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兼容4.1、4.2和5的低功耗藍(lán)牙SoC和工具可應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)(第 1 部分)

發(fā)布時(shí)間:2017-06-08 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】4.1、4.2 和 5 版標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)低功耗藍(lán)牙射頻協(xié)議軟件(“堆棧”)做出了重要升級(jí)改進(jìn),除了其根本的消費(fèi)性,還大大提高了針對(duì)各種應(yīng)用的實(shí)用性,特別是物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 相關(guān)的應(yīng)用。然而,技術(shù)的快速發(fā)展,加上低功耗藍(lán)牙及常規(guī)(或“經(jīng)典”)藍(lán)牙的功能和互操作性模糊不清,已導(dǎo)致了一些混淆。設(shè)計(jì)人員和開(kāi)發(fā)人員若要優(yōu)化其設(shè)計(jì),同時(shí)確保充分利用藍(lán)牙的功能,需要充分了解哪種技術(shù)最適合其特定應(yīng)用。
 
本文章?lián)碛袃刹糠?,將通過(guò)定義低功耗藍(lán)牙來(lái)解決這種混淆。然后介紹規(guī)范 4.1、4.2 和 5 中對(duì)該技術(shù)所做的增強(qiáng),使其適合于不是原本目標(biāo)的應(yīng)用。這些應(yīng)用包括超低功耗、更大范圍、更高吞吐量以及新增廣告擴(kuò)展。文章還介紹了與規(guī)范最新版本完全兼容的低功耗藍(lán)牙片上系統(tǒng) (SoC) 示例。
 
該兩部分系列文章的第二部分將說(shuō)明,射頻經(jīng)驗(yàn)極少的設(shè)計(jì)人員如何使用眾多供應(yīng)商提供的 SoC、模塊、固件及硬件和軟件開(kāi)發(fā)套件 (SDK) 來(lái)設(shè)計(jì)低功耗藍(lán)牙無(wú)線產(chǎn)品。
 
針對(duì)低功耗進(jìn)行優(yōu)化
 
隨著藍(lán)牙 4.0 在 2010 年被采用,低功耗藍(lán)牙作為超低功耗、可互操作式的藍(lán)牙短距離無(wú)線技術(shù)而引入。該技術(shù)將藍(lán)牙生態(tài)系統(tǒng)擴(kuò)展到可穿戴電子設(shè)備等電池容量較小的應(yīng)用。其在目標(biāo)應(yīng)用中的平均電流是微安級(jí),補(bǔ)充了傳統(tǒng)藍(lán)牙。原規(guī)范的主要特點(diǎn):
 
  • 輕型協(xié)議棧。
  • 與 4.0 以上版本藍(lán)牙的互操作性。
  • 1 Mbps 的原始數(shù)據(jù)速率。
  • 10 米左右的傳輸距離。
  • 對(duì)其他 2.4 GHz 無(wú)線電源的高抗擾度。
 
該技術(shù)適用于傳輸來(lái)自緊湊型無(wú)線傳感器或其他可使用完全異步通信的外設(shè)的數(shù)據(jù)。這些設(shè)備很少發(fā)送少量數(shù)據(jù)(即少數(shù)字節(jié))。其占空比范圍從每秒幾次到每分鐘一次,或者更長(zhǎng)。
 
在藍(lán)牙 4.0 內(nèi)核規(guī)范中,輕型低功耗藍(lán)牙堆棧包括物理層 (PHY)(負(fù)責(zé)傳輸比特)、鏈路層 (LL)(負(fù)責(zé)定義數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)和控制)和主機(jī)控制接口 (HCI)。這三層統(tǒng)稱為低功耗藍(lán)牙鏈路控制器(或“控制器”)??刂破髦系闹鳈C(jī)層包括邏輯鏈路控制和適配協(xié)議 (L2CAP),主要負(fù)責(zé)為應(yīng)用和服務(wù)提供基于通道的抽象。其可通過(guò)共享邏輯鏈路進(jìn)行應(yīng)用數(shù)據(jù)的碎片化和去碎片化,以及復(fù)用和去復(fù)用多通道。
 
