如何利用藍牙4.1為物聯網構建低功耗無線鏈路

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

　　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 實現了大跨越，而藍牙 4.1 則為該鏈路增加了更多的組網能力。 這使得用一部標準智能手機將許多設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，而組網能力又使該功能在藍牙 4.1 于 2013 年批準以來對 IoT 開發人員更具吸引力。 不過，這需要在設計過程中了解軟硬件方面的一些關鍵注意事項。 SIG 建議制造商在產品中立即采用藍牙 4.1，以充分利用新特性。 這樣，系統開發人員就會放心地采用由 Laird Wireless、BlueGiga Technologies、Panasonic 和 ConnectBlue 等制造商提供的現有 4.0 模塊，并在固件穩定時升級至 4.1 版，實現魚和熊掌兼得。

　　使用藍牙 4.1 規范時，已沒有必要發布強制性特性聲明，這在藍牙 2.0 + EDR 被采用以來還屬首次。 但是，需要制造商們執行有關藍牙 4.1 的全部勘誤，從而符合該規范要求。 僅具有低功耗特性的設備（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 設備。

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

　　這種不同信道和不同調制功能的組合意味著無法直接兼容 LE 和傳統規范。 然而，這對開發人員來說不是問題，因為獲得藍牙兼容性認證的所有芯片和模塊都能在適用于舊設備的傳統藍牙模式或具有 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 信道獲得低功耗優勢，達到 1 Mbit/s 鏈路比特率和 270 kbit/s 應用吞吐率。 盡管這些指標低于傳統藍牙，但將延遲由 100 ms 縮短至 6 ms，彌補了應用比特率方面的不足，因為這樣能更快地響應數據請求或者發送控制信號，故而對于組網和實施 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，因此適合許多 IoT 應用。 藍牙 4.1 能讓設備同時支持多種功能角色，這樣，智能藍牙型產品可同時作為集線器和外設。 藍牙技術可與其它無線技術共存，值得注意的便是同在 2.4 GHz 頻段的 Wi-Fi 技術，這種共存性已經得到改進并增加了專用信道，也正是這些技術使得 IoT 應用成為現實。

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

　　圖 1：用于智能藍牙 4.1 的 L2CAP 信道架構可實現設備網絡控制，擴大物聯網范圍。

　　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 還支持數據批量傳輸、鏈路設置和下載大型文件，而不再是保持穩定連接。

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

　　這些 GATT 用于處理當前應用的數據，如血壓、心率、體溫計、接近和找到我 （Find Me） 功能。 IoT 應用的新規范將會采用不同的方式匯集數據。

　　服務屬性、特性和描述符將由通用識別符 （UUID） 集中識別。 藍牙 SIG 為標準屬性預留了一些列 UUID（其格式為 xxxxxxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB），這些通用識別符在規范中采用 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雜性。

　　GATT 規范為客戶提供了大量命令，用于發現與服務器有關的信息。 具體包括，發現所有主要服務的 UUID，用已知 UUID 查找服務，然后發現輔助服務，以及為已知服務查找全部特性。 所有這些均屬于 IoT 應用規范。

　　指令通過 GATT 發出，用于將有關特性的數據從服務器傳輸至客戶端（“讀取”），以及從客戶端傳輸至服務器（“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，該值來自信息發現指令。 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器做出響應。

　　GATT 也發出這種通知和指示，這是 IoT 鏈路的關鍵部分。 客戶端可為來自服務器的特定特性請求一個通知，然后，只要相關的值進入有效狀態，服務器就會將其發送至客戶端。 例如，一臺設備上的溫度傳感器服務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器進行輪詢，從而省去了常規無線鏈路。 除需要客戶端做出響應，用于確認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，讓系統開發人員利用這些規范開發自己的軟件。 這樣，在使用藍牙 4.0 和藍牙 4.1 的現有全部芯片和模塊升級系統后，軟件還能與之兼容。

