آشنایی با ماژول بلوتوث

در این مقاله قصد داریم در مورد مفاهیم اساسی ماژول بلوتوث بحث کنیم. سعی می کنیم همه چیز را ساده، دقیق و آموزنده مورد بررسی قرار دهیم تا شما بهترین دانش را در این زمینه داشته باشید. با معرفی اولیه این ماژول ها آشنا شده و انواع آنها و عملکرد آن را به طور مفصل مطالعه می کنیم. 

برای شبیه سازی این ماژول با نرم افزار پروتئوس روی Bluetooth Library for Proteus.rarکلیک کنید

بلوتوث یکی از اولین فناوری‌های بی‌سیم است که فرآیند ارتباط دستگاه‌ها را متحول کرده است. این فناوری فقط در تجهیزاتی به کار می رود که برای انجام این کار در طول فرآیند ساخت و طراحی شده اند. در ارتباطات دیجیتال مدرن، ماژول های بلوتوث اجزای حیاتی هستند بطوریکه انتقال آسان داده ها از یک دستگاه به دستگاه دیگر را فراهم کنند. این ماژول ها به شرح زیر معرفی می شوند:

ماژول بلوتوث یک تراشه تخصصی است که برای اتصال بی سیم دو دستگاه سازگار برای ارتباطات طراحی شده است و این کار را با استفاده از ویژگی امواج کم انرژی خود انجام می دهد.

این ماژول ها به عنوان رابط بین میکروکنترلر و دستگاه ها عمل می کنند. دامنه این ماژول‌ها فقط محدود به تلفن‌های هوشمند و لپ‌تاپ‌ها نیست، بلکه شامل انواع مختلفی از دستگاه‌ها، مانند ساعت‌ها و خانواده‌هایی است که از ماژول‌های بلوتوث برای اشتراک‌گذاری داده‌ها استفاده می‌کنند. به عنوان مثال، سیستم های تهویه مطبوع خانه دارای ماژول های بلوتوث برای به اشتراک گذاشتن جزئیات در مورد دما و سایر پارامترها هستند. این نه تنها داده ها را به اشتراک می گذارد، بلکه به کنترل دستگاه ها بدون هیچ گونه ارتباط فیزیکی با آنها کمک می کند.

مثال هایی از ماژول های بلوتوث

قبل از اینکه به انواع و سایر جزئیات بپردازیم، می‌خواهم نام ماژول‌ها و کاربردهای آن‌ها را به اشتراک بگذارم که به شما در فهم عملکرد این ماژول‌ها کمک می‌کند.

مدل‌های جدید این ماژول‌ها هر ساله به طور مکرر منتشر می‌شوند، اما برخی از مدل‌های مهم که به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند در جدول زیر ذکر شده‌اند:

مدل ماژول
نوع
کاربردها
HC-05
Classic
  • انتقال سری صوتی
  • انتقال اطلاعات
  •  اشتراک گذاری فایل
  •  بازی
HC-06
Classic
  • انتقال   داده
  • ارتباط   سریال
  • کنترل   از راه دور
HM-10
Classic
  • در   تجهیزات پوشیدنی مثل ساعت
  • انتقال   ساده داده
  • ارتباط   میکروکنترلر
nRF52840
BLE
  • در   تجهیزات پوشیدنی مثل ساعت
  • ردیاب   های تناسب اندام
  • سنسورها
  • چراغ   های دریایی
ESP32 BLE
BLE
  • تجهیزات   خانگی هوشمند
  • اتوماسیون   صنعتی
  • اینترنت   اشیا IOT 
BTM005
BLE
  • تجهیزات   پزشکی
  • ساعت   های هوشمند
  • اسباب   بازی
HM-13
Dual-Mode
  • کاربردهای   همه کاره
  • استریمینگ   صوتی
  • انتقال   داده
  • مخابره   در سنسور توان پایین
CC2541
Dual-Mode
  • اتوماسیون   صنعتی
  • خانه   هوشمند
  • سیستم   های چند پروتکلی
nRF5340
Dual-Mode
  • تجهیزات   پوشیدنی
  • صدای   کیفیت بالا
  • تجهیزات   اینترنت اشیای پیچیده
CSR8675
Audio Streaming
  • اسپیکرهای   بیسیم
  • هدفون
  • انتقال   صدا
nRF52832
Audio Streaming
  • اسپیکرهای   بیسیم
  • هدفون   ها
  • کنسل   کننده نویز اکتیو
ES9218P
Audio Streaming
  • اسپیکرهای   پرتابل
  • گیرنده   های بلوتوث
RN2483
Long-Range
  • اتوماسیون   صنعتی
  • ردیاب   دارایی
  • انتقال   داده مسافت طولانی
HM-19
Long-Range
  • سنسورهای   محیط باز
  • مانیتورینگ   محیطی
  • جمع   کننده داده از راه دور
SPP-R
Long-Range
  • مخابره   نظیر به نظیر
  • کنترل   از راه دور
  • ارتباط   مسافت طولانی

