[Перевод] Автостопом по iBeacon Hardware: Большой обзор
Мы подготовили перевод большого обзора маячков, работающих по технологии iBeacon, которая применяется и в проекте Navigine – системах для indoor-навигации. В Navigine для навигации внутри помещений мы используем различные технологические решения, однако iBeacon является одним из самых известных и популярных в консьюмерском секторе – поэтому начнем рассказ именно с него.
В данном обзоре мы рассмотрим 26 маячков iBeacon от разных производителей, таких как Estimote, Kontakt и Gimbal. За прошедшие девять месяцев мы тестировали маячки в разных условиях, пытаясь узнать о них все. Это наиболее полный обзор на эту тему, где дана оценка всем основным производителям маячков.
Вступление
Технология iBeacon от Apple помогает смартфонам определять свое местоположение в замкнутых пространствах. Она основана на стандарте протокола BLE (Bluetooth Low Energy) и поддерживается всеми основными мобильными телефонами на платформах Android и iOS.
iBeacon – это крошечные устройства, работающие от батареек, передающие Bluetooth-сигнал. iBeacon (или по-простому маячки) многократно и ежесекундно передают сигнал, который, в свою очередь, может быть принят телефонами в радиусе нескольких метров. Телефон может достаточно точно определить свое местоположение на основании сигналов, поступающих от близлежащих маячков. Представьте, что телефон – это корабль, а iBeacon – это маяк, установленный на скале; корабли, видя свет маяка, могут определить свое местоположение относительно берега.
Маячки, в отличие от GPS, могут использоваться для навигации в помещениях. Технология нашла множество применений – это Indoor-навигация, геоконтекстная реклама (услуги), клиентеллинг и персонализированная помощь. Поскольку маячки используют стандарт BLE, они одинаково хорошо работают с устройствами как на базе Android, так и на базе iOS.
Как следует из названия протокола [Low Energy] – это стандарт с низким потреблением энергии. Ранее мы исследовали влияние маячков на заряд батареи iPhone и смартфонов на базе Android. Как оказалось, работа с близлежащими маячками не должна тратить более 1% заряда батареи. В этом обзоре мы исследуем время жизни батарей самих маячков.
Маячки начали набирать популярность не так давно, однако уже сейчас они установлены в бессчетном количестве магазинов. Большинство маячков питается от батарей. В этом обзоре мы проведем полное сравнение различных маячков, доступных на рынке. Они бывают разных форм и размеров, имеют различные чипсеты, прошивки и размеры батарей. За прошедшие девять месяцев мы протестировали 26 устройств от разных производителей. В прошлом обзоре мы сравнивали влияние iBeacon на заряд батареи телефона, а в этом проведем сравнение самих маячков по различным параметрам.
Потребление энергии – это очень важный аспект, особенно, при установке маячков в большом промышленном помещении. Когда их много, становится очень трудно следить за уровнем заряда их батарей (а также выполнять замену). По этой причине желательно, чтобы маячок обладал емкой батареей.
Победители:
Что такое маячки
Маячки – это маленькие устройства, питающиеся от батареи. Они транслируют Bluetooth-сигнал. Сигнал принимается смартфонами, а также передается на облачный сервер через интернет. Облачные серверы обрабатывают информацию и выполняют дальнейший анализ, управляя поведением мобильного приложения в зависимости от положения смартфона.
Маячок состоит из четырех основных компонентов:
Аппаратное обеспечение маячков
Аппаратная часть состоит из микроконтроллера с Bluetooth-радиочипом и батарейки. Новые радиочипы оптимизированы для работы c протоколом BLE, в то время как старые поддерживают только классический Bluetooth, обладающий более высоким энергопотреблением. Радиочипы, используемые в маячках, в основном, произведены двумя компаниями: Texas Instruments и Nordic Semiconductor. Компании BlueGiga и Gimbal используют радиочипы от Texas Instruments (TI), но со своей прошивкой.
