如何構(gòu)建下一代藍牙信標(biāo)？藍牙5的廣播擴展功能

廣播擴展雖然不是藍牙5的重點特性，但其功能可以帶來更大潛力。這個于2016年推出的新版本標(biāo)準(zhǔn)允許在低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy/Bluetooth LE)技術(shù)的三個主要廣播信道上傳輸?shù)?a target="_blank">信息卸載到(全寬)數(shù)據(jù)信道上，這項技術(shù)還能夠?qū)V播包進行鏈接，把廣播數(shù)據(jù)有效載荷提高到最大255字節(jié)。

藍牙5還引入了定期廣播功能，通過無連接廣播將數(shù)據(jù)包以固定間隔發(fā)送到同步的設(shè)備，配合藍牙5標(biāo)準(zhǔn)增加(8倍)的廣播容量，進一步增強了這項功能。

這些新功能以及藍牙5智能手機的推出，鼓勵開發(fā)人員提供零售和室內(nèi)定位信標(biāo)應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序在新版本推出之前是不切實際的。新一代經(jīng)濟高效、超低功耗且功能強大的系統(tǒng)級芯片(SoC)、開發(fā)工具、應(yīng)用示例和參考設(shè)計使得開發(fā)人員更輕易利用這個協(xié)議增強功能。

信標(biāo)發(fā)展

低功耗藍牙版本4.0、4.1和4.2支持的基本信標(biāo)技術(shù)定義了一種簡單服務(wù)，能夠有效地使用完整藍牙交換功能的其中一面。藍牙設(shè)備發(fā)送定期廣播(“發(fā)現(xiàn)”)消息，該消息邀請其它設(shè)備啟動配對和隨后的數(shù)據(jù)交換。比較之下，信標(biāo)的廣播消息包含保留的地址，該地址將其識別為不請求配對，隨后便是一個可以直接操作、固定長度的 “有效載荷” 短數(shù)據(jù)。

在零售應(yīng)用中，消費者在接近時自動接收短信標(biāo)通信，但是，由于數(shù)據(jù)包最大只有31字節(jié)，使得在這種“無連接”廣播中可以傳輸?shù)男畔⒘渴艿胶艽笙拗啤?/p>

例如，現(xiàn)在的藍牙5技術(shù)容許零售商使用通過廣播擴展功能啟用的鏈?zhǔn)?55字節(jié)數(shù)據(jù)包，直接傳達有關(guān)特價或新產(chǎn)品的特定信息，而不是只能向智能手機發(fā)送一個消費者必須訪問才可以獲取更多信息的URL鏈接。另外，室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用變得更加實用和普及，因為消費者不需要安裝特定應(yīng)用程序或設(shè)置連接才可以接收基于位置的信息。

藍牙5的廣播擴展功能

低功耗藍牙在83MHz寬度2.4GHz ISM頻譜分配中使用40×2MHz信道。其中，三個是專用的主要廣播信道(37(2402MHz)、38(2426MHz)和39(2480MHz))，而其余37個信道(0到36)一旦連接，通常用于數(shù)據(jù)信道傳輸。

設(shè)備使用廣播信道，通過向范圍內(nèi)的任何“觀察者”設(shè)備廣播信息來“宣傳”其存在，觀察者設(shè)備“發(fā)現(xiàn)”廣播設(shè)備，并且可以在沒有正式連接的情況下接收其發(fā)送的信息。

藍牙5技術(shù)具有較長的數(shù)據(jù)包和較低的傳播速率(例如125kbit/s)，同時采用擴展范圍操作，有可能導(dǎo)致三個廣播信道變得擁擠，這可能是信標(biāo)等應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)，因為這些設(shè)備通常使用這些廣播信道向附近的智能手機發(fā)送信息。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中包括的廣播擴展功能用于解決這個難題?，F(xiàn)在，廣播信息作為廣播數(shù)據(jù)包，通過三個主要信道中的一個、兩個或全部來發(fā)送。如果出現(xiàn)額外的數(shù)據(jù)包，通過將它們“卸載”到正常數(shù)據(jù)信道(而后充當(dāng)“次要”廣播信道)來容納。更好的是，廣播擴展功能可以“鏈接”廣播包以允許高達255字節(jié)的更大廣播數(shù)據(jù)有效載荷(圖1)。

