如何利用藍牙4.1為物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建低功耗無線鏈路

　　不僅在最新的可穿戴和健身設(shè)備方面，而且在將物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 中的設(shè)備與傳感器互連方面，最新藍牙技術(shù)都帶來不小的震動。

　　在提升藍牙直接鏈路的電源能效、簡化其使用方面，藍牙 4.0 實現(xiàn)了大跨越，而藍牙 4.1 則為該鏈路增加了更多的組網(wǎng)能力。 這使得用一部標(biāo)準(zhǔn)智能手機將許多設(shè)備連接在一起成為可能。

　　憑一塊電池就能讓嵌入式鏈路運行數(shù)年，這一功能自 2010 年以來一直推動者智能藍牙 4.0 的普及，而組網(wǎng)能力又使該功能在藍牙 4.1 于 2013 年批準(zhǔn)以來對 IoT 開發(fā)人員更具吸引力。 不過，這需要在設(shè)計過程中了解軟硬件方面的一些關(guān)鍵注意事項。 SIG 建議制造商在產(chǎn)品中立即采用藍牙 4.1，以充分利用新特性。 這樣，系統(tǒng)開發(fā)人員就會放心地采用由 Laird Wireless、BlueGiga Technologies、Panasonic 和 ConnectBlue 等制造商提供的現(xiàn)有 4.0 模塊，并在固件穩(wěn)定時升級至 4.1 版，實現(xiàn)魚和熊掌兼得。

　　使用藍牙 4.1 規(guī)范時，已沒有必要發(fā)布強制性特性聲明，這在藍牙 2.0 + EDR 被采用以來還屬首次。 但是，需要制造商們執(zhí)行有關(guān)藍牙 4.1 的全部勘誤，從而符合該規(guī)范要求。 僅具有低功耗特性的設(shè)備（智能藍牙品牌）會向后兼容同樣具有低功耗特性的藍牙 4.0 設(shè)備。

　　低功耗藍牙（4.0 版，也稱作智能藍牙）采用與前代“傳統(tǒng)藍牙”相同的 2.4 GHz ISM 頻帶，但采用了更簡單的高斯頻移協(xié)議來降低功耗。 此外，還采用了較小的 2 MHz 信道和直接序列擴頻 （DSSS） 調(diào)制功能。

　　這種不同信道和不同調(diào)制功能的組合意味著無法直接兼容 LE 和傳統(tǒng)規(guī)范。 然而，這對開發(fā)人員來說不是問題，因為獲得藍牙兼容性認(rèn)證的所有芯片和模塊都能在適用于舊設(shè)備的傳統(tǒng)藍牙模式或具有 DSSS 功能的智能藍牙模式下工作。

　　藍牙 4.0 和 4.1 通過采用四十個 2 MHz 信道獲得低功耗優(yōu)勢，達到 1 Mbit/s 鏈路比特率和 270 kbit/s 應(yīng)用吞吐率。 盡管這些指標(biāo)低于傳統(tǒng)藍牙，但將延遲由 100 ms 縮短至 6 ms，彌補了應(yīng)用比特率方面的不足，因為這樣能更快地響應(yīng)數(shù)據(jù)請求或者發(fā)送控制信號，故而對于組網(wǎng)和實施 IoT 顯得更為重要。

　　最大傳輸功耗也降至 10 mW，覆蓋距離縮短至 50 m 以內(nèi)，因此適合許多 IoT 應(yīng)用。 藍牙 4.1 能讓設(shè)備同時支持多種功能角色，這樣，智能藍牙型產(chǎn)品可同時作為集線器和外設(shè)。 藍牙技術(shù)可與其它無線技術(shù)共存，值得注意的便是同在 2.4 GHz 頻段的 Wi-Fi 技術(shù)，這種共存性已經(jīng)得到改進并增加了專用信道，也正是這些技術(shù)使得 IoT 應(yīng)用成為現(xiàn)實。