В большинстве маячков установлены плоские круглые батарейки типа «таблетка». Это литий-ионные аккумуляторы, которые, несмотря на свой размер, обеспечивают емкость до 1000 мАч. Наиболее распространены батарейки, рассчитанные на 240 мАч (CR2032, маленькие), 620 мАч (CR2450, среднего размера) и 1000 мАч (CR2477, крупные). Подобные батарейки часто используются в брелоках для ключей и цифровых часах.
В некоторых маячках установлены алкалиновые аккумуляторы типа АА, которые можно часто встретить в цифровых камерах и телевизионных пультах. Емкость стандартного элемента АА достигает 2000 мАч, но его размер больше, чем у плоских батареек.
Некоторые из маячков подключены к внешним источникам питания. Они могут быть подцеплены или к розетке, или к USB-разъему. Таким маячкам не требуется замена аккумуляторов и, в определенных ситуациях, их использование может быть экономически оправданным. Однако не всегда просто подвести питание в то место, где установлен маячок – может потребоваться дополнительная разводка проводов. В данном обзоре мы рассмотрим только маячки, питающиеся от батареек.
Прошивка маячков
У каждого маячка имеется своя прошивка – это программный код (логика), управляющий работой аппаратной части. Прошивка может контролировать несколько параметров, влияющих на время жизни батареи.
Мощность передачи (Tx) – маячки передают сигнал определенной мощности. Передаваемый сигнал слабеет по мере удаления от источника. Высокая мощность передачи означает, что сигнал сможет преодолевать большие расстояния. Низкая мощность передачи означает низкое энергопотребление, но сигнал при этом не будет распространяться далеко.
Интервал опроса – это частота, с которой iBeacon генерирует сигнал. Интервал длительностью в 100 мс означает, что сигнал будет распространяться каждые 100 миллисекунд (10 раз за секунду). Большее значение интервала опроса, равное 500 мс, означает, что сигнал будет транслироваться всего дважды в секунду – заряд батареи будет расходоваться меньше. С увеличением интервала опроса растет время жизни батареи, но снижается время реакции телефона. Не существует оптимального значения интервала опроса: если требуется низкая латентность, интервал опроса должен выбираться как можно меньше, а если требуется продлить время жизни батареи, то как можно больше.
В официальной спецификации протокола iBeacon от Apple интервал опроса имеет значение 100 мс, однако большинство поставщиков маячков изменяют его значение в большую сторону, при этом придерживаясь остальных стандартов. Мы все равно будем называть такие устройства термином iBeacon. В большинстве случаев интервала опроса, превышающего 100 мс, оказывается более чем достаточно для обеспечения хорошего пользовательского опыта.
Каждый маячок имеет свой собственный способ настройки параметров работы аппаратного обеспечения (мощности передачи и интервала опроса). Такие маячки, как Kontakt, Estimote, RadBeacon и BlueSense Networks для настройки параметров используют собственное приложение для iPhone. Некоторые маячки, например Minew, обеспечивают открытый интерфейс через любой GATT-клиент (например, приложение для iPhone LightBlue или gattool на Linux). Основным преимуществом GATT-клиентов является возможность настройки всех маячков одновременно.
Маячки некоторых производителей (к примеру, Gimbal) дополнительно поддерживают свои собственные режимы работы, не описанные в протоколе iBeacon от Apple. В этом обзоре мы затронем только те режимы работы, которые описаны в стандарте.
Мы сопоставили различные значения мощности передачи и интервала опроса и посмотрели, к чему это приводит. Обычно мощность передачи маячков составляет -12 дБм, а частота опроса изменяется в интервале от 350 мс до 900 мс. Зависимость дальности работы маячка от мощности передачи (в условиях прямой видимости) приведена на диаграмме ниже:
Облачная инфраструктура маячков
Маячки транслируют Bluetooth-сигнал, который помогает смартфонам определить свое местоположение, но этот сигнал ничего не значит сам по себе – здесь необходим интеллектуальный backend-сервис. Обычно облачные приложения парсят все принятые сигналы и принимают решения, то есть работают как мозг, управляющий всеми операциями.