此外，廣播擴展還帶來了定期廣播功能。該功能包括通過“無連接”廣播以固定間隔發(fā)送信息到同步的設(shè)備。通過使用定期廣播，掃描設(shè)備可以更一致地“關(guān)注”廣播者并更頻繁地監(jiān)視其更新。無連接廣播得到進一步提升，因為與先前的技術(shù)版本相比，藍牙5的廣播容量高出八倍。(連接設(shè)備還可以利用這些增強功能發(fā)送更多數(shù)據(jù)，并允許使用次要廣播信道進行連接(再次釋放主要廣播信道))。

圖1：在藍牙5面世之前，廣播數(shù)據(jù)包僅限于藍牙的三個廣播信道，忙碌的使用帶來擁堵風(fēng)險。利用廣播擴展功能，可以將廣播數(shù)據(jù)包卸載到充當(dāng)次要廣播信道的正常數(shù)據(jù)信道。

藍牙5的廣播擴展功能也推動了針對確定位置的應(yīng)用的開發(fā)工作(這是日益流行的應(yīng)用，通過了解移動實體的位置來實現(xiàn)人和資產(chǎn)的跟蹤)。通過使用接收信號強度指示(RSSI)來估計從信標(biāo)到接收器的距離，可以實現(xiàn)定位。知道發(fā)射信號的強度以及它隨距離減小的速率，能夠進行簡單的計算，得出接收器與信標(biāo)之間的距離。在指定區(qū)域內(nèi)，信標(biāo)信號強度可以經(jīng)過映射處理成為一張地圖，并且這張地圖 (有時稱為簽名)可以傳送到智能手機的應(yīng)用程序。

例如，位于北京的北京升哲科技有限公司推出了云子產(chǎn)品，這是符合Apple iBeacon?規(guī)格的信標(biāo) (圖2)，這個信標(biāo)包含多個傳感器，包括用于跟蹤信標(biāo)運動的加速計，以及光和溫度傳感器。信標(biāo)可用于觸發(fā)智能手機接近通知，識別其所連接的對象是否正在移動，以及廣播其周圍環(huán)境的光和溫度信息。

圖2：北京升哲科技有限公司的云子信標(biāo)符合Apple iBeacon?規(guī)范，可以放置在任何位置或附加到任何物品，用于廣播基于位置的相關(guān)數(shù)據(jù)。

日本富士通公司推出了一系列符合Apple iBeacon?和Google Eddystone?格式的信標(biāo)產(chǎn)品，共有三種型號，均具有嵌入式加速計和溫度傳感器，以跟蹤信標(biāo)的精確運動并為用戶提供環(huán)境反饋。

開始使用藍牙5信標(biāo)

雖然市場上有許多用于無線產(chǎn)品實施方案的低功耗藍牙 SoC器件，但考慮到現(xiàn)今復(fù)雜信標(biāo)應(yīng)用的特定需求時，合適的選擇便會減少。這些要求包括：

符合藍牙5核心規(guī)范;