主機(jī)層還包括安全管理器協(xié)議 (SMP) 和屬性協(xié)議 (ATT)。SMP 使用固定 L2CAP 通道實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的安全功能。ATT 提供了一個(gè)通過(guò)固定 L2CAP 通道進(jìn)行少量數(shù)據(jù)通信的方法。另外,ATT 還會(huì)用于確定其他設(shè)備的服務(wù)和功能。通用屬性 (GATT) 配置文件指定了交換配置文件數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)定義了應(yīng)用中使用的服務(wù)和特征等基本要素。最后,通用訪問(wèn)配置文件 (GAP) 定義了藍(lán)牙設(shè)備的基本要求。應(yīng)用軟件位于堆棧的頂部(圖 1)。
 
兼容4.1、4.2和5的低功耗藍(lán)牙SoC和工具可應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)(第 1 部分)
圖 1: 顯示了控制器、主機(jī)和應(yīng)用的低功耗藍(lán)牙協(xié)議棧。通用屬性配置文件 (GATT) 定義了藍(lán)牙設(shè)備的基本要求。(圖片來(lái)源: “Bluetooth Low Energy: The Developer’s Handbook,” Robin Heydon)
 
開(kāi)發(fā)人員中的混淆可能始于 4.0 版本,藍(lán)牙內(nèi)核規(guī)范定義了兩種芯片類型:
 
  • 上述低功耗藍(lán)牙芯片和堆棧。
  • 采用經(jīng)修改堆棧的藍(lán)牙芯片,加上集成以前版本的基本速率 (BR)/增強(qiáng)型數(shù)據(jù)速率 (EDR) PHY 以及低功耗 (LE) PHY(“BR/EDR + LE”),使其可與該標(biāo)準(zhǔn)的所有版本和芯片變體進(jìn)行互操作。
     
本文(和第 2 部分)主要討論了低功耗藍(lán)牙設(shè)備。在許多消費(fèi)應(yīng)用中,該設(shè)備可與藍(lán)牙芯片協(xié)同工作,但由于 4.1、4.2 和 5 版中增強(qiáng)了標(biāo)準(zhǔn),其正越來(lái)越多地作為一個(gè)獨(dú)立的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)備使用。
 
低功耗藍(lán)牙芯片可以與藍(lán)牙 4.0 或更高版本的其他低功耗藍(lán)牙芯片和藍(lán)牙芯片互操作。請(qǐng)注意,藍(lán)牙芯片用于智能手機(jī)、平板電腦和個(gè)人電腦等應(yīng)用,而對(duì)這些應(yīng)用來(lái)說(shuō),帶寬比功耗更為重要。不過(guò),他們也可以與藍(lán)牙 3.0 及更早版本的藍(lán)牙芯片互操作(圖 2)。
 
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圖 2: 藍(lán)牙 4.0 基于兩個(gè)設(shè)備,藍(lán)牙芯片(帶 BR/EDR + LE PHY)和低功耗藍(lán)牙芯片 (LE PHY)(圖片的中間和右側(cè))。這些設(shè)備可互操作。藍(lán)牙芯片也可以與藍(lán)牙 3.0 及更早版本的經(jīng)典藍(lán)牙芯片互操作(左)。(圖片來(lái)源: Nordic Semiconductor。)
 
低功耗藍(lán)牙通過(guò)最大化待機(jī)時(shí)間以及使用快速連接和低峰值發(fā)射/接收功率來(lái)節(jié)省功耗。其超低功耗的關(guān)鍵是,傳統(tǒng)藍(lán)牙是一種具有固定連接間隔的“面向連接”無(wú)線電,而低功耗藍(lán)牙通常處于省電的“未連接”狀態(tài),鏈路的兩端能感知彼此,但只在必要時(shí)連接,而且連接時(shí)間會(huì)盡可能短。
 
