最も広く使用されている低電力通信テクノロジーの 1 つは、BLE と呼ばれる Bluetooth Low Energy です。 これは主に、モノのインターネットの急速な進歩によるもので、統一された効果的な通信方法を必要とするスマート デバイスの氾濫に直接つながりました。

ただし、騙されないでください。 BLE はスマート バンドだけではありません。 この規格はビジネスや商業用途に幅広く使用できるため、非常に人気があります。

Bluetooth Low Energy とは何ですか?

2.4 GHz ISM 帯域では、Bluetooth Low Energy は低電力のワイヤレス パーソナル エリア ネットワークになります。 その目的は、比較的短い距離でデバイスをリンクすることです。 BLE はモノのインターネット アプリケーションを中心に開発されたため、設計に影響を及ぼします。

たとえば、IoT デバイスには多くの場合制限があり、長いバッテリー寿命が必要です。 したがって、BLE は、一定のデータ転送よりも低消費電力を重視します。 これは、エネルギーを節約するために使用しないときは常にスリープ モードに切り替わることも意味します。

BLE 対応デバイスについて議論する際には、テクノロジーの設計、特にその非対称性を理解することが重要です。 どのデバイスも中央機能または周辺機能のいずれかを実行できます。 スマートフォンとスマート バンドをそれぞれプライマリ デバイスと周辺デバイスとして考えてください。 より複雑なスマートフォンがメインまたは中心デバイスになりますが、スマート バンドの機能には制限があります。

2 つの中央ガジェットと 2 つの周辺ガジェットまたはデバイスは両方とも相互に通信できません。 中央デバイスと周辺デバイスのみが相互に通信できます。 この制限を回避するには、ほとんどのスマートフォンが通常そうしているように、デバイスにペリフェラル モードとセントラル モードの両方が設定されている場合があります。

BLEというのはBluetoothという意味でもあるのでしょうか？

 

Bluetooth Low Energy について議論する際、Bluetooth クラシック (デバイスを接続するために通常クリックするよく知られたアイコンがあることでよく知られているテクノロジ) との違いを明確にする必要もあります。 それらは何らかの点で異なりますか?

確かに、それは正しい答えです。 「従来の」Bluetooth は、独自の仕様である BLE と互換性がありません。 後者は、20 年以上前に初めて購入可能になった後、Bluetooth SIG (Special Interests Groups) によって事実上積極的に開発されていません。 しかし、開発されていないことは、活用されていないことと同じではありません。 通常、常時接続を必要とする機器、主にワイヤレス ヘッドフォンやスピーカーなどのオーディオ機器に発生します。

BLE PCB アンテナがある場所

他の形式の低電力ネットワークに対する BLE PCB アンテナの主な利点の 1 つは、ほぼどこでも利用できることです。 これは広く受け入れられ使用されている標準であり、基本的には専門家による互換性のある機器の導入を必要としません。 しかし、BLE はこれほど好評ですが、どのように使用されているのでしょうか?

スマート家電とフィットネストラッカー

これはおそらく、低エネルギー Bluetooth を非常に普及させた主なアプリケーションの 1 つです。 Bluetooth テクノロジー (BLE とクラシックの両方を含む) がスマートフォン、ラップトップ、 そしてタブレット。

さらに制限されたガジェット、スマート アプライアンス、またはトラッカーには通常、厳しい制限があると想像されるかもしれません。 彼らの単純な生存はエネルギーの大部分を消費します。 スマート バンドについて考えてみましょう。おそらく継続的に歩数をカウントし、心拍数を追跡するため、バッテリーがすぐに消耗します。 ただし、その情報が継続的に携帯電話に送信されると、バッテリーの寿命が大幅に短くなります。 このため、メーカーはエネルギーを節約できる方法を常に模索しており、BLE は理想的な解決策であると考えられます。

屋内の位置を追跡する

BLE の主な利点の 1 つは、GPS が使用できない屋内での正確な位置測定に利用できることです。 1 対 1 の対話を行う代わりに、ビーコンなどの BLE 対応デバイスを使用して、近くにあるすべてのデバイスにデータをブロードキャストできます。

