低功耗藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展研究

張化明

天津三星通信技術(shù)有限公司 天津 300385

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活質(zhì)量的提高，低功率藍(lán)牙技術(shù)越來越多的進(jìn)入到人們?nèi)粘Ｉ詈蜕a(chǎn)活動(dòng)當(dāng)中。應(yīng)用越來越廣泛的智能可穿戴設(shè)備，智能手表、智能手環(huán)、智能眼鏡等，大部分與智能手機(jī)綁定，通過藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。正在改變我們生活的智能家居，智能建筑乃至智能工業(yè)，處處可見藍(lán)牙通信的身影。而低功耗藍(lán)牙低待機(jī)功率和運(yùn)行功率的特點(diǎn)非常符合當(dāng)前的發(fā)展需求。

1 藍(lán)牙及具體分類

藍(lán)牙作為一種近距離通信技術(shù)，目前已大量應(yīng)用于各種移動(dòng)終端，物聯(lián)網(wǎng)，健康醫(yī)療，智能家居等行業(yè)，而藍(lán)牙模塊由于集成了藍(lán)牙協(xié)議棧，射頻部分和天線，因此也受到廣大設(shè)備廠家青睞，不但可以大大簡(jiǎn)化廠家產(chǎn)品設(shè)計(jì)，節(jié)省研發(fā)成本，而且加快新品上市時(shí)間，提高廠家市場(chǎng)占有率。但是目前藍(lán)牙模塊種類繁多，功能不一，價(jià)格也參差不一，如何選擇一款合適的藍(lán)牙模塊，卻成為各大廠家越來越關(guān)注的一個(gè)問題。

1.1 按版本來劃分

藍(lán)牙可分為經(jīng)典藍(lán)牙模塊（v1.1/1.2/2.0/2.1/3.0），低功耗藍(lán)牙模塊(v4.0/4.1/4.2)，以及藍(lán)牙雙模模塊（支持藍(lán)牙所有版本，兼容低功耗藍(lán)牙及經(jīng)典藍(lán)牙）。經(jīng)典藍(lán)牙支持音頻（HFP/HSP,A2DP）和數(shù)據(jù)（SPP,HID,OPP,PBAP等）兩大類協(xié)議，在音箱，耳機(jī)，汽車電子及傳統(tǒng)數(shù)傳行業(yè)，由于蘋果對(duì)經(jīng)典藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸接口有限制（需要過MFI認(rèn)證），加上功耗偏大，因此在目前移動(dòng)互聯(lián)應(yīng)用中慢慢地被淘汰。因此低功耗藍(lán)牙4.0順勢(shì)而出，由于可支持蘋果4S以上及安卓4.3系統(tǒng)以上的數(shù)據(jù)傳輸，且功耗極低，目前正在被越來越多的移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備所采用，但不支持音頻協(xié)議及受數(shù)據(jù)傳輸速度限制，其應(yīng)用也被限制在小數(shù)據(jù)傳輸行業(yè)。而藍(lán)牙雙模則是綜合了兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，既可以支持音頻傳輸，同樣可支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，并且兼容性也是兩者之和（安卓可不受系統(tǒng)限制，同樣支持蘋果4S以后的數(shù)據(jù)傳輸），在對(duì)功耗要求不苛刻的情況下，是比較理想的選擇。