與藍(lán)牙的 32 個(gè)廣告通道相比,低功耗藍(lán)牙僅使用三個(gè)就可搜索其他設(shè)備或宣告其自身的存在。低功耗藍(lán)牙啟動(dòng) 0.6 到 1.2 毫秒掃描其他設(shè)備,而藍(lán)牙需要 22.5 毫秒掃描 32 個(gè)通道,多消耗高達(dá) 20 倍的能量。
 
連接后,低功耗藍(lán)牙會(huì)切換到其 37 個(gè)數(shù)據(jù)通道之一,然后使用原藍(lán)牙規(guī)范首創(chuàng)的采用 79 個(gè)通道的自適應(yīng)跳頻 (AFH) 技術(shù),在偽隨機(jī)模式下于通道間進(jìn)行切換,從而避免干擾。低功耗藍(lán)牙可在 3 毫秒內(nèi)完成其連接 - 掃描、鏈路、發(fā)送數(shù)據(jù)、驗(yàn)證和終止,相比藍(lán)牙使用的幾百毫秒,又一次節(jié)約了能耗。
 
該技術(shù)還使用了比藍(lán)牙更多的“寬松”射頻參數(shù),從而也節(jié)省了功耗。這兩種技術(shù)均使用高斯頻移鍵控 (GFSK) 調(diào)制;不過(guò),智能藍(lán)牙使用了 0.5 的調(diào)制指數(shù)而非經(jīng)典藍(lán)牙的 0.35,因此降低功耗要求。較低的調(diào)制指數(shù)也有助于擴(kuò)大范圍以及增強(qiáng)堅(jiān)固性。
 
最后,低功耗藍(lán)牙使用的數(shù)據(jù)包比藍(lán)牙使用的短。這有助于避免芯片過(guò)熱,也可規(guī)避使用功耗高的重新校準(zhǔn)程序和閉環(huán)架構(gòu)。
 
為物聯(lián)網(wǎng)做準(zhǔn)備
 
在消費(fèi)應(yīng)用中,智能手機(jī)通常作為低功耗藍(lán)牙設(shè)備的數(shù)據(jù)到達(dá)云的“網(wǎng)關(guān)”。這適用于健身腕帶等以人為本的應(yīng)用,但對(duì)于家庭或工業(yè)自動(dòng)化等應(yīng)用則不太理想,因?yàn)檫@些應(yīng)用不太可能會(huì)一直都能使用智能手機(jī)。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)該技術(shù)時(shí),引入了藍(lán)牙 4.1(部分)以解決這一弱點(diǎn)。
 
藍(lán)牙 4.1 增加了一項(xiàng)功能,即讓設(shè)備可同時(shí)作為低功耗藍(lán)牙“外設(shè)”和“樞紐”。例如,智能手表現(xiàn)在可以作為樞紐,從低功耗藍(lán)牙心率監(jiān)視器收集信息;同時(shí)也可作為智能手機(jī)的外設(shè),顯示來(lái)自手持設(shè)備的新消息通知。其次,藍(lán)牙 4.1 增加了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方法來(lái)創(chuàng)建可用于 IPv6(最新版本的互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議)的專用通道。
 
此次軟件升級(jí)引入的其他增強(qiáng)功能包括: 低功耗藍(lán)牙和蜂窩 LTE 之間的共存改進(jìn);因開(kāi)發(fā)人員可以改變重新連接的時(shí)間間隔,從而優(yōu)化連接;以及大量數(shù)據(jù)傳輸。
 
同時(shí),互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組 (IETF) 將低功耗無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng) (6LoWPAN) 規(guī)范新增至 IPv6。IPv6 的 128 位尋址功能超越了 IPv4 的 32 位尋址功能,可確保添加到物聯(lián)網(wǎng)的幾十億微型傳感器都有唯一的 IP 地址。這樣一來(lái),他們就能直接連接到網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備。如為低功耗藍(lán)牙,則傳感器無(wú)需網(wǎng)關(guān)服務(wù)即可進(jìn)行 IP 連接和轉(zhuǎn)換。作為廣泛使用的網(wǎng)關(guān),智能手機(jī)是一個(gè)很好的示例。
 