انواع ماژول های بلوتوث

دلیل استفاده از ماژول های بلوتوث در چندین نوع مختلف به دلیل تطبیق پذیری آنهاست. محبوبیت این ماژول ها طراحان را به ایجاد انواع مختلف ترغیب کرده است که از این میان به مهمترین آنها در اینجا اشاره می شود:

ماژول بلوتوث کلاسیک

اولین ماژول کلاسیک بلوتوث در اواخر دهه 1990 توسعه یافت و به زودی در 79 کانال کار کرد. بلوتوث کلاسیک به طور رسمی به عنوان بلوتوث یا بلوتوث EDR شناخته می شد. این یک استاندارد شبکه قدیمی است که بر اساس IEEE 802.15.1 طراحی شده است. اگرچه در آن زمان یک ماژول شگفت‌انگیز بود، اما با گذشت زمان، قابلیت و دامنه آن افزایش یافت. بنابراین، هنوز هم در دستگاه ها استفاده می شود. ویژگی های این ماژول در زیر ذکر شده است:

ویژگی های بلوتوث کلاسیک

سرعت داده بالایی دارد و می تواند تا 3 مگابیت در ثانیه انتقال دهد که آن را برای کاربردهایی که به سرعت پهنای باند بالایی نیاز دارند مناسب می کند. این نرخ به طور قابل توجهی بالاتر از برخی ماژول های دیگر مانند بلوتوث LE است.

از مسافت طولانی در شرایط ایده آل استفاده می شود زیرا برد آن 330 فوت است که معادل 100 متر است. این نکته مثبت استفاده از این ماژول است که چندین دستگاه را می توان در این برد طولانی اشغال کرد.

این ماژول می تواند تداخل دستگاه های مختلف را نادیده بگیرد و با دستگاه مورد نیاز ارتباط برقرار کند که آن را به انتخاب خوبی تبدیل می کند.

What is a Bluetooth Module, Bluetooth Module types, Bluetooth Module working, Bluetooth Module applications, Bluetooth Low energy, BLE types

کاربردهای بلوتوث کلاسیک

بلوتوث کلاسیک با توجه به ویژگی های آن می تواند در کاربردهای مختلف استفاده شود، مانند:

بلوتوث کلاسیک در استریمینگ صوتی

پخش صدا به دلیل ساختار این ماژول بارزترین نمونه بلوتوث کلاسیک است. روی پروفایل های مختلفی کار می کند که ویژگی های اتصال را تعیین می کند. برای پخش صدا، پروفایل های مربوطه در اینجا ذکر شده است:

Advanced Audio Distribution Profile (A2DP): این پروفایل وظیفه پخش صدای با کیفیت بالا از یک دستگاه به دستگاه دیگر را بر عهده دارد. از این رو، هنگامی که این ویژگی مورد نیاز است، نمایه A2DP ماژول بلوتوث فعال است.