1.2 按功能劃分

可分為數(shù)據(jù)模塊，音頻模塊及數(shù)據(jù)+音頻模塊。

1.3 按行業(yè)劃分

主要有藍(lán)牙音箱，汽車電子，移動(dòng)互聯(lián)，健康醫(yī)療，物聯(lián)網(wǎng)，智能家居等。

2 藍(lán)牙低功耗技術(shù)簡(jiǎn)介

從上世紀(jì)90年代藍(lán)牙技術(shù)出現(xiàn)并初步應(yīng)用，藍(lán)牙始終以更快的傳輸速率、更低的功耗為發(fā)展目標(biāo)。2010年左右藍(lán)牙技術(shù)有了兩個(gè)分支：傳統(tǒng)藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙。藍(lán)牙3.0及之前的版本稱為傳統(tǒng)藍(lán)牙，普遍用于藍(lán)牙耳機(jī)、音響、打印機(jī)等。從藍(lán)牙4.0后稱為低功耗藍(lán)牙，目前最新版本是藍(lán)牙5.0，主要用于對(duì)功耗指標(biāo)要求較高的電子設(shè)備。傳統(tǒng)藍(lán)牙設(shè)備在頻繁連接和斷開時(shí)進(jìn)行頻繁的重復(fù)配對(duì)，功耗難以下降，低功耗藍(lán)牙成功地解決了這些問題。低功耗藍(lán)牙引入了3個(gè)廣告信道，廣告信道分布在WLAN常用信道的邊緣區(qū)域，避免來自WLAN信號(hào)的同頻干擾。在建立藍(lán)牙連接時(shí)，相比傳統(tǒng)藍(lán)牙需要監(jiān)聽32個(gè)信道，低功耗藍(lán)牙只需要監(jiān)聽3個(gè)信道，因此理論響應(yīng)時(shí)間比傳統(tǒng)藍(lán)牙快10倍以上。甚至在進(jìn)行少量信息傳輸時(shí)，低功耗藍(lán)牙設(shè)備之間無需配對(duì)連接，可以直接在廣告信道上完成傳送[1]。

3 低功耗藍(lán)牙的功率模式

如果傳感器采用電池供電，功耗受限且必須持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間的話，BLE將成為最佳連接選擇。比如，一個(gè)測(cè)量溫度及濕度的低功耗傳感器，其參數(shù)是緩慢變化的，此類傳感器可以與能夠處理并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)設(shè)備的BLE集成型處理器連接。BLE子系統(tǒng)的操作頻率不高，例如每百毫秒一次，而且在其他時(shí)間處于低功耗模式。賽普拉斯PSoC4BLE等BLE型器件可提供多用戶可配置的功耗模式，從而優(yōu)化獨(dú)立于處理器工作模式的BLE子系統(tǒng)（BLESS）的運(yùn)行。使開發(fā)人員能夠降低功耗，并使單塊電池的使用壽命達(dá)到數(shù)年之久。這五種系統(tǒng)功率模式分別為：主動(dòng)、睡眠、深度睡眠、休眠和停止模式。三種BLESS功耗模式分別為主動(dòng)、睡眠和深度睡眠模式。BLESS模式在系統(tǒng)功率為1.3μA的深度睡眠模式下始終啟用。BLE子系統(tǒng)可以在BLESSActive模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。它能保持空閑狀態(tài)，并在BLESS睡眠模式和深度睡眠模式下維持連接。這些功耗模式獨(dú)立于系統(tǒng)的功耗模式，因此開發(fā)人員能夠靈活地為系統(tǒng)和BLESS分別選擇最高效的配置。在此基礎(chǔ)上，我們可以建立一個(gè)電流需求極低、通常由紐扣電池供電的完整系統(tǒng)[2]。例如，1s廣播間隔的平均耗電量只有26μA。而1s連接間隔的平均耗電量更低，只有17μA。更多有關(guān)功耗數(shù)值的詳細(xì)信息以及如何配置和降低功耗，參見低功耗藍(lán)牙應(yīng)用的低功率設(shè)計(jì)與電池壽命估算。

4 BLE藍(lán)牙協(xié)議棧結(jié)構(gòu)分析

BLE藍(lán)牙協(xié)議棧分為兩個(gè)部分，分別是控制器和主機(jī)?？刂破饔晌锢韺樱≒HY）、鏈路層（LL）、主機(jī)控制接口（HCI）組成。主機(jī)由邏輯鏈路控制及自適應(yīng)協(xié)議層（L2CAP）、安全管理層（SM）、屬性協(xié)議層（ATT）、通用訪問配置文件層（GAP）、通用屬性配置文件層（GATT）組成。具體的協(xié)議說明如下。