IETF 的發(fā)展加上專用通道在藍(lán)牙 4.1 中的引入,使藍(lán)牙 4.2 可以在低功耗藍(lán)牙堆棧中采用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議支持配置文件 (IPSP)。IPSP 使設(shè)備可以發(fā)現(xiàn)其他支持 IPSP 的設(shè)備,并通過(guò)低功耗藍(lán)牙傳輸層使用 IPv6 數(shù)據(jù)包來(lái)與之通信?,F(xiàn)在大多數(shù)主要低功耗藍(lán)牙芯片供應(yīng)商在其堆棧中采用這種傳輸層。
 
由于增加了 IPSP,低功耗藍(lán)牙設(shè)備現(xiàn)在可以通過(guò)簡(jiǎn)單便宜的路由器或網(wǎng)關(guān)來(lái)與任何其他支持 IPv6 的設(shè)備進(jìn)行通信(圖 3)。由于這種路由器作為中立設(shè)備,中繼 IPv6 數(shù)據(jù)包而不做任何分析或操作,數(shù)百萬(wàn)已投入使用但以前不兼容的低功耗藍(lán)牙(如機(jī)頂盒 (STB) 或 Wi-Fi 路由器)現(xiàn)在也可以作為路由器使用,并且價(jià)格低廉。
 
兼容4.1、4.2和5的低功耗藍(lán)牙SoC和工具可應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)(第 1 部分)
圖 3: 藍(lán)牙 4.2 將互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議支持配置文件 (IPSP) 引入低功耗藍(lán)牙(以前稱為“智能藍(lán)牙”),使設(shè)備可以使用簡(jiǎn)單便宜的路由器與互聯(lián)網(wǎng)連接,進(jìn)而與任何其他支持 IPv6 的設(shè)備連接。如有這樣的設(shè)備,也可以通過(guò)智能手機(jī)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)接入。(圖片來(lái)源: Nordic Semiconductor)
 
藍(lán)牙 4.2 打擊黑客
 
藍(lán)牙 4.2 還引入了一些安全元素,因此,對(duì)于智能燈這類需要經(jīng)常連接到互聯(lián)網(wǎng)且無(wú)人工干預(yù)的低功耗藍(lán)牙設(shè)備,不必再擔(dān)憂會(huì)遭到黑客攻擊。
 
第一個(gè)是低功耗 (LE) 安全連接。直到藍(lán)牙 4.2,安全簡(jiǎn)單配對(duì)已是藍(lán)牙安全的基本構(gòu)件,只在生成并分配幾個(gè)加密密鑰后才會(huì)進(jìn)行設(shè)備連接:用于鏈路層加密和認(rèn)證的一個(gè)短期密鑰 (STK) 和三個(gè)長(zhǎng)期密鑰 (LTK)、連接簽名分辨率 (CSRK) 以及身份分辨率 (IRK)。
 
藍(lán)牙 4.2 引入了更高強(qiáng)度的安全性。對(duì)于密鑰管理,規(guī)范添加了不對(duì)稱橢圓曲線加密法 (ECC),該加密法采用的是聯(lián)邦信息處理標(biāo)準(zhǔn) (FIPS) 所推薦的橢圓曲線。另外,該規(guī)范還使用 FIPS 認(rèn)可的高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器,采用了 CBC-MAC (AES-CCM) 加密法進(jìn)行信息加密。其結(jié)果是加強(qiáng)了相鄰設(shè)備間鏈路層的安全性,保護(hù)無(wú)線鏈路免受無(wú)源竊聽(tīng)和中間人 (MITM) 攻擊。
 
藍(lán)牙 4.2 中增加的第二個(gè)安全性功能是 LE 隱私。其可管理控制器設(shè)備及主機(jī)設(shè)備中的私人地址解析,同時(shí)支持控制器層的私有地址白名單。
 
