如何利用藍(lán)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(lán)牙技術(shù)都帶來不小的震動(dòng)。

在提升藍(lán)牙直接鏈路的電源能效、簡(jiǎn)化其使用方面，藍(lán)牙4.0實(shí)現(xiàn)了大跨越，而藍(lán)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(jī)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(yùn)行數(shù)年，這一功能自2010年以來一直推動(dòng)者智能藍(lán)牙4.0的普及，而組網(wǎng)能力又使該功能在藍(lán)牙4.1于2013年批準(zhǔn)以來對(duì)IoT開發(fā)人員更具吸引力。不過，這需要在設(shè)計(jì)過程中了解軟硬件方面的一些關(guān)鍵注意事項(xiàng)。SIG 建議制造商在產(chǎn)品中立即采用藍(lán)牙4.1，以充分利用新特性。這樣，系統(tǒng)開發(fā)人員就會(huì)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(shí)升級(jí)至4.1版，實(shí)現(xiàn)魚和熊掌兼得。

使用藍(lán)牙4.1 規(guī)范時(shí)，已沒有必要發(fā)布強(qiáng)制性特性聲明，這在藍(lán)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(lán)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(lán)牙品牌)會(huì)向后兼容同樣具有低功耗特性的藍(lán)牙4.0 設(shè)備。

低功耗藍(lán)牙(4.0 版，也稱作智能藍(lán)牙)采用與前代“傳統(tǒng)藍(lán)牙”相同的2.4 GHz ISM 頻帶，但采用了更簡(jiǎn)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(kuò)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(duì)開發(fā)人員來說不是問題，因?yàn)楂@得藍(lán)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(lán)牙模式或具有DSSS功能的智能藍(lán)牙模式下工作。

藍(lán)牙4.0和4.1通過采用四十個(gè)2 MHz信道獲得低功耗優(yōu)勢(shì)，達(dá)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(lán)牙，但將延遲由100 ms縮短至6 ms，彌補(bǔ)了應(yīng)用比特率方面的不足，因?yàn)檫@樣能更快地響應(yīng)數(shù)據(jù)請(qǐng)求或者發(fā)送控制信號(hào)，故而對(duì)于組網(wǎng)和實(shí)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(lán)牙4.1能讓設(shè)備同時(shí)支持多種功能角色，這樣，智能藍(lán)牙型產(chǎn)品可同時(shí)作為集線器和外設(shè)。 藍(lán)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(jìn)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(shí)。

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(jí)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(gè)終端均具有信道識(shí)別符(CID)的多個(gè)信道。CID 分配與特定設(shè)備有關(guān)，一個(gè)設(shè)備能夠獨(dú)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(gè)設(shè)備添加到菊花鏈中，簡(jiǎn)化了設(shè)置。

圖 1:用于智能藍(lán)牙4.1 的L2CAP信道架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)控制，擴(kuò)大物聯(lián)網(wǎng)范圍。

還有更多針對(duì)用戶的支持功能。藍(lán)牙4.1支持自動(dòng)重新連接，因此用戶進(jìn)入房間時(shí)會(huì)重新連接。此外，藍(lán)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(lán)牙4.1擴(kuò)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(gè)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(jì)、接近和找到我 (Find Me) 功能。 IoT 應(yīng)用的新規(guī)范將會(huì)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(shí)別符 (UUID)集中識(shí)別。藍(lán)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(shí)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(zhǎng)度并減少?gòu)?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(gè)值時(shí)，可通過指定該特性的 UUID 或者由一個(gè)句柄值完成，該值來自信息發(fā)現(xiàn)指令。寫操作始終會(huì)通過句柄識(shí)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?？蛻舳丝蔀閬碜苑?wù)器的特定特性請(qǐng)求一個(gè)通知，然后，只要相關(guān)的值進(jìn)入有效狀態(tài)，服務(wù)器就會(huì)將其發(fā)送至客戶端。例如，一臺(tái)設(shè)備上的溫度傳感器服務(wù)器會(huì)在每次測(cè)量時(shí)通知其客戶端。這樣可避免客戶端對(duì)服務(wù)器進(jìn)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(gè)層級(jí)，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(lán)牙4.0和藍(lán)牙4.1的現(xiàn)有全部芯片和模塊升級(jí)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?cè)谑褂萌鏐T800等藍(lán)牙4.0模塊，并開發(fā)能在這些模塊上支持藍(lán)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(huì)相對(duì)簡(jiǎn)單。

圖2:利用Laird Wireless 的BT800智能藍(lán)牙雙模式模塊，能很容易在現(xiàn)有設(shè)計(jì)中添加藍(lán)牙4.1連接功能，進(jìn)而升級(jí)至藍(lán)牙4.1。

