BLE Hub zur Abfrage mehrerer BLE Peripherals

Zahlreiche Sensoren sind heute mit BLE Interfaces ausgestattet, die eine Überwachung mit dem Smartphone erlauben. Durch die reduzierte Reichweite von BLE wird nicht in jedem Fall vom End User Device (Smartphone) eine Verbindung zur gewünschten BLE Sensor möglich sein (Abbildung 1).

Abhilfe können BLE Gateways schaffen, die innerhalb der Reichweite der jeweiligen Gruppe von BLE Sensoren angeordnet sind und dann beispielsweise ihre erfassten Daten über WiFi an einen Server senden. Dieser Server kann in der Cloud betrieben werden, kann aber auch lokal betrieben werden. Die auf diesem Server abgelegten Daten stehen dann beliebigen End User Devices zur Verfügung (Abbildung 2).

Für ein Systemlayout nach Abbildung 2 ist es wünschenswert, wenn kompakte BLE Gateways die Verbindung zum Server übernehmen können. Die ESP32 von Espressif sind mit BLE und WiFi ausgestattet und für die Kommunikation entsprechend vorbereitet. In der Folge soll also gezeigt werden, wie eine Reihe von Sensoren mit BLE Interface (BLE Peripherals) von einem ESP32 Gateway (BLE Central) abgefragt werden .

BLE Sensor Nodes

Als BLE Sensor Node kann jeder mit einem BLE Interface ausgestattete Sensor verwendet werden. In der Regel wird der Sensor durch die Anwendung selbst bestimmt und kann durch ein sehr preiswertes BLE Modul erweitert werden. In Abbildung 3 sind beispielhaft zwei BLE Module gezeigt.

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Für eine Abklärung der Machbarkeit (Proof of Concept) kann der Aufwand durch Verwendung eines fertigen Gerätes deutlich reduziert werden. Ich nutze in der Folge ein Xiaomi Mijia Bluetooth Thermometer, das wie folgt ausgestattet ist:

BLE Gateway

Wie Sie schon aus Abbildung 2 sehen konnten, hat das Gateway die Aufgabe, Daten der BLE Peripherals zu erfassen und in ein anderes Netzwerk oder an einen Server weiterzuleiten.

M5StickC Plus

In meiner Evaluation setze ich als BLE Gateway einen ESP32-basierenden M5StickC Plus ein, da hier alle erforderlichen Ressourcen vorhanden sind. Der M5StickC Plus weist neben WiFi und BLE Interface auch ein farbiges TFT-Display mit 1.14″ (135 x 240 Pixel) sowie eine LED und zwei Taster auf.

Das Programm mi_temp3_display.ino fragt hier zwei Xiaomi Mijia Bluetooth Thermometer 2 nacheinander ab und stellt die erfassten Messwerte auf dem Display des M5StickC Plus dar (Abbildung 4).

Für ein echtes BLE-Gateway, welches die erhobenen Messwerte auch weiterleitet, muss beachtet werden, das beim M5StickC Plus (und allen anderen ESP32-basierten Mikrocontrollern) WiFi und BLE das gleiche Radio nutzen und deshalb nur alternativ benutzt werden können.

Im Programm mi_temp3.ino erfolgen BLE-Abfragen und WiFi-Datenweiterleitung strikt getrennt nacheinander, was durch die folgenden Screenshot deutlich zu erkennen ist.

Im ersten Bild sind die Ausgaben im Serial Monitor (Console) zu sehen. Nach der Erfassung von Messwerten für Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Batteriezustand wird die BLE-Verbindung unterbrochen und die WiFi-Verbindung aufgebaut, um über MQTT die erfassten Daten zu versenden. Nach dem Schliessen der MQTT- und WiFi-Verbindung kann die BLE-Verbindung erneut aufgebaut werden. Im zweiten Bild sind die Ergebnisse im HiveMQ MQTT Broker zu sehen.

Ist der sequentielle Ablauf für die betreffende Anwendung hinderlich, dann kann ein externes Kommunikationsmodul für WiFi, LoRaWAN o.ä. mehr Flexibilität bieten.

The ESPGateway

Mit dem ESPGateway von ThingPulse steht eine solche Lösung bereits fertig zur Verfügung. Abbildung 5 zeigt ein Blockdiagramm des ESPGateway. Das LoRaWAN Modul kann optional bestückt werden. Der Einsatz anderer Kommunikationsmodule ist denkbar (nRF24L1, ZigBee, NB-IoT u.a.).

Auf der Website von ThingPulse werden unter den URLs https://thingpulse.com/new-product-the-espgateway-design/ und https://thingpulse.com/the-espgateway-applications/ Design und Anwendung des ESPGateways vorgestellt. Diese komplexe Umsetzung bietet für die meisten IoT-Anwendungen eine hervorragende Unterstützung beim Übergang zwischen unterschiedlichen Netzwerken.

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2021-05-28/ck