如何快速實現(xiàn)BLE信標

藍牙信標支持基于鄰近的上下文感知，但在產(chǎn)品上實施信標可能會帶來一些有趣的設(shè)計和開發(fā)挑戰(zhàn)。首先，沒有官方的藍牙特別興趣組(SIG)信標標準;相反，一些偽標準正在出現(xiàn)。然后是范圍確定、對整體功率預(yù)算的影響以及確保安全性的問題。

在定義了信標并簡要介紹了來自 Apple、Google 和 Radius Networks 的競爭信標方法之后，我們將討論如何最好地實施信標以應(yīng)對這些設(shè)計挑戰(zhàn)。

什么是信標?

信標是一種小型、電池供電的無線設(shè)備，它使用低功耗藍牙 (BLE) 來宣傳其存在和服務(wù)。它通過向其附近的兼容設(shè)備(例如智能手機)廣播(廣告)信標標識符來做到這一點。該標識符還包含少量可自定義的嵌入數(shù)據(jù)。例如，智能手機上的 BLE 掃描儀會定期掃描廣告數(shù)據(jù)包，然后對其進行解碼以確定信標設(shè)備的位置和服務(wù)并進行相應(yīng)的交互。

新興的偽標準利用了 BLE 的一些原生設(shè)施和藍牙的廣泛使用。比較突出的是 Apple 的 iBeacon、Google 的開源 Eddystone 和 Radius Networks 的 AltBeacon(參見表 1)。

表 1：操作系統(tǒng)對 BLE 技術(shù)和信標偽標準的支持。

接近感知應(yīng)用程序依賴于知道哪些信標在附近。但是信標的 RF 范圍可以從 <1 米到 500 m 不等，具體取決于發(fā)射功率，因此僅根據(jù)接收信標標識符數(shù)據(jù)包來確定接近度是不切實際的。在實踐中，通過將信標的廣告數(shù)據(jù)包中校準的發(fā)射功率數(shù)字與接收信號強度指示器 (RSSI) 進行比較來近似距離。環(huán)境和其他因素會影響信號強度，但對于接近應(yīng)用來說，大致距離通常就足夠了。藍牙規(guī)范的未來版本可能會包含多天線到達角 (AoA) 和出發(fā)角 (AoD) 功能，以準確確定另一個藍牙設(shè)備的空間位置。 信標服務(wù)和數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu) 一個信標可以包括多個服務(wù)。當需要廣告服務(wù)時，其通用唯一標識符 (UUID) 會在設(shè)備的廣告數(shù)據(jù)包中廣播。隨后，當藍牙掃描儀接收到廣告數(shù)據(jù)包時，操作系統(tǒng)會將 UUID 注冊到特定的應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序會執(zhí)行后續(xù)操作。

廣告和數(shù)據(jù)包的格式相同(圖1)。信標遵循標準的廣告數(shù)據(jù)包格式，并將數(shù)據(jù)有效負載嵌入到偽標準的預(yù)定義結(jié)構(gòu)中。這允許操作系統(tǒng)將信標的廣告數(shù)據(jù)包與其他藍牙廣告數(shù)據(jù)包區(qū)別對待。

圖 1：數(shù)據(jù)包和廣告包的 BLE 包格式相同。

BLE 設(shè)備以可選的時間間隔傳輸廣告數(shù)據(jù)包，從 20 毫秒到幾分鐘不等。每次設(shè)備發(fā)布廣告時，都會在所有三個廣告通道上發(fā)送相同的數(shù)據(jù)包，這使得掃描儀更有可能將其拾取。

在廣告包中，數(shù)據(jù)有效載荷被構(gòu)造為一個或多個(長度、類型、數(shù)據(jù))三元組。長度字段定義后續(xù)類型和數(shù)據(jù)字段的組合大小。其后是類型字段，它指定數(shù)據(jù)是名稱、服務(wù) UUID、通用資源標識符 (URI) 還是許多其他已定義數(shù)據(jù)類型之一。接下來是數(shù)據(jù)包。

傳輸單個信標數(shù)據(jù)包最多可能需要 376 μs，但可能會更短，具體取決于偽標準，并且發(fā)生這種情況的頻率是功耗和可接受的應(yīng)用程序延遲之間的權(quán)衡。