此外,藍(lán)牙 4.2 將 1 類功率的最大發(fā)射功率模式從 +10 增加到 +20 dB,使設(shè)計(jì)人員能夠取消外部電源適配器,從而節(jié)省空間和成本。相比藍(lán)牙 4.1,數(shù)據(jù)包的容量也從 27 個(gè)字節(jié)增加到 251 個(gè)字節(jié),數(shù)據(jù)范圍增加了 2.5 倍。這些改進(jìn)使互聯(lián)網(wǎng)上設(shè)備到設(shè)備的通信和連接更高效,上傳更快,無(wú)線 (OTA) 固件更新更頻繁。
 
升級(jí)后不久,解決方案便迅速問(wèn)世
 
低功耗藍(lán)牙的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)和市場(chǎng)的成功導(dǎo)致了采用藍(lán)牙 4.0、4.1 和 4.2 后不久,大量供應(yīng)商和產(chǎn)品即遍布市場(chǎng)。一般來(lái)說(shuō),這些都采用了 SoC 路由。2012 年推出的 Nordic Semiconductor nRF51系列 就是一個(gè)很好的例子。該系列基于 ARM Cortex-M0 處理器,并采用低功耗藍(lán)牙收發(fā)器、閃存和 RAM 內(nèi)存、板載電源管理和少量 I/O。
 
Dialog Semiconductor 的 DA14680 SoC 遵循類似的公式。該芯片是符合藍(lán)牙 4.2 的一個(gè)設(shè)備,包括一個(gè) ARM Cortex-M0 處理器、低功耗藍(lán)牙無(wú)線電、8 Mb 閃存、64 kB OTP ROM、128 kB 數(shù)據(jù) SRAM、128 kB ROM、片上電源管理和其他一些外設(shè)(圖 4)。
 
兼容4.1、4.2和5的低功耗藍(lán)牙SoC和工具可應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)(第 1 部分)
圖 4: Dialog Semiconductor 的 DA14680 是符合藍(lán)牙 4.2、基于嵌入式 ARM 處理器、敏感的 2.4 GHz 無(wú)線電、閃存、RAM 和 ROM 的 BLE SoC 的一個(gè)典型示例。(圖片來(lái)源: Dialog Semiconductor)
 
除 Nordic 和 Dialog 外,還有許多其他藍(lán)牙 4.1 和 4.2 IC 供應(yīng)商為開(kāi)發(fā)人員提供解決方案。其中值得注意的是 Texas Instruments (TI) 和 Cypress Semiconductor。
 
藍(lán)牙 5 增加范圍和帶寬
 
2016 年 12 月推出的藍(lán)牙技術(shù)最新版本藍(lán)牙 5(不是預(yù)計(jì)的“5.0”),使低功耗藍(lán)牙在成為物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)的道路上更進(jìn)一步。其擴(kuò)大了范圍和帶寬,增強(qiáng)的功能極為顯著。
 
與以前版本的低功耗藍(lán)牙使用的 1 Mbps PHY 相比,2 Mbps PHY 令帶寬有所增加。由于藍(lán)牙 5 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)中的固定開(kāi)銷,PHY 帶寬的加倍不會(huì)直接轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)傳輸加倍,但與藍(lán)牙 4.2 的1 Mbps PHY 提供的 800 kbps相比,開(kāi)發(fā)人員可以預(yù)計(jì)達(dá)到約 1.4 Mbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率(圖 5)。
 
兼容4.1、4.2和5的低功耗藍(lán)牙SoC和工具可應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)(第 1 部分)
圖 5: 藍(lán)牙 5 保留了藍(lán)牙 4.2 的 251 字節(jié)有效載荷,但 2 Mbps PHY 減少了傳輸時(shí)間,增加了帶寬。藍(lán)牙 4.2 可以使用 1 Mbps PHY 達(dá)到 800 kbps,而藍(lán)牙 5 可以使用 2 Mbps PHY 達(dá)到 1.4 Mbps。采用藍(lán)牙 5 的范圍增加功能時(shí),即失去帶寬的優(yōu)勢(shì)。(圖片來(lái)源: Bluetooth.com)
 