نمایه کنترل از راه دور صوتی/تصویری (AVRCP): این نمایه زمانی فعال است که عملکردهای پخش مانند پخش، مکث و پرش توسط دستگاه منبع مورد نیاز باشد.

بلوتوث کلاسیک برای انتقال فایل

این حالت بلوتوث همچنین برای به اشتراک گذاری فایل هایی مانند تصاویر، فیلم ها، فایل های صوتی و غیره از دستگاه مبدا به مقصد استفاده می شود. برای این کار، از نمایه Object Push Profile (OPP) استفاده می کند که به طور خاص برای انتقال فایل های ساده طراحی شده است. این یک روش کاربرپسندتر برای اشتراک گذاری فایل ها نسبت به استفاده از سیم است.

بلوتوث کلاسیک برای ارتباط سریال

برای ارتباط سریال، بلوتوث کلاسیک از پروفایل دیگری به نام نمایه پورت سریال (SPP) استفاده می کند. این پروفایل شبیه سازی پورت سریال دستگاه را با استفاده از بلوتوث تسهیل می کند. به این ترتیب دستگاه به صورت بی سیم و از طریق لینک سریال مجازی ارتباط برقرار می کند. این نمایه معمولاً زمانی فعال است که برای اشتراک‌گذاری داده‌ها بین دو رایانه یا سایر دستگاه‌های تعبیه‌شده، ارتباط سریال مورد نیاز است. این یک ویژگی مفید در موارد مختلف است که انعطاف پذیری برای اشتراک گذاری داده ها مورد نیاز است.

بلوتوث کلاسیک در لوازم جانبی بی سیم

بلوتوث نه تنها داده ها را به صورت بی سیم به اشتراک می گذارد، بلکه به اتصال دستگاه های جانبی بدون اتصال فیزیکی نیز کمک می کند. این یک ویژگی برجسته است زیرا چندین دستگاه جانبی نه تنها ظاهری نامرتب ایجاد می کنند بلکه همیشه خطر آسیب سیم نیز وجود دارد. اتصالات جانبی مانند ماوس، کیبورد، بلندگو و غیره قابل اعتمادتر و کارآمدتر از نظر انرژی هستند.

این نوع اتصال به طور گسترده ای پذیرفته شده است و به حذف کابل های دست و پا گیر کمک کرده است. در نتیجه، اتصال راحت تر است و محیطی بدون درهم و برهم را امکان پذیر می کند. از این رو، بلوتوث کلاسیک به طور گسترده در لوازم جانبی به روز شده استفاده می شود، بنابراین راحتی را فراهم می کند.

بلوتوث کلاسیک در چاپ به کمک موبایل

چاپ به کمک موبایل یک کاربرد پرطرفدار بلوتوث کلاسیک است که با دستگاه‌هایی مانند تلفن‌های هوشمند، تبلت‌ها و سایر دستگاه‌های دارای بلوتوث ارتباط برقرار می‌کند. چاپ در حین حرکت راهی مناسب برای ارسال بی دردسر کارهای چاپی از دستگاه های تلفن همراه به دستگاه های چاپ دارای بلوتوث است. این نرم افزار در مقیاس های مختلف، چه برای استفاده شخصی و چه برای کاربردهای حرفه ای مورد استفاده قرار می گیرد.

بلوتوث کم مصرف(LOW Energy)

بلوتوث کم انرژی با نام BLE نیز شناخته می شود و این نسخه فقط روی 40 کانال کار می کند. این نسخه نسبتاً انعطاف پذیر از نسخه های قبلی خود است. این یک ماژول محافظه کار برای شبکه شخصی (PAN) است. از امواج رادیویی در باند 2.4 گیگاهرتز استفاده می کند و مصرف برق حداقلی دارد. بنابراین برای دستگاه هایی که نیاز به اتصال مداوم بلوتوث دارند مناسب است.