В этом обзоре мы не будем сравнивать поставщиков облачных сервисов и сосредоточимся только на аппаратном обеспечении маячков.
Пакет разработчика
Приложения должны уметь общаться с маячками и облачным сервером, чтобы действовать в соответствии с географическим положением смартфона. В этом обзоре мы рассматриваем батареи маячков, время жизни которых не зависит от типа используемого программного пакета для разработки.
Методология
Чтобы точно измерить время жизни каждой батареи, мы разместили маячки в нашей лаборатории, установив различные настройки, и тестировали их на протяжении последних 3-9 месяцев. Все это время мы регулярно измеряли уровень заряда батареи (изначально заряженной на 100%). Также мы измеряли потребление тока (в миллиамперах).
Мы экспериментировали с различными настройками мощности передачи и интервала опроса. Каждый маячок имеет свои собственные стандартные значения этих параметров, поэтому, чтобы создать равные условия, мы установили мощность передачи равной -12 дБм, а интервал опроса 645 мс – это наши оптимальные настройки маячка.
Поскольку батарея многих маячков продержалась больше 9 месяцев, мы экстраполировали время жизни батареи на основании объема потребляемого тока. Чтобы сделать это, мы разделили емкость батареи (скажем, 620 мАч) на потребляемый ток, чтобы получить приблизительное время разряда батареи.
Такой подход подразумевает, что батарея является идеальной, а потребляемый ток постоянен, но литий-ионная батарея не удовлетворяет этим условиям. В реальности эффективность батареи зависит от многих факторов. Поскольку разные маячки поставляются с различными батареями (как хорошими, так и плохими), предсказать точное время работы невозможно. Числа, отражающие время жизни батарей, стоит расценивать как теоретический максимум.
Стандартизация времени жизни батареи: Мы рассчитывали время жизни батареи каждого маячка с оптимальными настройками, применяя описанную выше методологию – так мы стандартизировали время жизни батареи. Это позволит нам напрямую сравнивать маячки друг с другом.
Ниже представлена фотография нашей лаборатории. Здесь несколько маячков и тестовых смартфонов.
Чипсеты
Мы акцентировали внимание на четырех чипсетах – это Texas Instruments TI CC254x, Nordic Semiconductor nRF51822, Bluegiga BLE112 / BLE113 и контроллер от Gimbal. Хотя на рынке имеются и другие чипсеты, этим принадлежит 95% рынка (на момент написания статьи [4 мая 2015 года – прим. пер.]).
Мы тщательно замерили потребление заряда батареи с каждым из чипсетов. Чипсеты от TI, Nordic и Bluegiga поддерживают различные настройки мощности передачи и интервала опроса. Gimbal дополнительно предоставляет возможность рандомизации Bluetooth MAC (эта функция разряжает батарею). Маячки Gimbal поддерживают ограниченный набор конфигураций, а их интервал опроса не может меняться в произвольных пределах.
Для каждого чипсета мы рассчитали время жизни батареи при оптимальных настройках маячка: интервал опроса 645 мс, мощность передачи -12дБм (15 метров), маленькая батарейка CR2032. Gimbal самостоятельно устанавливает интервал опроса равным 100мс, поэтому значения, приведенные для этого чипсета, нельзя напрямую сравнивать с остальными показаниями.
Самыми популярными из четырех чипсетов являются TI и Nordic. Чипсет TI появился в 2009 году, а Nordic в 2012. В связи с этим ожидаемо, что чипсет Nordic будет более оптимизирован для работы с маячками. Чипсет Gimbal дополнительно предоставляет свой Beacon-режим, но здесь мы рассматриваем только стандарт iBeacon. Мы ожидаем, что эти чипсеты будут оснащены более современными радиопередатчиками в ближайшем будущем.
