.0 طويلة المدى, والذي يستخدم PHY مشفرة, يمكنه مضاعفة النطاق أربع مرات مقارنة بالإصدارات السابقة. ومع ذلك, ويأتي هذا على حساب انخفاض معدل البيانات. للعديد من تطبيقات إنترنت الأشياء, هذه المقايضة تستحق العناء.

بيئي Fالجهات الفاعلة

البيئة التي تعمل فيها أجهزة BLE الخاصة بك لها تأثير هائل على نطاق البلوتوث. سوف يتصرفون بشكل مختلف اعتمادًا على البيئات التي يستخدمونها, من الخارج, صناعي, ومن المكتب إلى المنزل. يقدم Bluetooth SIG حاسبة المدى المقدر والتي يمكن من خلالها الحصول على نطاق تقديري يتعلق بمعايير معينة مثل فقدان المسار في بيئات مختلفة.

في الهواء الطلق, في مكان مفتوح, يمكنك الحصول على مدى يصل إلى بضع مئات من الأمتار. داخل المباني, العوائق مثل الجدران الخرسانية, الأجسام المعدنية, وحتى الضوضاء ستحد من نطاق إرسال إشارة الراديو. في الاستخدام العادي, 70 تعد الأمتار تقديرًا موثوقًا للنطاق الذي يمكن تحقيقه بين جهازين بليه في الداخل.

من الناحية المثالية, تنتقل إشارة BLE في خط مستقيم من هوائي منارة BLE عبر الغلاف الجوي إلى أجهزة الاستقبال الذكية. ومع ذلك, عندما يكون هناك عائق بين إشارة BLE والطرف المتلقي (بيئة NLOS), سيتم حظر إشارة بليه أثناء الإرسال, مما يؤدي إلى درجات متفاوتة من التوهين اعتمادا على نوع الانسداد. وهذا التوهين أقوى بكثير من ذلك الذي يسببه الغلاف الجوي, مما يؤثر بشكل أكبر على نطاق النقل الفعال لأجهزة BLE.

العوامل التنظيمية والامتثال

لا يقتصر نطاق البلوتوث على المواصفات التقنية فقط – اللوائح والامتثال تشكلها أيضًا. تضع السلطات مثل لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) في الولايات المتحدة والمعهد الأوروبي لمعايير الاتصالات (ETSI) في أوروبا حدودًا لمدى قوة إشارات البلوتوث والترددات التي يمكن استخدامها. وهذا يعني أن الشركات التي تصنع أجهزة البلوتوث يجب أن تلتزم بهذه القواعد والتي بدورها يمكن أن تؤثر على النطاق العملي للأجهزة. الغرض منه هو العمل على عدم التداخل مع التقنيات اللاسلكية الأخرى والتعايش مع المستخدمين الآخرين في الطيف الراديوي.

4 طرق لتحسين نطاق البلوتوث في إنترنت الأشياء

الآن بعد أن قمنا بتغطية العوامل التي تؤثر على نطاق بليه, دعونا نلقي نظرة على بعض الاستراتيجيات لتحسين عمليات نشر إنترنت الأشياء لديك:

تضخيم الإشارة

الطريقة المباشرة لتوسيع نطاق البلوتوث هي زيادة طاقة الإرسال. ومع ذلك, يمكن أن يؤدي هذا النهج إلى تقليل عمر البطارية بشكل كبير ويجب موازنته مع الحدود التنظيمية الإقليمية, مع الولايات المتحدة. السماح بما يصل إلى +20 ديسيبل والاتحاد الأوروبي. فقط +10 ديسيبل. ورغم هذه التحديات, غالبًا ما يكون تعزيز طاقة جهاز الإرسال أكثر كفاءة من الطرق الأخرى, تقديم الكمون أفضل, الإنتاجية, وإعدادات أبسط, وخاصة في البيئات الصناعية, حيث يمكن لزيادة 3 ديسيبل أن تضاعف النطاق بشكل فعال.