4.1 物理層

對(duì)于低功耗藍(lán)牙，其物理層運(yùn)行在2.4GHz全球通用的免許可證頻段，總共可使用40個(gè)頻道，頻道間隔為2MHz。

4.2 鏈路層

用于控制射頻設(shè)備的工作狀態(tài)，包括5種工作狀態(tài)：準(zhǔn)備、廣播、掃描、啟動(dòng)和連接。

4.3 主機(jī)控制接口

為主機(jī)和控制器之間的通信提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化的接口。

4.4 邏輯鏈路控制及自適應(yīng)協(xié)議層

用于為更高層提供數(shù)據(jù)封裝服務(wù)。

4.5 安全管理層

定義了配對(duì)和密鑰分發(fā)的方式，實(shí)現(xiàn)安全連接和數(shù)據(jù)交換。

4.6 屬性協(xié)議層

用于所有低功耗藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸，具有快速、簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

4.7 通用訪問配置文件層

是所有其他配置文件的基礎(chǔ)，定義了在BLE藍(lán)牙設(shè)備間建立系帶鏈路的通用方法，負(fù)責(zé)處理設(shè)備的接入方式和過程，包括設(shè)備發(fā)現(xiàn)、鏈路建立、啟動(dòng)安全功能以及設(shè)備配置。

4.8 通用屬性配置文件層

定義了使用ATT的服務(wù)框架和配置文件（pro?les）的結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于ATT層提供給用戶開發(fā)的接口。

5 傳感器和低功耗藍(lán)牙

傳感器可以大致分為模擬和數(shù)字兩種。典型的模擬傳感器包括用于監(jiān)測(cè)煙霧、氣體、環(huán)境光線、人員感應(yīng)等的傳感器。數(shù)字傳感器包括監(jiān)測(cè)溫度、濕度、壓力、加速度等的傳感器。當(dāng)BLE子系統(tǒng)與應(yīng)用處理器集成時(shí)，傳感器可以采用多種不同的方式進(jìn)行連接。例如，可以將模擬傳感器饋送到前端具有電壓輸出器的SARADC。數(shù)字傳感器不需要進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換，因此可以通過任何通信接口（如I2C、SPI或單線接口）采集數(shù)據(jù)。集成的定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、脈寬調(diào)制器和通用數(shù)字模塊（UDB）均可用于實(shí)現(xiàn)自定義邏輯以進(jìn)一步處理傳感器數(shù)據(jù)。最終，經(jīng)處理或所接收的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以通過BLE接口發(fā)送，并由內(nèi)置BLE功能的手機(jī)或任何其他客戶端設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)。隨著資源可用性和成本的不斷變化，可選擇不同系列的BLE集成處理器（如PSoC4BLE）以適應(yīng)各種應(yīng)用。

6 低功率藍(lán)牙與應(yīng)用

低功率藍(lán)牙中引入了新特性使得藍(lán)牙在日新月異的智能家居、醫(yī)療、可穿戴設(shè)備、汽車、信標(biāo)、定位等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。

在智能家居的應(yīng)用中，藍(lán)牙5.0不但會(huì)減少與其他無線通信技術(shù)的潛在干擾，更好的與終端設(shè)備進(jìn)行連接，還能進(jìn)行簡(jiǎn)單、安全、可靠的設(shè)備連接和互動(dòng)，增強(qiáng)連接設(shè)備的響應(yīng)速度和覆蓋范圍，從而極大的提高用戶的使用體驗(yàn)。

在智能工業(yè)的應(yīng)用中，對(duì)于通信的功耗和組網(wǎng)能力要求是比較高的，而設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸頻率和數(shù)據(jù)傳輸量卻比較少，所有低功耗藍(lán)牙的特性能夠很好地滿足智能工業(yè)組網(wǎng)的需求[3]。

7 結(jié)語

低功耗藍(lán)牙以其低功耗、廣覆蓋、大容量等特性能，夠?qū)崿F(xiàn)極低的待機(jī)和運(yùn)行功耗。對(duì)其應(yīng)用的領(lǐng)域可以滿足設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行、無人工干預(yù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸穩(wěn)定的要求。從藍(lán)牙設(shè)備的市場(chǎng)遞增勢(shì)頭可以預(yù)見，低功率藍(lán)牙技術(shù)也將會(huì)有廣闊的發(fā)展前景。