از پخش فناوری مش پشتیبانی می کند و برای ایجاد شبکه های در مقیاس بزرگ مناسب است. این ماژول به گونه‌ای طراحی شده است که اتصالات رادیویی دوربرد دوره‌ای و کوتاه را شامل شده و از این رو، در زمینه دستگاه‌های باتری دار کاربرد وسیعی دارد.

ویژگی های بلوتوث کم مصرف

در اینجا برخی از ویژگی های مهم دیگر این ماژول آورده شده است:

این برای کار در دستگاه هایی طراحی شده است که ماه ها و حتی سال ها به طور مداوم کار می کنند. بنابراین، انرژی بسیار کمتری نسبت به سایر ماژول ها مصرف می کند و برای دستگاه هایی مانند پوشیدنی ها و سایر دستگاه های امبدد ایده آل در نظر گرفته می شود.

فقط برای PAN مناسب است و برد نسبتاً کم 30 متر (در شرایط ایده آل) دارد که نسبت به حالت قبلی (بلوتوث کلاسیک) کمتر است.

از آنجایی که برای دستگاه های باتری گرا طراحی شده است، بنابراین می تواند فورا اتصال را برقرار کند. این ویژگی به دلیل اتصالات کم برد به مصرف انرژی کمتر کمک می کند.

این ماژول می تواند مقدار کمی از داده ها مانند خواندن سنسور، اعلان ها و سایر تنظیمات پیکربندی را انتقال دهد. وظیفه این ماژول ارسال داده ها با سرعت 1 مگابیت بر ثانیه است که کمتر از بلوتوث کلاسیک است اما برای کاربردهایی که برای آن طراحی شده کافی است.

کاربردهای بلوتوث کم مصرف (BLE).

در اینجا لیستی از کاربردهای اساسی که در آن BLE به طور گسترده استفاده می شود آورده شده است:

داده‌ها را از ردیاب‌های تناسب اندام و پوشیدنی‌ها ارسال می‌کند و اطلاعاتی مانند ضربان قلب، تعداد قدم‌هایی که کاربران برداشته‌اند و غیره را ارائه می‌دهد. به دلیل مصرف انرژی کم و اندازه کوچک، این ماژول‌ها به‌طور گسترده برای اتصال دستگاه‌های دارای بلوتوث با پوشیدنی‌ها استفاده می‌شوند و به آنها اجازه می‌دهند. بر معیارهای سلامت مانند ضربان قلب، گام های برداشته شده و مسافت طی شده نظارت می کند.

این یک روش محبوب برای به اشتراک گذاری داده ها بین دستگاه های خانه هوشمند مانند ترموستات و تهویه مطبوع است. در اینجا، به دلیل اتصال سریع و مصرف کم انرژی مفید است، بنابراین ممکن است اطلاعات این دستگاه ها را به طور مداوم در اختیار کاربر قرار دهد. به این ترتیب اتصال مطمئنی برای بررسی آب و هوای خانه فراهم می کند و در نتیجه به تنظیم آن کمک می کند.

چراغ های دریایی BLE به طور موثر اطلاعات مکان را برای ناوبری داخلی و بازاریابی مجاورت منتقل می کنند. قابلیت‌های کارآمد انتقال داده به دستگاه‌های مجاور به BLE کمک می‌کند تا در جایگاه اول در میان گزینه‌های دیگر اشتراک‌گذاری داده در این زمینه قرار گیرد.

در تجهیزات پزشکی و حسگرها استفاده می شود. با پیشرفت تکنولوژی، دستگاه های بزرگ و حجیم به دستگاه های کوچکتر و کارآمدتر تبدیل می شوند و به دلیل داشتن ماژول های بلوتوث پیشرفته، اکنون اتصال این دستگاه ها با کامپیوتر آسان شده است. در دستگاه‌های پوشیدنی استفاده می‌شود که به کادر پزشکی اجازه می‌دهد پارامترهای سلامتی را به رایانه ارسال کند، جایی که می‌توان گزارش را چاپ و معاینه دقیق انجام داد.