　　這種共存性源自邏輯鏈路控制及自適應(yīng)架構(gòu) （L2CAP），它利用 64 KB 信息包支持 IoT 所需的更高級別協(xié)議多路復(fù)用、信息包分割和重新組合、信息服務(wù)質(zhì)量。 這一架構(gòu)基于每個終端均具有信道識別符 （CID） 的多個信道。 CID 分配與特定設(shè)備有關(guān)，一個設(shè)備能夠獨立地從其它設(shè)備分配 CID，因而易于在網(wǎng)絡(luò)中添加設(shè)備。 于是，我們可以把多個設(shè)備添加到菊花鏈中，簡化了設(shè)置。

　　圖 1：用于智能藍牙 4.1 的 L2CAP 信道架構(gòu)可實現(xiàn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)控制，擴大物聯(lián)網(wǎng)范圍。

　　還有更多針對用戶的支持功能。 藍牙 4.1 支持自動重新連接，因此用戶進入房間時會重新連接。 此外，藍牙 4.1 還支持?jǐn)?shù)據(jù)批量傳輸、鏈路設(shè)置和下載大型文件，而不再是保持穩(wěn)定連接。

　　通用屬性配置規(guī)范 （GATT） 是將利用藍牙 4.1 擴展的其中之一。 這些屬性規(guī)范在操作系統(tǒng)中提供了一個客戶服務(wù)器應(yīng)用編程接口 （API），以及服務(wù)、特性和描述符。

　　這些 GATT 用于處理當(dāng)前應(yīng)用的數(shù)據(jù)，如血壓、心率、體溫計、接近和找到我 （Find Me） 功能。 IoT 應(yīng)用的新規(guī)范將會采用不同的方式匯集數(shù)據(jù)。

　　服務(wù)屬性、特性和描述符將由通用識別符 （UUID） 集中識別。 藍牙 SIG 為標(biāo)準(zhǔn)屬性預(yù)留了一些列 UUID（其格式為 xxxxxxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB），這些通用識別符在規(guī)范中采用 16 位或 32 位短格式值表示，而非 128 位，以保持較小代碼長度并減少復(fù)雜性。

　　GATT 規(guī)范為客戶提供了大量命令，用于發(fā)現(xiàn)與服務(wù)器有關(guān)的信息。 具體包括，發(fā)現(xiàn)所有主要服務(wù)的 UUID，用已知 UUID 查找服務(wù)，然后發(fā)現(xiàn)輔助服務(wù)，以及為已知服務(wù)查找全部特性。 所有這些均屬于 IoT 應(yīng)用規(guī)范。

　　指令通過 GATT 發(fā)出，用于將有關(guān)特性的數(shù)據(jù)從服務(wù)器傳輸至客戶端（“讀取”），以及從客戶端傳輸至服務(wù)器（“寫入”）。 讀取某個值時，可通過指定該特性的 UUID 或者由一個句柄值完成，該值來自信息發(fā)現(xiàn)指令。 寫操作始終會通過句柄識別特性，但都可以選擇是否需要服務(wù)器做出響應(yīng)。

　　GATT 也發(fā)出這種通知和指示，這是 IoT 鏈路的關(guān)鍵部分。 客戶端可為來自服務(wù)器的特定特性請求一個通知，然后，只要相關(guān)的值進入有效狀態(tài)，服務(wù)器就會將其發(fā)送至客戶端。 例如，一臺設(shè)備上的溫度傳感器服務(wù)器會在每次測量時通知其客戶端。 這樣可避免客戶端對服務(wù)器進行輪詢，從而省去了常規(guī)無線鏈路。 除需要客戶端做出響應(yīng)，用于確認(rèn)客戶端收到該信息外，指示和通知類似。

　　芯片和模塊制造商正在 GATT 頂端增加多個層級，讓系統(tǒng)開發(fā)人員利用這些規(guī)范開發(fā)自己的軟件。 這樣，在使用藍牙 4.0 和藍牙 4.1 的現(xiàn)有全部芯片和模塊升級系統(tǒng)后，軟件還能與之兼容。

　　Laird Wireless 等模塊制造商正在消除這種復(fù)雜性，它們在使用如 BT800 等藍牙 4.0 模塊，并開發(fā)能在這些模塊上支持藍牙 4.1 的固件。 BT800 采用由 CSR 提供、帶有天線和接口的收發(fā)器，輸出功率為 8 dBm，在 8.5 mm x 13 mm 的緊湊基底面內(nèi)集成了全部功能。 該模塊包含了支持 BLE 應(yīng)用開發(fā)所需的全部硬件和固件，包括用于連接外設(shè)和傳感器的 UART、SPI、I2C、ADC 和 GPIO 接口。 利用這些接口連接單線、雙線或者多線鏈路會相對簡單。

