Bluetooth の摩耗性における電力効率の重要性

フィットネストラッカー、スマートウォッチ、医療パッチなどのモダンなウェアラブルは、シームレスなデータ交換のためにBluetoothに依存しています。 ユーザーは、デバイスが充電の最終日または数週間にデバイスを期待するので、チャレンジは、バッテリー寿命と接続をバランスよく配置しています。 Bluetooth Low Energy(BLE)は、複数の低電力モードと高度な電力管理機能を導入することで、これに対処します。 これらのモードを理解することで、開発者はより効率的な製品を設計し、消費者が自分のウェアラブルについて情報に基づいた選択肢を得られるのを助けます。

Bluetoothの低エネルギー(BLE)の建築および力の基礎

BLEは2.4 GHz ISMバンドで動作し、40チャンネル(3つの広告チャンネル、37データチャネル)を使用します。プロトコルは、長いアイドル期間続く活動の短いバーストの周りに設計されています。電力消費に影響を与える主なパラメータには、広告間隔、接続間隔、スレーブレイテンシ、および監督タイムアウトが含まれます。BLE規格は、複数のロールを定義します。(通常、ウェアラブル)と中央(例えば、スマートフォン)。各ロールには、異なる電力プロファイルがあります。

広告モード

広告モードでは、周辺機器は、定期的に3つの広告チャネルの1つ以上の小さなパケットを送信します。 広告(advInterval)の間の間隔は、20 msから10.24 sの範囲で、デフォルトは1.28 sです。 短い間隔で、より速い発見が、パワー消費量を増加させます。 多くのウェアラブルは、平均的なデューティサイクルを低保つときに、より大きな広告モードを送信します。 広告間隔を調整することは、バッテリーの節約のために最も効果的なレバーの1つです。

スキャンモードと開始

中央デバイス(スマートフォンのような)は、広告を聴くためにスキャンルーチンを実行することができます。 2つのモードが存在します。パッシブスキャン(リストンのみ)とアクティブスキャン(周辺機器から追加のデータを要求する)。 アクティブスキャンは、より多くの電力を使用して、デバイスアドレスを解決することができます。 迅速に発見する必要があるウェアラブルのために、製造業者は、多くの場合、ペアリング中に短い間隔で、指示された広告(特定の中央に服を着て)を組み合わせ、その後、再接続のための長い間隔に戻します。

接続モード: 接続間隔とスレーブレイテンシ

接続したら、周辺機器と中央は接続間隔(7.5 msから4 s)に合意します。周辺機器は、各間隔の開始時にのみ、中央からデータを受信します。データがない場合、それは眠りに戻ってきます。スレーブレイテンシは、周辺機器が接続イベントのセット番号までスキップし、パワードをさらに減らすことができます。例えば、すべての5秒ごとに心拍数データを送信することで、500 msの接続間隔を最大で2.5秒で確認することができます。

睡眠モードとディープスリープ

BLEチップは、アイドルモード(タイマー付き低電力睡眠)、ディープスリープ(RAMの保持、非常に低電流)、およびシャットダウン(外部イベントを介して行う)、複数の睡眠状態を提供します。アプリケーションのニーズに基づいて、これらの状態間の効率的なファームウェアの移行。フィットネストラッカーは深夜に滞在するかもしれません、アクセラレータの中断を介して、広告モードをすぐに入力して、午前中にスマートフォンとデータを同期させます。

拡張電池寿命のための高度なBLE機能

データ長延長(DLE)

BLE 4.2 で導入された DLE は、元の 27 バイトの代わりに最大 251 バイトのパケットを使用できます。 Fewer 送信は、より少ない無線活動を意味します。例えば、センサーデータの 100 バイトを 1 つのパケットで送るウェアラブルは、オンエア時間とエネルギー消費を削減する代わりに 1 つのパケットで行うことができます。

LE 2M PHYおよびコードされたPHY

BLE 5.0 は 3 つの物理的な層を導入しました: 1M (レガシー)、2M (二重速度)、およびコード化された PHY (125 kbps または 500 kbps のより長い範囲)。 2M PHY は、同じ量のデータに対して、伝送時間を半分に減らします。 符号化された PHY は範囲を増加しますが、ビットあたりのより多くのエネルギーを使用します; より長い範囲を必要とする身につけられるために(例えば、資産の追跡者)、それは普通のパケット数のために価値があるかもしれません。 PHY は 2 の電池の着用可能に適します。

ホワイトリストとフィルタリング

ホワイトリスト(承認された中央デバイスのリスト)を使用すると、周辺機器は既知のデバイスにのみ応答することができます。これにより、不要なウェイクアップを削減し、電力を節約できます。同様に、広告パケットには、関心のある中央が広告を処理するように、サービスUUIDフィルタを含めることができます。