設(shè)計信標產(chǎn)品的注意事項

在其最基本的形式中，信標可以使用無線片上系統(tǒng) (SoC) 設(shè)備或模塊以及電池和機械外殼來實現(xiàn)。更典型地，信標將包括提供功能性用戶交互的其他組件以及傳感器。預(yù)先認證的模塊方法提供了最快的上市時間，避免了大量的前期工程投資和 RF 合規(guī)性測試，而分立 SoC 設(shè)計可以節(jié)省尺寸或成本(圖 2)。

圖 2：典型的預(yù)認證 BLE 信標模塊和藍牙 SoC 參考設(shè)計。

出于電源管理的原因，選擇一個經(jīng)過現(xiàn)場驗證的、主動管理睡眠模式的 BLE 堆棧至關(guān)重要：每 100 毫秒僅廣播 1 毫秒意味著，在 99% 的時間里，它應(yīng)該處于睡眠狀態(tài)。此外，最好使用可以定義多種信標幀類型(iBeacon、Eddystone-URL 等)及其時序參數(shù)的堆棧。然后堆?？梢宰灾鞯亟诲e這些，而無需運行更耗電的應(yīng)用程序代碼。

其他重要的軟件功能包括作為故障安全機制的看門狗定時器、用于設(shè)置信標開/關(guān)周期以保持電力的實時時鐘，以及支持固件更新的能力。

信標應(yīng)用程序代碼可以相對簡單，并使用高級編程語言(如 BGScript)實現(xiàn)(圖 3)。這種方法的好處是開發(fā)人員可以專注于應(yīng)用程序，而不是底層協(xié)議棧的時間和復(fù)雜性。

圖 3：BGM111 BLE 模塊的 BGScript iBeacon 示例代碼。

此示例代碼支持 BGM111 模塊。代碼的廣告包被構(gòu)造為使用 Apple AirLocate Service UUID 74278bda-b644-4520-8f0c-720eaf059935，主要和次要字段為 0x00，這意味著它們未設(shè)置。0xD0 的校準 Tx 功率值與一米處的 –48 dBm 相關(guān)。

信標的發(fā)射功率和信標間隔在電池壽命和權(quán)衡所需范圍和接近精度方面發(fā)揮著重要作用(圖 4)。更高的發(fā)射功率提供更遠的范圍和更廣的覆蓋范圍，但發(fā)射器會隨著每個信標事件更快地消耗電池電量。

圖 4：信標的平均電池壽命由發(fā)射功率及其發(fā)射/睡眠占空比決定。

在性能方面，較短的信標間隔意味著有更多的信標事件要捕獲，提供更多的運動分辨率，因此，更好的定位精度。更長的間隔意味著信標的電池壽命更長，但被捕獲的機會更少，尤其是被移動的智能手機捕獲。

安全信標僅廣播，因此它們不收集數(shù)據(jù)。然后，范圍內(nèi)的智能手機通常通過 Wi-Fi 或其蜂窩網(wǎng)絡(luò)訪問廣播服務(wù)。因此，信標不會構(gòu)成任何額外的安全威脅或攻擊面。對于信標提供者，當附加到信標具有貨幣價值時，例如通過獎勵積分，必須注意拒絕來自同一設(shè)備的持續(xù)請求。這是使用時間戳和其他技術(shù)完成的。這同樣適用于信標的設(shè)備管理功能，其中使用標準 BLE 安全功能(例如配對和身份驗證)來限制對內(nèi)部功能的訪問。

結(jié)論

很難想象在不久的將來我們都不會被信標應(yīng)用所觸動。事實上，它們可能是下一個殺手級應(yīng)用。數(shù)百個行業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計師在采用無線技術(shù)時將面臨許多新挑戰(zhàn)。選擇具有創(chuàng)新技術(shù)、經(jīng)過市場驗證的堆棧和出色的客戶支持的合適供應(yīng)商將有助于確保開發(fā)人員擁有流暢的體驗和卓越的最終產(chǎn)品。

　　審核編輯：湯梓紅