　　圖 2：利用 Laird Wireless 的 BT800 智能藍牙雙模式模塊，能很容易在現(xiàn)有設(shè)計中添加藍牙 4.1 連接功能，進而升級至藍牙 4.1。

　　Laird 增加了一種可使模塊獨立運行的事件驅(qū)動型編程語言，因此能通過任何接口直接連接傳感器，而不必依賴外部處理器。 一個簡單的 smartBASIC 應(yīng)用包含了從傳感器數(shù)據(jù)讀取、寫入和處理，到再利用智能藍牙將其傳輸至任何藍牙 4.1 設(shè)備的全部端到端過程。

　　同時，CSR 也會采用不同的方法來實現(xiàn) IoT 組網(wǎng)，而且模塊制造商也可以使用這些網(wǎng)絡(luò)。 盡管藍牙 4.1 能提供從智能手機到其外設(shè)的八到十個獨立鏈路，構(gòu)建個人局域網(wǎng)或者菊花鏈鏈路，但 CSR 開發(fā)出了位于藍牙 4.0 協(xié)議棧頂層的固件，用于控制網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中數(shù)量多達 65，000 個的設(shè)備。

　　這種具有潛在顛覆性的技術(shù)把智能手機置于 IoT 的核心。 CSR Mesh 網(wǎng)幾乎能讓無限個支持智能藍牙的設(shè)備簡單地連接在一起，并由一部手機、一臺平板電腦或者 PC 直接控制。

　　針對智能家庭和 IoT 應(yīng)用進行了優(yōu)化的解決方案，將一個配置和控制協(xié)議與 CSR 認(rèn)可的智能藍牙設(shè)備組合在一起，其中包括 CSR101x 和 CSR8811。 用戶利用這一解決方案，無論在什么位置，都能控制自己家中任何一個支持智能藍牙的設(shè)備，如照明、供熱和安防系統(tǒng)。 在用戶體驗過程中，基于該協(xié)議的解決方案不需要復(fù)雜的設(shè)置、配對或者使用如路由器等接入設(shè)備，這一點至關(guān)重要。

　　不同于其他家庭自動化連接解決方案，CSR Mesh 網(wǎng)能保證在家中的任何地方都能利用移動設(shè)備直接控制，因為既沒有網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍限制，也不需要集線器。 開發(fā)人員不必使用專有解決方案或添加其他任何東西，就能構(gòu)建無需復(fù)雜配置即可輕松工作的產(chǎn)品。

　　CSR Mesh 網(wǎng)協(xié)議采用智能藍牙中的一種模式向網(wǎng)絡(luò)中的其它藍牙設(shè)備發(fā)送信息。 這些信息可發(fā)送至一個設(shè)備或者一組設(shè)備。 一臺設(shè)備也可以屬于多個設(shè)備組。 具體控制由支持智能藍牙的電器（如燈具開關(guān)）或者由現(xiàn)在的大部分手機或平板電腦完成。

　　為保證開發(fā)人員讓自己的產(chǎn)品迅速面市，CSR 將發(fā)布針對用戶的開發(fā)套件。 該套件將提供安卓和 iOS 應(yīng)用源代碼以及獲取 CSR Mesh 網(wǎng)的二進制庫權(quán)限。

　　軟件不使用藍牙 4.1 的特性，而是通過擴展藍牙 4.0 來覆蓋一個網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 這是一個泛洪網(wǎng)狀網(wǎng)，非路由式網(wǎng)狀網(wǎng)，因此所有設(shè)備可作為網(wǎng)絡(luò)中的一員接入，向其它節(jié)點傳送信息。 也就是說，這對于用戶設(shè)置極為簡單，因為該規(guī)范能自動處理信息傳送任務(wù)。 信息的原始發(fā)送設(shè)備可在網(wǎng)中任何位置，然后該信息被轉(zhuǎn)發(fā)至覆蓋范圍以外的節(jié)點；為解決飽和和競爭問題，該協(xié)議包含了特性的年齡和轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)。