LE セキュアな接続

暗号化は、オーバーヘッドを追加しますが、BLE Secure Connections は、Elliptic Curve Diffie-Hellman (ECDH) を使用して、キーを交渉し、従来のペアリングと比較してパケットをペアリングする回数を減らすことができます。接続すると、暗号化されたデータパスは、上記の DLE を使うことができます。このネットエフェクトは、より少ないエネルギーを消費するより効率的なペアリングプロセスです。

関係変数 更新のプロシージャ

初期接続後、周辺機器は接続間隔、スレーブレイテンシ、または両方を長持ちさせることができます。これにより、摩耗性が有効になり、アクティビティに基づいて電力プロファイルを適応させることができます。例えば、ワークアウト中に、リアルタイムデータに短い間隔を使用できます。アイドル時は、バッテリーを節約するためにリラックスした間隔を要求できます。

開発者向けリアルタイムパワー最適化戦略

広告サイクルの最適化

ユーザーが画面をタップしたりボタンを押したりするときにのみ発見できる必要があるウェアラブルのために、]を制限された発見可能なモードを、短い広告間隔(例えば、30 ms)で数秒間タップし、にリバートし、または長期広告(例えば、2.56 s)。 常に白い接続をフィルタリングするために使用します。

適切な接続パラメータの選択

接続間隔をアプリケーションレイテンシが許すように設定します。 心拍数モニター(HRM)のような健康センサーのために、500 ms〜1000 msの接続間隔が典型的で、3〜5のスレーブレイテンシで。 これは、HRMデータに許容される2〜5秒ごとにチェックインを収めます。 連続ストリーミング(例えば、ECG)の場合、より短い間隔は無効にすることができますが、DLEはパケット数を減らすことができます。

データ伝送の最小化

固定間隔ではなく、変更(event-driven)時のみデータを送信します。 []]Write Command (信頼性が重要でないときの書き込み要求の代わりに)。 スマートフォンに重い処理をオフロードし、要約のみを送信します。

睡眠モードを効果的に使用して下さい

] アクティブ[ でステートマシンを実装します。 (センサーサンプリングとBLE接続)、 ID (BLEスリーピング、ラジオオフ、センサーの低電力)、 [ディープスリープ]])。 ウェイクソース:プッシュボタン、アクセラメーター、またはスクライマーなど、各時間ごとにスマートにチェックをすることができます。

BLE 5.xエクステンションの搾取

広告パケットを最大255バイトまで送るために、広告を拡張した]を使用して、定期的な広告を完全に接続せずに有効にします。 これは、時々放送状態(例、バッテリーレベル)を中央にビーコンのようなウェアラブルに役立ちます。

ユーザーエクスペリエンスとデバイス長寿への影響

ユーザーは、少なくとも1日(スマートウォッチ)から数週間(シンプルなフィットネスバンド)まで、ウェアラブルを持続可能とします。BLEパワー最適化は、直接これに影響を与えます。例えば、Apple Watch Series 9は、使用に基づいて接続間隔を調整するカスタムBLEスタックを使用しています。それは、日常的な使用で一日中バッテリーを達成することができます。同様に、Xiaomi Mi Band 8は、最大16日間にわたるディープスリープと組み合わせた長い広告間隔を使用します。これらの基礎技術を理解することで、消費者は、彼らの寿命を優先的に設計するのに役立ちます。

トレードオフ: 応答性対電池寿命

接続間隔を短くすることで、ユーザ認識の応答性(例えば、より速い通知)が向上しますが、パワードが増加します。 Smartwatchのオペレーティングシステムは、接続間隔を増加させ、画面の明るさを削減する「低電力モード」を頻繁に表示します。 開発者は、構成可能な電力プロファイルを提供する必要があります。パフォーマンス、バランスのとれた、そしてパワーセーブ。そのため、ユーザーは日常のニーズに基づいて選ぶことができます。

さらなる読書のための外部参照

コンテンツ

Bluetoothの低電力モード - 広告間隔から接続パラメータと高度なBLE 5.x機能 - ウェアラブルでバッテリー寿命を延ばすための強力なツールキット。 パラメータの選択、DLEとPHYオプションを活用し、インテリジェントな睡眠状態を実装することにより、製造業者は、小さなコインセルやコンパクトなリチウム電池で動作する日数または数週間を達成することができます。 IoTエコシステムが成長するにつれて、これらの電力最適化戦略は、ユーザーフレンドリーで長持ちするウェアラブルデバイスを作成するために不可欠です。