بلوتوث دو حالته (Dual Mode Bluetooth)

بلوتوث دو حالته یک تراشه بلوتوث همه کاره است که عملکردهای هر دو (BLE و بلوتوث کلاسیک) را دارد و مزایای هر دوی آنها را ارائه می دهد. دارای ویژگی هایی مانند محدوده وسیع 3 مگابیت در ثانیه در 100 متر و مصرف انرژی کم و بسته داده کوچک است که آن را برای تعداد زیادی از کاربردها ایده آل می کند.

این ماژول کاربردها را ساده تر کرده است. قبل از این، ماژول های جداگانه ای برای دریافت چنین ویژگی هایی استفاده می شد. این نه تنها طراحی را ساده و کوچک می کند، بلکه مقرون به صرفه تر است و کاربر به سادگی باید بین حالت ها از طریق دستگاه جابجا شود.

کاربردهای بلوتوث دوحالته

همانطور که انتظار می رفت، کاربرد این ماژول ترکیبی از موارد ذکر شده در بالا است. در اینجا مواردی وجود دارد که بلوتوث دو حالته مناسب ترین انتخاب است:

بلوتوث دو حالته در یکپارچه سازی خودرو

بلوتوث دو حالته یک تکنیک غالب برای تماس صوتی بدون هندر فری در وسایل نقلیه است. هنگام کار به عنوان بلوتوث کلاسیک، می توان از آن در سیستم تماس ایمن در وسایل نقلیه استفاده کرد. رانندگان به سادگی تلفن های هوشمند و سایر دستگاه های خود را به سیستم تماس وسایل نقلیه متصل می کنند و بدون هیچ گونه ناراحتی تماس ها را دریافت می کنند. 

کاربر همچنین می تواند فایل ها را با سیستم خودرو به اشتراک بگذارد و برای این کار حالت BLE کارآمد است. بسته‌های کوچک داده‌ای که منتقل می‌شوند انرژی بسیار کمی مصرف می‌کنند و این ارتباط مداوم به ارائه تجربه کاربر پسندتر کمک می‌کند.

بلوتوث دوحالته در اینترنت اشیا (IoT)

حالت کار اینترنت اشیا ایجاد ارتباط بین دستگاه های مختلف و اجازه دادن به آنها به عنوان یک سیستم بسته است. بنابراین، بلوتوث به طور گسترده ای در اینجا استفاده می شود. این دستگاه ها به اتصال مداوم و همچنین به اشتراک گذاری سریع اطلاعات نیاز دارند، بنابراین بلوتوث حالت دوگانه بهترین گزینه برای اینترنت اشیا است. این به مجموعه متنوعی از برنامه‌های IOT اجازه می‌دهد و به دستگاه‌ها اجازه می‌دهد به طور یکپارچه بین انتقال داده با سرعت بالا (ویژگی بلوتوث کلاسیک) و ارتباطات متناوب و کم مصرف (ویژگی BLE) جابجا شوند. به طور خلاصه، تعادل کامل بین اشتراک داده و ارتباطات مداوم را فراهم می کند. در نتیجه، می‌تواند ارتباط قوی بین دستگاه‌ها، حسگرها، محرک‌ها و سایر اجزای سیستم اینترنت اشیا ایجاد کند.

بلوتوث دوحالته در بازی

امروزه بازی یکی از پرطرفدارترین زمینه هاست و در اینجا، بلوتوث دوحالته تجربه بازی را راحت تر می کند. اتصال یکپارچه بین لوازم جانبی بازی مانند کنترلرها، هدفون و سایر لوازم جانبی را فراهم می کند. عملکرد دو حالته این بلوتوث، تأخیر کم و انتقال داده با سرعت بالا را تضمین می کند که از ویژگی های اساسی یک فرآیند بازی روان است. گیمرها، به این ترتیب، یک محیط بازی همه جانبه تر و قابل تنظیم تر را تجربه می کنند.