　　盡管藍牙 4.1 可同時支持主、從模式，但仍需用戶自己管理這些連接，且這些連接將在控制較小的或者核心的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)時發(fā)揮作用。 這項技術(shù)中沒有那些限制 - 連接管理工作已降至很少

　　該標(biāo)準(zhǔn)將尋址、分組、關(guān)聯(lián)和安全功能全部內(nèi)置到數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)中。 這類似于 IPv4，不過為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)本身提供了獨立的地址字段。 這使得該標(biāo)準(zhǔn)在簡單的傳感器信息、指令和控制總量方面遠少于 IPv4。 目前，這項功能為 CSR 獨有，并且我們正與主要客戶和合作伙伴通過開源方式或者藍牙 SIG 進行功能標(biāo)準(zhǔn)化。

　　通過讓一組工程師布置五十個 LED 燈泡并攜帶 Android 智能手機進入，CSR 證實網(wǎng)狀網(wǎng)可直接由智能手機控制。 沒有經(jīng)過正常的配置，但他們能控制這個照明網(wǎng)。

　　CSR 還提供一整套軟件開發(fā)工具， 以支持使用其芯片的板設(shè)計和生產(chǎn)測試。 該工具組合了 USB 編程接口和用于斷開特定應(yīng)用型傳感器和致動器 I/O 的接口。 這種全許可型 CSR xIDE 軟件開發(fā)環(huán)境包括了各種應(yīng)用以簡化項目，具體如針對常見智能藍牙規(guī)范的示例應(yīng)用以及針對 iOS 和 Android 智能手機的主機應(yīng)用。 目標(biāo)板通常由主機 USB 連接供電，但也能以板載鈕扣電池為電源獨立工作，以便進行功率測量。

　　圖 3：CSR 智能藍牙開發(fā)系統(tǒng)允許開發(fā)人員在藍牙 GATT 層頂端添加自己的功能。

　　將模塊集成到設(shè)計中相對容易，不過在使用電池向這些設(shè)備供電時需要做出幾項關(guān)鍵選擇。 這有助于普及采用藍牙 4.1 的 IoT 應(yīng)用，因為我們可以在現(xiàn)有設(shè)計中輕松添加模塊。

　　來自 BlueGiga 的 BLE112 模塊采用 Texas Instruments 的藍牙 4.0 收發(fā)器，可直接由鈕扣電池供電。 由于鈕扣電池具有相對較高的內(nèi)阻，因此建議在該電池上并聯(lián)一個 100 μF 電容器。 鈕扣電池的內(nèi)阻初始值在 10 Ω 以內(nèi)，但會隨著容量的使用而急劇增大。

　　電容值越高，電池的有效容量就越高，且應(yīng)用的使用壽命越長。 電容器的最小值取決于終端應(yīng)用和所用的最高傳輸功率。 一個 100 μF 電容器的漏泄電流為 0.5 μA 至 3 μA，一般情況下，陶瓷電容器的漏泄電流低于鉭電容器或者鋁電解電容器。

　　圖 4：BlueGiga 的 BLE112 智能藍牙模塊。 在電池上并聯(lián)電容器會延長電池壽命。

　　在傳輸或接收操作以及數(shù)據(jù)處理期間，通過使用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器來減少電流消耗則是另一種選擇。 具有旁通模式的超低功耗 DC/DC 轉(zhuǎn)換器能在傳輸期間減少電流消耗約 20% 并延長 3 V 鈕扣電池的使用壽命。

　　總結(jié)

　　在藍牙標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展過程中，增加智能藍牙 4.1 看起來只是其中的一小步，但卻極有可能推動一些重大變革。 設(shè)備、模塊和系統(tǒng)開發(fā)人員的著眼點在于——僅在幾乎是人人都有的智能手機控制下，讓藍牙 4.0 和 4.1 為廣泛的低成本設(shè)備提供尖端的低功耗組網(wǎng)能力。 將現(xiàn)成的終端接入由各種設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)是一個巨大優(yōu)勢，無論通過藍牙 4.1 信道還是藍牙 4.0 頂層網(wǎng)絡(luò)，智能藍牙技術(shù)將注定成為物聯(lián)網(wǎng)的一項重大技術(shù)。