成熟且經(jīng)過驗證的RF協(xié)議軟件堆棧

Apple iBeacon?和Google Eddystone?合規(guī)性

低功耗(延長電池壽命)以最大限度地減少維護，尤其是在高節(jié)點數(shù)安裝應(yīng)用中

通過高鏈路預(yù)算(發(fā)射器輸出功率+接收器靈敏度(dBm))確保良好的范圍和連接穩(wěn)健性

用于應(yīng)用和協(xié)議無線(OTA)更新支持(通過定期固件修訂延長產(chǎn)品的使用壽命)的Flash內(nèi)存

小體積，適合緊湊型設(shè)計

具有足夠的開銷來運行堆棧和應(yīng)用程序的嵌入式Arm控制器

高性價比

成熟且易于使用的開發(fā)工具

具有良好RF性能的硬件參考設(shè)計

良好的技術(shù)支持，包括興旺的開發(fā)者論壇

Nordic半導(dǎo)體在2012年推出nRF51產(chǎn)品系列，率先設(shè)計和開發(fā)了低功耗藍牙 SoC器件，其后繼續(xù)推出nRF52系列產(chǎn)品。例如最近推出的nRF52810 SoC，這是符合藍牙5標(biāo)準(zhǔn)的芯片，帶有具有良好計算能力的64MHz、32位Arm Cortex M4微控制器，100dBm鏈路預(yù)算2.4GHz多協(xié)議無線電，以及分別為4.6mA(輸出功率為0dBm)和4.6mA(吞吐量為1Mbps)的峰值Tx和Rx功耗以提供長電池壽命。

nRF52810 SoC是Nordic的入門級藍牙5/低功耗藍牙產(chǎn)品，可降低信標(biāo)應(yīng)用材料清單(BoM)成本。這款SoC器件繼承了nRF52系列SoC器件的高性能。nRF52810 SoC集成了196kB Flash和24kB RAM。內(nèi)存配置足以運行典型的高容量、低成本應(yīng)用程序代碼，并支持OTA固件更新。這款SoC器件采用帶有32個GPIO 的6×6mm 48引腳QFN封裝，或者采用帶有16個GPIO 的5×5mm 32引腳QFN封裝。

對于沒有RF硬件設(shè)計經(jīng)驗的開發(fā)人員來說，另一種方法是以開發(fā)套件(DK)的形式投資經(jīng)過組裝和測試的硬件，大多數(shù)芯片制造商提供此類產(chǎn)品。就這部分而言，Nordic提供nRF52開發(fā)套件(DK)，可以連接到PC或Mac上用于開發(fā)，并構(gòu)成使用nRF52810 SoC進行信標(biāo)產(chǎn)品原型設(shè)計所需的全部硬件(圖2)。

圖3：Nordic的nRF52開發(fā)套件包括使用nRF52810 SoC構(gòu)建信標(biāo)設(shè)計原型產(chǎn)品所需的全部硬件。

這個DK通過連接器提供針對SoC所有I/O和接口的直接訪問，并且包括四個用戶可編程LED和按鈕。這個DK的另一個方便功能就是與Arduino Uno(修訂版3)標(biāo)準(zhǔn)硬件兼容，可以使用眾多商用第三方盾中來增強功能。

創(chuàng)建應(yīng)用程序代碼

雖然低功耗藍牙 SoC供應(yīng)商在開發(fā)方面各師各法，但他們的軟件都基于工廠提供的藍牙5/低功耗藍牙 RF協(xié)議棧。開發(fā)人員的任務(wù)是為其信標(biāo)設(shè)計編寫應(yīng)用程序代碼。這需要克服一些挑戰(zhàn)：藍牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)沒有制訂用于信標(biāo)的“規(guī)范(Profile)”(經(jīng)過測試和驗證的應(yīng)用軟件)；在信標(biāo)通信中，廣播信道的使用方法與其它低功耗藍牙應(yīng)用不同，即不建立配對，而是直接向范圍內(nèi)的設(shè)備廣播數(shù)據(jù)；此外，應(yīng)用程序代碼需要遵守Apple iBeacon?和Google Eddystone?規(guī)范，以確保與Apple和安卓手機的互操作性。如果沒有適當(dāng)?shù)墓芾?，在?yīng)用程序代碼編譯期間，供應(yīng)商的低功耗藍牙協(xié)議?？赡軙黄茐?，從而延長調(diào)試過程。

Nordic的低功耗藍牙設(shè)計方法是從開發(fā)人員那里簡化這種復(fù)雜性，這種方法的關(guān)鍵是該公司獨特的軟件架構(gòu)，它將Nordic的RF協(xié)議棧(稱為“堆?！?與應(yīng)用程序代碼完全分開，這種方法意味著開發(fā)人員可以專注于應(yīng)用程序代碼的質(zhì)量，因為他們安心知道堆棧在設(shè)計過程中不會被破壞。在編譯期間，開發(fā)工具負責(zé)管理Nordic RF協(xié)議棧與應(yīng)用程序代碼之間的鏈接，并且保持高效可靠的堆棧操作的關(guān)鍵依賴性(圖4)。