これにより、データを分析できるツール (電話など)、または単にデータをキャプチャして中継できるツール (アクセス ポイントなど) によってビーコンの位置を特定できるようになります。

このため、BLE は、GPS に似た屋内マッピングを顧客に提供し、お気に入りの店舗を見つけるのに役立つショッピング モールなどの屋内ナビゲーション システムでよく利用されています。 ただし、小売店の位置情報ソフトウェアには他の用途もあります。 店舗は、特に Linkyfi などのシステムを使用して近くの潜在的な顧客を見つけ、(プッシュ通知などを介して) 最大の割引を宣伝して、より多くの注目を集める、より焦点を絞ったマーケティングを確保できます。

連絡先の検索と追跡

占有管理はすべての企業の重要な責務の 1 つとなっているため、屋内測位はさらに重要になっています。 雇用主は、従業員の安全を確保するために、BLE ベースの接触者追跡ソリューションをますます調査しています。

このシナリオでは、オフィスへの訪問者には、訪問者の動きややり取りする人物を記録する、単純な単一目的の BLE タグが与えられます。 さらに、機密と思われる個人情報は一切保持されません。 オフィス内の誰かが病気になった場合に、感染した可能性のある人を特定するのが簡単で、感染の拡大を抑えることができます。

雇用主は、最も人気のある場所のヒート マップを提供する Linkyfi Location Engine などの位置情報ベースのサービス システムを使用して、人々がどのように移動するか、どこに集まるかを判断することもできます。

このデータは、占有率を管理し、全員の安全を確保し、未使用エリアを再利用するなどしてスペースを全体的に最適化するために利用できます。

資産管理

BLE タグを使用すると、単に人物を追跡するだけではありません。 これらは資産監視にも同様に機能します。 本当に追跡したいアイテムにタグを付けるだけです。 それらの動きを監視することも、ジオフェンスを使用してそれらが適切な場所 (ショッピング モール内のカートなど) に留まることを確認することもできます。

多くの業界で使用されています。 たとえば、物流で貨物を追跡するために利用される可能性があります。 医療現場で必要な備品を常に監視し、必要なときにいつでも簡単に見つけられるようにします。

最適化を実施するために、機器を職場に保管するか、機器を追跡して、いつ、どこでどのように使用されているかを確認します。 これらはほんの一例にすぎません。 この種のアプリケーションでは、BLE の長寿命と低いデータ転送速度が際立ってきています。

BLE PCB アンテナの設計

• 給電アームに給電するには、CPWG 50 オーム伝送線を使用する必要があります。 この伝送線の長さは非常に短くなければなりません。 マスクは、これと同じ伝送ラインをカバーするためのオプションです。
• この短いアームをベンチマーク グランド プレーンに接続するには、少なくとも 2 つのビアを使用できる必要があります。
• アンテナのグランドプレーンを取り出す必要があります。
• アンテナのはんだマスク面の上下両方を含める必要があります。
• グランド プレーンの端に沿った任意の場所にあるビアは、さまざまな層のグランド プレーンを接続する必要があります。
• グランドプレーンの寸法は、実際のアンテナのサイズと同じくらい重要です。
• マッチングネットのレイアウトによって伝送線路のインピーダンスが変化してはなりません。
• すべてのタイプのアンテナに対して、通常は 1 つのパイ マッチング ネットで十分です。

ネットのマッチングは複雑ではありません。 また、基板の寸法が異なる場合は、アンテナの寸法も調整する必要があります。 アンテナの共振周波数と入力インピーダンスは、上の図に示されている寸法を調整すると変化する可能性があります。 シミュレーションの結果に応じて、修正を行う必要があります。

BLE PCB アンテナ設計の詳細

シミュレーション ソフトウェアを使用してアンテナを設計およびテストすることをお勧めします。 アンテナの設計では、アンテナの位置の寸法も重要です。

通常、CPWG またはコプレーナ導波管がアンテナの給電線として使用されます。 CPWG の特性インピーダンスはアンテナの入力インピーダンスと一致する必要があります。 通常、アンテナ入力ポートのどこかでリターンロスを低減するための標準として、50 オームの入力インピーダンスが選択されます。 マイクロストリップの線路は、アンテナの電気長が変化するため、給電線として使用しないでください。 グランドに接続される小さなビアは、グランド プレーン全体に配置する必要があり、直径は 8 ～ 10 ミルでなければなりません。