سیستم بازی بدون سیم نه تنها راحت تر و روان تر است، بلکه به عملکرد بهتر بازی نیز کمک می کند.

عملکرد ماژول های بلوتوث

هدف اصلی این ماژول ها حذف نیاز به سیم برای به اشتراک گذاری داده ها از طریق امواج رادیویی است. این ماژول ها فقط در فواصل کوتاه کار می کنند و به طور کلی اصول کار همه ماژول ها کم و بیش مشابه است. 

ماژول ها دارای آنتن های کوچکی هستند که در دستگاه ها گنجانده شده اند.

هنگامی که یک دستگاه سازگار روشن می شود، سیگنال هایی را منتشر می کند که توسط آنتن ماژول دریافت می شود. هنگامی که این دستگاه ها با تأییدیه کاربر متصل می شوند، می توانند داده ها را ارسال کرده و اطلاعات را به اشتراک بگذارند.

به گروهی از چندین دستگاه متصل شده از طریق بلوتوث، شبکه بلوتوث گفته می شود. این شبکه بزرگ از دستگاه های بلوتوث از سیستم master/slave پیروی می کند. به این ترتیب Master می تواند بیش از یک دستگاه را متصل کرده و داده ها را از Slave خود ارسال و دریافت کند. برعکس، Slave فقط می تواند با master ارتباط برقرار کند و داده ها را در آنجا ارسال و دریافت کند. هیچ ارتباطی بین دستگاه های slave وجود ندارد. نقش دستگاه مستر در شبکه بیشتر برجسته می شود و اگر به دلایلی، دستگاه مستر در اتصال با مشکل مواجه شود، کل شبکه مختل می شود.

اتصال پیشرفته ماژول های بلوتوث

در حال حاضر، ماژول‌های بلوتوث به دلیل اتصال محدود بلوتوث، شهرت کمتری نسبت به سایر منابع اتصال دارند. طراحان در حال کار بر روی ماژول هایی هستند که فوراً در یک محدوده طولانی به هم متصل می شوند و داده ها را با سرعت بالایی انتقال می دهند.

شبکه مش بلوتوث

شبکه مش بلوتوث یک ویژگی حیاتی است که آن را در زمینه هایی مانند اینترنت اشیا (IoT) مفیدتر می کند. طراحان در حال کار بر روی ماژول هایی هستند که می توانند چندین جزء را در یک زمان در خود جای دهند. این شبکه به ماژول ها اجازه می دهد تا به طور یکپارچه در یک منطقه گسترده ارتباط برقرار کنند. در آینده، ماژول های قدرتمندتری برای شبکه سازی انتظار می رود. چند نمونه اساسی از عناصر موجود در شبکه مش عبارتند از:

روشنایی هوشمند

اتوماسیون ساختمان

شبکه های حسگر در مقیاس بزرگ

ماژول های بلوتوث در فناوری 5G

فناوری 5G به روزترین فناوری این دهه است. ماژول های جدیدتر به گونه ای رد شده اند که می توانند با فناوری 5G همکاری نزدیک داشته باشند. این نه تنها سرعت بالا و تاخیر کم را افزایش می دهد، بلکه با جدیدترین دستگاه ها نیز سازگار خواهد بود. مناسب‌ترین برنامه‌های کاربردی در آینده با این ماژول‌ها، برنامه‌هایی هستند که خواهان تبدیل داده‌های بلادرنگ هستند، به عنوان مثال، واقعیت افزوده (AR) و واقعیت مجازی (VR).

برخی از ویژگی های مهم دیگر این ماژول ها که آنها را برای آخرین کاربردها به روز نگه می دارد عبارتند از: مصرف انرژی بسیار کم، بهبودهای امنیتی، سازگاری با استانداردهای در حال ظهور، ادغام هوش مصنوعی، کوچک سازی و یکپارچه سازی و بسیاری موارد دیگر.