Поставщики маячков
Маячки IBKS 102 разработаны испанской компанией Accent Systems. Они поставляются с чипсетом от компании TI и питаются от батарейки (CR2477) емкостью 1000 мАч. Техническая спецификация доступна на сайте производителя.
Маячки AprilBeacon 241 разработаны китайской компанией April Brother. Они поставляются с чипсетом от компании TI и питаются от батарейки (CR2450) емкостью 620 мАч. Также доступны более крупные маячки, питающиеся от элемента питания ААА, которые обеспечивают бесперебойную работу маячка на протяжении 32 месяцев. Техническая спецификация доступна на сайте производителя.
Компания BKON, штаб-квартира которой находится в Нэшвилле, производит маячки A1. Они снабжены двумя элементами питания ААА, обеспечивающими долгую жизнь устройства. Имеется поддержка протокола UriBeacon – альтернативы iBeacon. Техническая спецификация доступна на сайте производителя.
В маячках Bluecats AA использованы 2 батарейки типа АА. Техническая спецификация доступна на сайте производителя.
Маячки BlueBar разработаны компанией BlueSense Networks, штаб-квартира которой находится в Великобритании. Они поставляются с чипсетом Bluegiga BLE113 и питаются от батарейки (CR2450) емкостью 620 мАч. Техническая спецификация доступна на сайте производителя.
EM Microelectronic – это швейцарская компания-производитель полупроводниковой микроэлектроники, специализирующаяся на низкопотребляющих микросхемах для устройств, питающихся от батарей. На своих микросхемах компания производит маячки EMBC01. Владельцем компании является производитель швейцарских часов The Swatch Group. Техническая спецификация доступна на сайте производителя.
Польский стартап Estimote является одним из самых известных производителей маячков – компания выпускает их в гладком силиконовом корпусе. Выпустившись из Y-Combinator и получив деньги инвесторов из Кремниевой долины, Estimote переместила свою штаб-квартиру в Сан-Франциско. Эти маячки поставляются с чипсетом Nordic Semiconductor NF51822. В одном из предыдущих обзоров мы тестировали первую партию маячков Estimote, которые питались от батареек (CR2450) емкостью 620 мАч каждый. Начиная с октября 2014 года, компания выпускает обновленные маячки с батарейками емкостью 1000 мАч. Аппаратное обеспечение маячка скрыто в неразборном корпусе, поэтому его можно устанавливать вне помещений и в местах с повышенной влажностью, однако это означает, что после разрядки батарею невозможно заменить – нужно покупать новое устройство.
Обладая эластичной силиконовой оболочкой, богатым выбором цветов и многоразовой клеящей основой, маячки Estimote являются самыми стильными устройствами из всех существующих на этом рынке. Не так давно компания представила тонкие маячки Estimote Stickers (толщиной всего 3мм, но с меньшим временем жизни батареи). Еще Estimote регулярно выпускает обновления прошивки, чтобы дополнительно продлить время жизни батарей.
Настройка маячков Estimote осуществляется с помощью приложения на iPhone. Техническая спецификация доступна на сайте производителя.
В таблицу ниже сведены времена жизни батарей маячков Estimote с версией прошивки 2.2 и батареей емкостью 1000 мАч. Отметим, что приведенные ниже цифры подразумевают использование идеальной батареи, что представляется невозможным в реальных условиях – действительное время жизни может быть гораздо меньше.
Сравнение идет по месяцам (значения в таблице)
Водо- и погодоустойчивые шероховатые маячки от компании, расположенной в штате Мичиган. Техническая спецификация для маячков Gelo доступна на сайте производителя.
Qualcomm – американская компания-производитель полупроводниковой электроники, наиболее известная своими процессорами Snapdragon, ранее в этом году открыла подразделение Gimbal, занимающееся производством маячков. Имея поддержку Qualcomm, новоиспеченная компания выпустила маячки в нескольких форм-факторах: Gimbal Series 10 с маленькой батареей и Gimbal Series 21 с четырьмя большими элементами питания АА.