استخدام المدى الطويل في البلوتوث 5

بلوتوث 5 قدم LE Long Range/CODED PHY لتوسيع النطاق دون تعزيز الطاقة عن طريق استخدام تصحيح الأخطاء الأمامي (FEC), الذي يكرر الحزم 2 أو 8 مرات لتحسين موثوقية الرسالة عبر المسافات. هذا يمكن أن يعزز النطاق بنسبة تصل إلى 4 مرات, على الرغم من أنه يقلل من الإنتاجية ويزيد من استهلاك الطاقة. إنه مشابه لتكرار الكلمات أمام جمهور بعيد بدلاً من الصراخ بصوت أعلى.

توفر أنظمة التشفير S2 وS8 معدلات بيانات تبلغ 500 كيلوبت في الثانية و125 كيلوبت في الثانية. لكي تكون هذه التقنية فعالة, يجب أن يدعم كلا جهازي BLE المتصلين CODED PHY; غير ذلك, قد لا تتحقق الفوائد.

الاستفادة من مكرر

يمكن أن يؤدي إدخال أجهزة إعادة الإرسال إلى توسيع نطاق البلوتوث عن طريق التقاط الرسائل وإعادة إرسالها. يعمل هذا بشكل أفضل في شبكات الأجهزة الثابتة, حيث يمكن تحسين وضع المكرر. ومع ذلك, يمكن أن يكون هذا النهج مكلفًا ومعقدًا, تتطلب أجهزة إضافية, قوة, والتثبيت, ويقدم مخاوف أمنية حيث يجب أن تثق جميع الأجهزة في المكرر. تتضمن إدارة أجهزة إعادة الإرسال وضعًا وتكوينًا دقيقين, وقد يحتاجون إلى إعادة التزويد في حالة استبدالهم.

استخدام شبكة Bluetooth Mesh

شبكة بلوتوث تقوم الشبكات بتوسيع التغطية بشكل كبير من خلال الاستفادة من جميع العقد في الشبكة. في هذا التكوين, يعمل كل جهاز في الشبكة كنقطة ترحيل. يتلقون حزم البيانات, تحديد ما إذا كانوا المستلم المقصود, وإذا لم يكن كذلك, قم بإرسالها إلى الأجهزة القريبة. يمكن للعقد التي تعمل بالبطارية توفير الطاقة من خلال ميزة Low Power Node و “صديق” الوضع, مما يسمح لهم بالنوم لفترة أطول والتحقق بشكل متقطع. يعد هذا مثاليًا للمناطق أو المباني الكبيرة حيث تقوم العديد من المراسي والبوابات الموزعة بتوصيل أجهزة Bluetooth والخوادم السحابية. لقد ساهمت تقنية شبكة BLE متعددة النقاط إلى متعددة النقاط في تعزيز قدرات شبكة Bluetooth بشكل كبير, تقديم موثوقية عالية والوقاية الفعالة من نقاط الفشل الفردية.

للحصول على معلومات وإرشادات متعمقة حول دمج مجموعة MOKO من علامات BLE, المراسي, والبوابات إلى حلول شبكية BLE مصممة خصيصًا, نحن نشجعك على التحدث إلى خبراء البلوتوث لدينا.

كيف موكو"تعمل أجهزة البلوتوث

لا يقتصر تحسين نطاق البلوتوث على الوصول إلى أبعد من ذلك فحسب، بل يتعلق أيضًا بإنشاء أجهزة أكثر ذكاءً, شبكات إنترنت الأشياء الأكثر كفاءة والتي تقدم قيمة حقيقية. سواء كنت تتتبع الأصول بشكل كبير مستودع, إنشاء نظام المنزل الذكي سريع الاستجابة, أو مراقبة ظروف درجة الحرارة في سلسلة التبريد, يعد اختيار أجهزة BLE الموثوقة أمرًا أساسيًا لنجاحك.

تلتزم MOKO SMART بتقديم أجهزة بلوتوث متقدمة وموثوقة تجعل مشاريع إنترنت الأشياء ممكنة. من مجموعتنا الواسعة من منارات BLE إلى بواباتنا الفعالة وأجهزة الاستشعار الذكية, لدينا سلسلة منتجات بليه كاملة لتلبية احتياجاتك.