　　Laird Wireless 等模塊制造商正在消除這種復雜性，它們在使用如 BT800 等藍牙 4.0 模塊，并開發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器，輸出功率為 8 dBm，在 8.5 mm x 13 mm 的緊湊基底面內集成了全部功能。 該模塊包含了支持 BLE 應用開發所需的全部硬件和固件，包括用于連接外設和傳感器的 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，能很容易在現有設計中添加藍牙 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 應用包含了從傳感器數據讀取、寫入和處理，到再利用智能藍牙將其傳輸至任何藍牙 4.1 設備的全部端到端過程。

　　同時，CSR 也會采用不同的方法來實現 IoT 組網，而且模塊制造商也可以使用這些網絡。 盡管藍牙 4.1 能提供從智能手機到其外設的八到十個獨立鏈路，構建個人局域網或者菊花鏈鏈路，但 CSR 開發出了位于藍牙 4.0 協議棧頂層的固件，用于控制網狀網絡中數量多達 65，000 個的設備。

　　這種具有潛在顛覆性的技術把智能手機置于 IoT 的核心。 CSR Mesh 網幾乎能讓無限個支持智能藍牙的設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 應用進行了優化的解決方案，將一個配置和控制協議與 CSR 認可的智能藍牙設備組合在一起，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備，如照明、供熱和安防系統。 在用戶體驗過程中，基于該協議的解決方案不需要復雜的設置、配對或者使用如路由器等接入設備，這一點至關重要。

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

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

　　為保證開發人員讓自己的產品迅速面市，CSR 將發布針對用戶的開發套件。 該套件將提供安卓和 iOS 應用源代碼以及獲取 CSR Mesh 網的二進制庫權限。

　　軟件不使用藍牙 4.1 的特性，而是通過擴展藍牙 4.0 來覆蓋一個網狀拓撲結構。 這是一個泛洪網狀網，非路由式網狀網，因此所有設備可作為網絡中的一員接入，向其它節點傳送信息。 也就是說，這對于用戶設置極為簡單，因為該規范能自動處理信息傳送任務。 信息的原始發送設備可在網中任何位置，然后該信息被轉發至覆蓋范圍以外的節點；為解決飽和和競爭問題，該協議包含了特性的年齡和轉發次數。

　　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備網絡時發揮作用。 這項技術中沒有那些限制 - 連接管理工作已降至很少

　　該標準將尋址、分組、關聯和安全功能全部內置到數據包結構中。 這類似于 IPv4，不過為網狀網絡本身提供了獨立的地址字段。 這使得該標準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 進行功能標準化。

　　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 證實網狀網可直接由智能手機控制。 沒有經過正常的配置，但他們能控制這個照明網。

　　CSR 還提供一整套軟件開發工具， 以支持使用其芯片的板設計和生產測試。 該工具組合了 USB 編程接口和用于斷開特定應用型傳感器和致動器 I/O 的接口。 這種全許可型 CSR xIDE 軟件開發環境包括了各種應用以簡化項目，具體如針對常見智能藍牙規范的示例應用以及針對 iOS 和 Android 智能手機的主機應用。 目標板通常由主機 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 智能藍牙開發系統允許開發人員在藍牙 GATT 層頂端添加自己的功能。

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

　　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阻，因此建議在該電池上并聯一個 100 μF 電容器。 鈕扣電池的內阻初始值在 10 Ω 以內，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，且應用的使用壽命越長。 電容器的最小值取決于終端應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。 在電池上并聯電容器會延長電池壽命。

　　在傳輸或接收操作以及數據處理期間，通過使用 DC/DC 轉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

　　在藍牙標準的不斷發展過程中，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。 設備、模塊和系統開發人員的著眼點在于——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 為廣泛的低成本設備提供尖端的低功耗組網能力。 將現成的終端接入由各種設備組成的網絡是一個巨大優勢，無論通過藍牙 4.1 信道還是藍牙 4.0 頂層網絡，智能藍牙技術將注定成為物聯網的一項重大技術。