Laird 增加了一種可使模塊獨(dú)立運(yùn)行的事件驅(qū)動(dòng)型編程語(yǔ)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(gè)簡(jiǎn)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(lán)牙將其傳輸至任何藍(lán)牙 4.1 設(shè)備的全部端到端過程。

同時(shí)，CSR 也會(huì)采用不同的方法來實(shí)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(lán)牙 4.1 能提供從智能手機(jī)到其外設(shè)的八到十個(gè)獨(dú)立鏈路，構(gòu)建個(gè)人局域網(wǎng)或者菊花鏈鏈路，但CSR 開發(fā)出了位于藍(lán)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(dá)65,000 個(gè)的設(shè)備。

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

針對(duì)智能家庭和 IoT 應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化的解決方案，將一個(gè)配置和控制協(xié)議與CSR認(rèn)可的智能藍(lán)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(gè)支持智能藍(lán)牙的設(shè)備，如照明、供熱和安防系統(tǒng)。在用戶體驗(yàn)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(duì)或者使用如路由器等接入設(shè)備，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

不同于其他家庭自動(dòng)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(dòng)設(shè)備直接控制，因?yàn)榧葲]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(lán)牙中的一種模式向網(wǎng)絡(luò)中的其它藍(lán)牙設(shè)備發(fā)送信息。這些信息可發(fā)送至一個(gè)設(shè)備或者一組設(shè)備。一臺(tái)設(shè)備也可以屬于多個(gè)設(shè)備組。具體控制由支持智能藍(lán)牙的電器(如燈具開關(guān))或者由現(xiàn)在的大部分手機(jī)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(duì)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(jìn)制庫(kù)權(quán)限。

軟件不使用藍(lán)牙4.1的特性，而是通過擴(kuò)展藍(lán)牙 4.0 來覆蓋一個(gè)網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這是一個(gè)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(diǎn)傳送信息。 也就是說，這對(duì)于用戶設(shè)置極為簡(jiǎn)單，因?yàn)樵撘?guī)范能自動(dòng)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(diǎn);為解決飽和和競(jìng)爭(zhēng)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(lán)牙4.1可同時(shí)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(shí)發(fā)揮作用。這項(xiàng)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?jī)?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(dú)立的地址字段。這使得該標(biāo)準(zhǔn)在簡(jiǎn)單的傳感器信息、指令和控制總量方面遠(yuǎn)少于 IPv4. 目前，這項(xiàng)功能為CSR獨(dú)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(lán)牙SIG 進(jìn)行功能標(biāo)準(zhǔn)化。

通過讓一組工程師布置五十個(gè)LED 燈泡并攜帶 Android 智能手機(jī)進(jìn)入，CSR 證實(shí)網(wǎng)狀網(wǎng)可直接由智能手機(jī)控制。沒有經(jīng)過正常的配置，但他們能控制這個(gè)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(jì)和生產(chǎn)測(cè)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(dòng)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(jiǎn)化項(xiàng)目，具體如針對(duì)常見智能藍(lán)牙規(guī)范的示例應(yīng)用以及針對(duì)iOS和Android智能手機(jī)的主機(jī)應(yīng)用。目標(biāo)板通常由主機(jī)USB連接供電，但也能以板載鈕扣電池為電源獨(dú)立工作，以便進(jìn)行功率測(cè)量。

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

將模塊集成到設(shè)計(jì)中相對(duì)容易，不過在使用電池向這些設(shè)備供電時(shí)需要做出幾項(xiàng)關(guān)鍵選擇。這有助于普及采用藍(lán)牙4.1的IoT應(yīng)用，因?yàn)槲覀兛梢栽诂F(xiàn)有設(shè)計(jì)中輕松添加模塊。

來自BlueGiga 的 BLE112模塊采用Texas Instruments 的藍(lán)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(duì)較高的內(nèi)阻，因此建議在該電池上并聯(lián)一個(gè)100 μF電容器。鈕扣電池的內(nèi)阻初始值在10 Ω以內(nèi)，但會(huì)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(zhǎng)。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(gè)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(lán)牙模塊。在電池上并聯(lián)電容器會(huì)延長(zhǎng)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(zhǎng)3 V 鈕扣電池的使用壽命。

總結(jié)

在藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展過程中，增加智能藍(lán)牙4.1看起來只是其中的一小步，但卻極有可能推動(dòng)一些重大變革。設(shè)備、模塊和系統(tǒng)開發(fā)人員的著眼點(diǎn)在于--僅在幾乎是人人都有的智能手機(jī)控制下，讓藍(lán)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(gè)巨大優(yōu)勢(shì)，無論通過藍(lán)牙4.1信道還是藍(lán)牙4.0頂層網(wǎng)絡(luò)，智能藍(lán)牙技術(shù)將注定成為物聯(lián)網(wǎng)的一項(xiàng)重大技術(shù)。