圖4：在開發(fā)和運行期間，Nordic的堆棧(圖中為低功耗藍牙版本)和客戶應(yīng)用程序代碼保持分離。

Nordic DK的主機低功耗藍牙 SoC在交付時是空白的，所需堆棧的預(yù)編譯二進制文件從Nordic的網(wǎng)站上下載，并使用nRF Connect無縫移植到DK的SoC上。nRF Connect是Nordic的跨平臺工具，可以通過低功耗藍牙進行測試和開發(fā)(nRF Connect提供桌面和移動版本，允許開發(fā)人員使用低功耗藍牙連接，分別從PC或智能手機與其原型構(gòu)建產(chǎn)品進行通信)。對于使用nRF52810 SoC的信標(biāo)應(yīng)用，推薦使用S112 堆棧，僅占用100kB Flash內(nèi)存，這是用于構(gòu)建信標(biāo)等高性能低功耗藍牙應(yīng)用的藍牙5兼容協(xié)議棧。

使用Nordic技術(shù)時，應(yīng)用軟件開發(fā)人員需要三個基本工具，第一個是帶有Nordic支持的編譯器的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)(例如SEGGER Embedded Studio、MDK-ARM Keil、GNU/GCC或IAR(所有這些IDE均支持Windows，但只有SEGGER和GNU/GCC同時支持Linux和OSX))。

開發(fā)人員還需要使用Nordic的nRF5軟件DK (SDK)和nRF5x命令行工具。為了減低信標(biāo)應(yīng)用程序代碼開發(fā)的復(fù)雜性，nRF5 SDK包含軟件示例、源文件和其它有用的開發(fā)項目。

重振信標(biāo)應(yīng)用

藍牙4,4.1和4.2以及Apple和Google信標(biāo)規(guī)范鼓勵開發(fā)人員為機場、博物館和畫廊等公共場所提供零售和定位應(yīng)用的早期設(shè)計。但是，在這些版本的核心規(guī)范中，廣播信道的受限有效載荷可能會限制創(chuàng)新。藍牙5技術(shù)的廣播擴展功能可以實現(xiàn)先前無法達成的零售和室內(nèi)導(dǎo)航信標(biāo)應(yīng)用，從而重振信標(biāo)行業(yè)。

對于缺乏經(jīng)驗的開發(fā)人員來說，利用這個協(xié)議增強功能似乎十分困難。不過，通過與Nordic半導(dǎo)體等成熟的低功耗藍牙供應(yīng)商合作，可以簡化成功實施信標(biāo)應(yīng)用的過程。

然而，與所有的工程設(shè)計一樣，事情有時會變得困難，特別是對于首次發(fā)開信標(biāo)應(yīng)用程序的開發(fā)人員而言。好消息是，無線設(shè)計社群內(nèi)有許多先鋒，并且樂意分享經(jīng)驗。例如，Nordic的DevZone開發(fā)社區(qū)云集了25,000名設(shè)計人員，他們很可能可解決十分棘手的信標(biāo)設(shè)計問題。

關(guān)于作者

John Leonard是Nordic半導(dǎo)體的產(chǎn)品營銷經(jīng)理，他在英國樸次茅斯大學(xué)獲得電子與計算機學(xué)士學(xué)位(榮譽學(xué)位)。Leonard擁有豐富的Nordic產(chǎn)品和技術(shù)經(jīng)驗，并曾擔(dān)任該公司的現(xiàn)場應(yīng)用工程師和銷售工程師。他目前的職責(zé)是產(chǎn)品管理團隊成員，確保交付所有與產(chǎn)品發(fā)布相關(guān)的內(nèi)容，包括IC、開發(fā)工具、文檔和培訓(xùn)。