低功耗藍牙(BLE)技術簡介和工作方式

汽車領域的短距離無線通信方式正逐漸從私有射頻技術轉向標準協議的通信技術，其中就包括低功耗藍牙（Bluetooth Low Energy，BLE）技術。

在數字鑰匙應用中，通過移動設備與汽車相互鑒權以完成進入汽車、啟動發動機、鎖定汽車或者授權等操作。Car Connectivity聯盟在其發布的數字鑰匙技術規范中將BLE列為智能設備與車輛交互的三種通信協議之一。UWB、NFC與BLE技術的結合除了可以實現傳統鑰匙的功能外，還可以提供鑰匙分享、屬性控制、權限設置等其他功能。

圖1:數字鑰匙架構

在輪胎壓力監測系統（TPMS）中，利用安裝在每一個輪胎中的壓力傳感器和溫度傳感器來測量輪胎壓力和溫度，然后通過無線發射裝置將這些信息從輪胎發送到中央接收模塊上。過去使用的射頻通信方式存在容易被攻擊和破解，調幅技術抗干擾能力較差，頻率漂移等局限。部分廠商逐漸將其通信方式轉向BLE技術。

01BLE簡介

藍牙作為一種無線通訊技術，運行在2.4GHz免費頻段。在發展之初僅包含經典藍牙（Blue Classic）技術，用于兩臺設備之間的數據交換。經典藍牙支持音頻和數據兩大類協議，常用在音箱、耳機及傳統數傳行業。隨著醫療保健、運動健身、家庭娛樂等領域新興應用的發展，藍牙規范4.0版本新增BLE部分。藍牙是一個協議族，其中藍牙設備必須實現的通用功能和協議層由核心規范（Core Specification）定義。藍牙規范由藍牙技術聯盟（SIG）負責維護，目前最新版本為5.4，規范原文可在SIG官網免費下載。

BLE作為一種新的藍牙技術，與之前的經典藍牙技術并不兼容。BLE不支持音頻協議，并且受數據傳輸速度限制，通常用于數據量較小的傳輸場景。相比于經典藍牙其具有低功耗、快連接、長距離等優點。和私有的射頻技術或者其他無線通信技術相比，BLE在車輛上具有以下優勢：

有效通信距離可達幾十米，可以完全覆蓋停車場這類典型應用場景；

設備始終處于有源開啟狀態，應用時不需要上電啟動，因此延遲非常低；

當不使用時設備會進入睡眠模式，可以實現以極低的功耗保持長時間工作；

通過配對認證、安全連接、簽名等機制保證無線通信的安全性；

使用跳頻和擴頻技術，抗干擾能力強；

智能手機普遍支持該協議，便于車輛與手機進行交互。

02BLE工作方式

BLE設備的網絡拓撲中主要有兩種角色：中心設備（Central）和外圍設備（Peripheral）。藍牙協議并不限制設備的角色，同一個BLE設備既可以作為中心設備也可以作為外圍設備。外圍設備如壓力傳感器，可以通過發布廣播（Advertising）報文通知自己的存在。中心設備如智能手機，可以通過監聽廣播報文來發現外圍設備或者通過發送掃描（Scan）請求來獲取響應數據包。當中心設備需要與外圍設備進行進一步通信以實現數據讀寫，可以發起連接（Connection）請求。建立連接后，中心設備可以通過發送發現（Discover）請求以獲取外圍設備的服務（Service）以及特征（Characteristic）。

外圍設備的通用屬性配置文件（Generic Attribute Profile，GATT）定義能夠提供的一個或多個服務，每個服務又包含一個或多個特征。每個特征具有讀（Read）、寫（Write）、通知（Notify）中的一種或多種屬性。中心設備可以通過發送讀、寫或訂閱命令來訪問外圍設備的特征值。

圖3:讀、寫以及訂閱特征

03BLE測試硬件VH4110

隨著物聯網協議在汽車領域的廣泛應用，Vector應客戶需求從CANoe 15版本開始支持對NFC、BLE、WLAN/LAN通信的仿真、分析和測試，并推出支持無線通信及協議解析的硬件設備VH4110（又稱IoT Enabler）。VH4110可以作為基于IP通信的路由器，將CANoe與被測件通過WLAN/LAN進行本地連接，也可以使用非IP通信的無線通信（例如BLE、NFC）技術與被測件連接。

圖4:VH4110連接示意圖

VH4110通過USB Type-C連接到運行CANoe的主機上。其傳輸的數據僅與CANoe進行交互，用戶在主機上不需要特殊的網絡權限或者修改防火墻配置。使用時無需安裝驅動，也不需要額外的CANoe Option。VH4110提供4個USB接口，用于插入對應的USB適配器進行無線通信。

04CANoe中的配置步驟

1.打開CANoe，基于Distributed Objects模板新建工程。

圖6：新建CANoe DO工程

2.打開Communication Setup界面，如圖7所示新建一個包含IoTEnabler通信接口的vCDL文件。

圖7：新建BLE通信接口描述文件

3.在設置vCDL文件保存路徑及文件名后（注意路徑及文件名不能包含中文及特殊字符），依據圖8指引打開vCDL文件并進行編輯。

圖8：編輯BLE即可描述文件

vCDL（Vector Communication Description Language）作為在CANoe Communication Concept中用于描述通信對象的語言，以簡單的基于文本的方式定義和配置分布式對象（Distributed Objects，DO）。在基于IoTEnabler應用創建的vCDL模板中，會通過import module “IoTEnabler”引用定義好的IoTEnabler相關接口（接口具體定義可在CANoe的安裝目錄下Bindings文件夾下的Vector.CANoe.FunctionBus.IoTEnablerBinding.vcdl文件中查看）并自動添加必需的語句，用戶僅需要通過關鍵詞object實例化所需的BLE接口即可。在CANoe中既可以仿真中心設備也可以仿真外圍設備，參考圖9通過實例化不同的接口即可實現。

圖9：添加BLE接口信息

4.在Application Panel可以看到BLE接口中可供調用的Method，在給需要調用的Method填入參數后，通過點擊Call即可發出相應的命令。如果需要完成自動化的流程，也可以在CAPL中調用這些命令。

圖10：可調用的BLE命令

圖11：CANoe中的BLE報文

審核編輯：湯梓紅