更快的吞吐量對(duì)許多應(yīng)用雖然有益,但物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)在于更快速的 OTA 更新,這是物聯(lián)網(wǎng)傳感器的一個(gè)重要考慮因素,有可能需要定期增強(qiáng)功能,以提供更多功能和更高的安全性。此外,使用 2 Mbps PHY 可節(jié)省能耗,原因是在發(fā)送特定數(shù)據(jù)量時(shí),無(wú)線電活躍的時(shí)間比 1 Mbps 設(shè)備短。無(wú)線電處于深度休眠模式的時(shí)間也更為長(zhǎng)久,這就進(jìn)一步降低了功耗。
 
藍(lán)牙 5 提供比 4.2 高 4 倍的范圍,在許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)。例如,這樣的范圍可以讓一個(gè)房子里所有的智能燈通過(guò)一個(gè)星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與中央集線器通信,而不是較為復(fù)雜、且常用于提高低功耗無(wú)線技術(shù)范圍的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)使用可檢測(cè)和修復(fù)接收器中通信錯(cuò)誤的前向糾錯(cuò)功能 (FEC) 改進(jìn)范圍。關(guān)鍵是謹(jǐn)記該技術(shù)的超低功耗特性,范圍并不是通過(guò)增加發(fā)射功率來(lái)提高的。
 
對(duì)于工程師和開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō),“范圍”定義為從接收的信號(hào)中正確提取數(shù)據(jù)的最大距離。范圍增加時(shí),信噪比 (SNR) 也會(huì)隨之增加,且開(kāi)始產(chǎn)生解碼錯(cuò)誤。藍(lán)牙接收器的最大位誤差率 (BER) 容差為 0.1%,超過(guò)此值即會(huì)發(fā)生通信故障。要使最大 BER 發(fā)生在更大的范圍內(nèi),因?yàn)樘岣呓邮掌鞯撵`敏度而不是增加發(fā)射器的功率。
 
藍(lán)牙 4.2 使用循環(huán)冗余檢查 (CRC) 來(lái)檢查數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤。接收器會(huì)重新計(jì)算 CRC 并將值與發(fā)射器增補(bǔ)到數(shù)據(jù)包的值作比較。CRC 值之間的差異指示發(fā)生了錯(cuò)誤。然而,4.2 沒(méi)有在接收器上采用糾錯(cuò)機(jī)制。相反,接收器通常要求重發(fā)數(shù)據(jù)包,因此減慢了整體吞吐量。
 
藍(lán)牙 5 的 FEC 提高了接收器的靈敏度,而未改變硬件。缺點(diǎn)是,為方便糾錯(cuò),該技術(shù)在數(shù)據(jù)包中增加了冗余位。將有效數(shù)據(jù)速率降低到 500 kbps 或 125 kbps,取決于采用兩個(gè)可用的編碼方案中的哪一個(gè)。不幸的是,2 Mbps PHY 不支持 FEC,因此不能用來(lái)補(bǔ)償冗余位造成的較低有效吞吐量。
 
由于 FEC 減少有效吞吐量,對(duì)給定數(shù)據(jù)量進(jìn)行 4 倍長(zhǎng)距離操作時(shí),藍(lán)牙無(wú)線必須處于高功率狀態(tài)的時(shí)間要長(zhǎng)得多。根據(jù)不同的編碼方案,與未編碼傳輸相比,可能需要高達(dá) 13 倍的時(shí)間來(lái)傳輸標(biāo)準(zhǔn)低功耗藍(lán)牙數(shù)據(jù)包的有效載荷。雖然峰值功耗不會(huì)受到影響,但平均功耗會(huì)飛漲,因此消耗電池電量的速度更快。
 