Сравнение идет по месяцам (значения в таблице)
Маячки Gimbal поддерживают два стандарта: стандарт iBeacon от Apple и свой собственный. Это единственные маячки, которые быстро сменяют свой Bluetooth-адрес, обеспечивая защиту от спуфинга. Благодаря такой защите злоумышленнику очень сложно узнать информацию о маячке или клонировать его. Если такая функция не обеспечивается на аппаратном уровне, то защита устройств ложится на плечи разработчика приложения. Поскольку Gimbal обладает механизмами защиты от спуфинга, эти маячки являются отличным решением в случаях, когда программные средства защиты недоступны.
Gimbal предлагает высококачественные маячки, генерирующие стабильный сигнал, но обладающие громоздким корпусом и малым временем жизни батарей. Несколько других производителей предлагают более длительную работу и меньший форм-фактор, предоставляя пользователям возможность свободно настраивать интервал опроса и другие параметры.
Техническая спецификация для маячков Gimbal доступна на сайте производителя.
В таблицах ниже показано время жизни батареи (в месяцах) для маячков Series 21 во время работы по стандарту Gimbal (рекомендованный режим для Series 21) и iBeacon. Время жизни батареи определяют интервал опроса и мощность передачи.
Сравнение идет по месяцам (значения в таблице)
Маячки Glimworm разработаны одноименной немецкой компанией. Они поставляются с чипсетом компании Texas Instruments и батареей (CR2450) емкостью 620 мАч. Техническая спецификация для маячков Glimworm доступна на сайте производителя.
HM-10 представляет собой UART-мост, способный работать с протоколом iBeacon. Этот модуль сделан для разработчиков как опытный комплект. Техническая спецификация.
За разработкой этих маячков стоит польская компания Kontakt.io. Kontakt зарождалась как компания, предлагающая устройства, помогающие ориентироваться в пространстве слепым и слабовидящим. Сегодня их маячки помогают всем слоям населения.
Они поставляются с чипсетом от Nordic и питаются от батареи (CR2477) емкостью 1000 мАч. Проведя несколько тестов, мы выяснили, что архитектура продукта отлично работает с этим чипсетом – большое расстояние передачи сигнала при относительно низком энергопотреблении.
Маячки можно настраивать с помощью приложения Kontakt или других приложений (поддержка открытых стандартов). Простота настройки Kontakt упрощает установку большого количества маячков.
Техническая спецификация.
В таблице ниже приведена зависимость времени жизни (в месяцах) батареи от двух переменных: интервала опроса и мощности передачи. Максимальное время жизни составило 35,7 месяцев (интервал опроса 900 мс, мощность сигнала -20 дБм). При установке самых жестких настроек время жизни батареи снизилось до 4,5 месяцев.
Сравнение идет по месяцам (значения в таблице)
Эти маячки разработаны американской компанией KST (KS Technologies). KST продает свое оборудование под маркой Particle. Они используют чипсет от Nordic и батареи (CR2032) емкостью 240 мАч.
Простота дизайна дает возможность легко настроить маячки под нужды продавца. KST работает по лицензии OEM, предлагая свои услуги под брендами других компаний, и зарегистрировала свое новое устройство с сертификатами FCC, IC и CE.
Техническая спецификация.
Маячки Lightcurb выполнены на основе чипсета Nordic и обеспечивают достойное время жизни батареи.
Маячки Minew разработаны китайской компанией Shenzhen Minew Technologies. Существует несколько реализаций этих маячков. Мы тестировали три варианта: MS54V3 с батареей CR 2477, i5 с двумя батареями CR 2477 и MS63/i3 с двумя батареями АА. Еще одним вариантом является MS56, но мы его не тестировали, поскольку он идентичен MS54V3, только имеет силиконовый корпус для работы вне помещений. Все маячки используют один и тот же чипсет от Texas Instruments с одинаковой прошивкой – отличаются только батареи.