アンテナと給電線の間に存在するインピーダンスの整合が理想的な場合でも、その整合ネットを削除すべきではありません。 製造上のミスや誘電率に関する不正確さなど、予期せぬ問題によるミスを防ぐため、アンテナと給電線はマッチングネットで接続する必要があります。

ほとんどのアンテナ アプリケーションでは、通常は 1 つの T マッチング ネットで十分と思われます。 適合するネットのコンポーネント パッド サイズは、フィード ラインの寸法に適切である必要があります。 逆 F アンテナの金属は空気に露出し、障害物がないようにする必要があります。 そうしないと、表面波の形成が妨げられます。

さらに、逆 F アンテナの位置近くの基板上にマスクがあってはなりません。 回路基板のサイズ、基板の誘電率、アンテナのサイズ、PCB 基板上の配置などのいくつかの変数が、逆 F アンテナの性能に影響を与える可能性があります。

Bluetooth と BLE の違いは何ですか?

BLE と Bluetooth を比較するには、範囲、消費電力、接続速度、スループット、コスト、接続数の 6 つのカテゴリが使用されます。 BLE では従来の Bluetooth テクノロジーの音声機能が実際には許可されていないこと、および通常の Bluetooth よりも復元力と安全性が高いという事実が、より明らかな違いです。

電力使用量

BLE は引き続き 2.4 GHz 帯域を使用しますが、以前の Bluetooth テクノロジーと比較して消費電力が少なくなります。 BLE は、リンクが確立されるまで「スリープ モード」で継続的に動作することでこれを実現します。 その結果、BLE デバイスはデバイスのバッテリーから電力を常に消費しないため、Bluetooth デバイスよりもはるかに長時間動作できます。 エネルギーが必要となるのは、動作時および接続が確立されているときのみです。 BLE が登場する前は、Bluetooth 機能を備えたガジェットが機能するには継続的な電力が必要でした。

BLE は消費電力が非常に少ないため、小型の BLE デバイスは、コイン型電池 1 個を使用した場合、5 ～ 10 年間動作します。 これは、これらの BLE デバイスによって作成された本物の接続が開始されると、通常は数秒間継続し、エネルギー消費量が平均 1 uA、ピーク時で 15 Ma であるという事実によるものです。 Bluetooth と BLE の間の電力使用量の違いを理解しやすくするために、BLE は Bluetooth デバイスが使用するエネルギーの約 10 分の 1 を使用することに注意してください。

範囲

BLE と比較して、Bluetooth の通信範囲ははるかに広いです。 これは、BLE の寿命を延ばすだけでなく、消費電力を低く抑えるために調整できるようにするためです。 Bluetooth の範囲とスループットが最適化されています。 デバイスがより広い動作範囲を必要とする場合は Bluetooth を使用する必要があり、近距離での長時間動作が必要な場合は BLE を使用する必要があります。

接続量

通常の Bluetooth と比較して、BLE デバイスはより多くのデバイスと接続できます。 BLE デバイスは、内部メモリとその実装方法に応じて、他のデバイスとの間に確立できる接続数の範囲を示す場合があります。

これは、ジオフェンシングや屋内位置監視システムなどのアプリケーションにとって重要な BLE 機能です。 BLE と比較して、Bluetooth はより少ないデバイスに接続し、より広いエリアでより多くのデータを送信する場合に優れています。

料金

Bluetooth デバイスは、わずかに複雑な動作プロトコルと大きなバッテリーを使用するため、BLE デバイスよりも高価です。 ただし、BLE デバイスに比べて、Bluetooth デバイスはさまざまなバッテリーを使用できるため、Bluetooth デバイスに適したバッテリーを BLE デバイスよりも簡単に入手できます。

BLE デバイスは Bluetooth デバイスよりも小規模なアプリケーション向けに設計されているため、BLE デバイスは規模の経済のメリットを享受でき、価格が下がります。

結論

要約すると、BLE PCB アンテナの他の形式の低電力ネットワークに対する主な利点は、ほぼどこでも利用できることです。