在其他改進(jìn)中,藍(lán)牙 5 還引入了廣告擴(kuò)展。廣告擴(kuò)展將有效載荷從 27 字節(jié)增加到 251 字節(jié),從而提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。該功能最有可能的應(yīng)用是信標(biāo)應(yīng)用,使零售商可以在廣告包中發(fā)送更多的信息到消費(fèi)者的智能手機(jī)。最新版本的另一個(gè)功能是能夠使用數(shù)據(jù)通道進(jìn)行廣播。
 
符合藍(lán)牙 5 的商業(yè) BLE 芯片剛剛起步。一種解決方案是 TI 的CC2640R2F SimpleLink 低功耗藍(lán)牙 SoC。 這種藍(lán)牙 5 芯片集成了 ARM Cortex-M3 處理器、符合藍(lán)牙 4.2 和 5 的 2.4 GHz 無(wú)線電(具有 -97 dBm 的靈敏度),片上 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)不錯(cuò)的 I/O 和外設(shè)選擇。SoC 還采用 TI 公司豐富的 SDK 支持、參考設(shè)計(jì)和其他軟件工具。
 
藍(lán)牙 5 目前不支持諸如 ZigBee 和 ANT+ 等競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能。一些制造商已經(jīng)實(shí)施了基于低功耗藍(lán)牙的專有網(wǎng)格技術(shù),特別是現(xiàn)已成為 Qualcomm 一部分的 CSR。由于網(wǎng)格很可能是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵要求,藍(lán)牙 SIG 正在努力實(shí)現(xiàn)它就不顯得奇怪了。下一次的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)更新(2017 年底)將有望支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。
 
總結(jié)
 
4.1、4.2 和 5 版標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)低功耗藍(lán)牙射頻協(xié)議軟件(“堆棧”)做出了諸多重要升級(jí)改進(jìn),使接口在需要較低功耗、更大范圍和更高吞吐量的應(yīng)用中更加實(shí)用。然而,這些改變也造成了一些混淆。開(kāi)發(fā)人員需要對(duì)更新及其含義進(jìn)行全面了解才能在其應(yīng)用中充分利用最適當(dāng)?shù)乃{(lán)牙版本。
 
可以看到,藍(lán)牙早期版本的產(chǎn)品解決方案是廣泛可用的,而藍(lán)牙 5 正在迅速攀升。這些解決方案使任何傳感器、產(chǎn)品或設(shè)備可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單便宜的路由器連接到物聯(lián)網(wǎng),而不是通過(guò)智能手機(jī)等復(fù)雜的網(wǎng)關(guān)。利用這種連接,即便是最普通的當(dāng)代產(chǎn)品都可具有顯著增強(qiáng)的功能,也可以在設(shè)備使用中頻繁更新。
 
第 2 部分簡(jiǎn)介: 記住,本兩部分系列的第 2 部分將說(shuō)明如何使用符合藍(lán)牙 4.2 和 5 的、廣泛的 SoC 和模塊進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
 
結(jié)合成熟的堆棧、開(kāi)源應(yīng)用軟件、參考設(shè)計(jì)和工廠提供的開(kāi)發(fā)工具,這些組件已摒棄了射頻設(shè)計(jì)的魔法。本文將說(shuō)明,雖然低功耗藍(lán)牙無(wú)線產(chǎn)品開(kāi)發(fā)仍非易事,但工程師可以避免陷阱,想出一個(gè)既符合監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)和藍(lán)牙規(guī)范,又能令客戶滿意的設(shè)計(jì)。
 
參考資料:
 
1.“Getting Started with Bluetooth Low Energy,” Kevin Townsend, Carles Cufi?, Akiba, and Robert Davidson, O’Reilly.
 
2.“Bluetooth Low Energy: The Developer’s Handbook,” Robin Heydon.
 
3.“Exploring Bluetooth 5 - Going the Distance,” Martin Woolley, Bluetooth.com.
 
4.“A look in to Bluetooth v4.2 for Low Energy Products”
 
 
 
 
 
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