Таблица ниже отражает время жизни батареи MS54V3 при различных настройках. Время жизни батарей i3 и i5 будет в два раза больше. Таблица показывает идеальное время жизни батареи (в месяцах) в зависимости от силы передачи (в дБмВт) и интервала опроса (в мс).
Сравнение идет по месяцам (значения в таблице)
Техническая спецификация для маячков Minew доступна на сайте производителя.
Таблица показывает идеальное время жизни батареи (в месяцах) в зависимости от силы передачи (в дБм) и интервала опроса (в мс). Отметим, что на момент тестирования эти маячки не позволяли изменить интервал опроса равный 100 мс и рекомендованный Apple. Однако теперь маячки MPact могут быть использованы в режиме iBeacon с частотой опроса 600 мс, обеспечивая время жизни батареи до 12 месяцев.
MPact предлагает платформу для управления маячками. Компания производит Wi-Fi точки доступа и объединяет все сервисы, связанные с навигацией, под эгидой MPact. Поскольку MPact является одной из немногих компаний, предлагающих не только Bluetooth-решения, мы выбрали эту платформу как готовую к работе на крупных производствах. Другие поставщики, Meraki и Aruba, предлагающие корпоративные решения, будут рассмотрены в следующей версии этого обзора. Техническая спецификация.
Radius Networks – это американская компания, владеющая маркой RadBeacon Tag. Эти маячки поставляются с чипсетом Nordic и батареей (CR2032) емкостью 240 мАч.
Мы тестировали вариант маячка, работающего от батарейки CR2032, но Radius Networks предлагают еще один – работающий от USB и носящий название RadBeacon USB. Питание по USB исключает необходимость замены батарей. Важно отметить, что этот вариант сложнее установить в больших помещениях – нужно установить розетки именно в тех местах, где установлены маячки.
Эти маячки разработаны компанией RECO (Южная Корея). Они поставляются с чипсетом Nordic и питаются от батареи (CR2450) емкостью 620 мАч. Техническая спецификация.
Эти маячки разработаны китайской компанией RedBearLab. Они поставляются с чипсетом Texas Instruments и питаются от двух батарей ААА суммарной емкостью 2000 мАч. Техническая спецификация.
Эти маячки разработаны американской компанией Roximity. Они поставляются с чипсетом Nordic и питаются от батареи (CR2032) емкостью 240 мАч. Техническая спецификация.
Эти маячки разработаны немецкой компанией Sensorberg. Они поставляются с чипсетом Texas Instruments и питаются от батареи (CR2450) емкостью 620 мАч.Техническая спецификация.
Эти маячки разработаны американской компанией Texas Instruments. Они поставляются с чипсетами компании и питаются от батареи (CR2032) емкостью 240 мАч. Техническая спецификация.
Эти маячки разработаны американской компанией tōd LLC. Они поставляются с чипсетами Bluegiga и питаются от батареи (CR2032) емкостью 240 мАч. Техническая спецификация.
Заключение
В данном обзоре мы провели тестирование маячков 26 самых крупных производителей, которые используют 5 вариантов чипсетов. После девяти месяцев долгих экспериментов с разным конфигурациями, типами батарей и настройками каждого маячка, мы наконец презентовали наши результаты:
- Самый стильный маячок: Estimote;
- Самый производительный: Kontakt;
- Готов для корпоративной работы: MPact;
- С защитой от спуфинга: Gimbal.
Сравнение времени жизни батарей (в месяцах) всех маячков приведено на графике ниже. Отметим, что некоторые маячки, такие как Gimbal и MPact, не позволяли изменять частоту опроса, поэтому время жизни их батарей нельзя сравнивать напрямую.
Стоит еще раз подчеркнуть: несмотря на всю популярность продуктов и разработок Apple, навигация внутри помещений не ограничивается использованием технологии iBeacon: существует и другие интересные решения, подходящие для разного круга задач, и поскольку в Navigine мы работаем с многими из них (наш репозиторий на GitHub), мы обязательно продолжим раскрывать эту тему в наших материалах и переводах.
