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基于蓝牙4.1的物联网低功耗无线链路

不仅在最新的可穿戴和健身设备方面,而且在将物联网(IoT)中的设备与传感器互连方面,最新蓝牙技术都带来不小的震动。

  在提升蓝牙直接链路的电源能效、简化其使用方面,蓝牙4.0实现了大跨越,而蓝牙4.1则为该链路增加了更多的组网能力。 这使得用一部标准智能手机将许多设备连接在一起成为可能。

  凭一块电池就能让嵌入式链路运行数年,这一功能自2010年以来一直推动者智能蓝牙4.0的普及,而组网能力又使该功能在蓝牙4.1于2013年批准以来对IoT开发人员更具吸引力。不过,这需要在设计过程中了解软硬件方面的一些关键注意事项。SIG 建议制造商在产品中立即采用蓝牙4.1,以充分利用新特性。这样,系统开发人员就会放心地采用由Laird Wireless、BlueGiga Technologies、Panasonic 和ConnectBlue 等制造商提供的现有4.0 模块,并在固件稳定时升级至4.1版,实现鱼和熊掌兼得。

  使用蓝牙4.1 规范时,已没有必要发布强制性特性声明,这在蓝牙2.0 + EDR被采用以来还属首次。但是,需要制造商们执行有关蓝牙4.1的全部勘误,从而符合该规范要求。仅具有低功耗特性的设备(智能蓝牙品牌)会向后兼容同样具有低功耗特性的蓝牙4.0 设备。

  低功耗蓝牙(4.0 版,也称作智能蓝牙)采用与前代“传统蓝牙”相同的2.4 GHz ISM 频带,但采用了更简单的高斯频移协议来降低功耗。 此外,还采用了较小的2 MHz信道和直接序列扩频(DSSS)调制功能。

  这种不同信道和不同调制功能的组合意味着无法直接兼容 LE 和传统规范。然而,这对开发人员来说不是问题,因为获得蓝牙兼容性认证的所有芯片和模块都能在适用于旧设备的传统蓝牙模式或具有DSSS功能的智能蓝牙模式下工作。

  蓝牙4.0和4.1通过采用四十个2 MHz信道获得低功耗优势,达到1 Mbit/s链路比特率和270 kbit/s应用吞吐率。尽管这些指标低于传统蓝牙,但将延迟由100 ms缩短至6 ms,弥补了应用比特率方面的不足,因为这样能更快地响应数据请求或者发送控制信号,故而对于组网和实施IoT显得更为重要。

  最大传输功耗也降至10 mW,覆盖距离缩短至50 m以内,因此适合许多IoT应用。蓝牙4.1能让设备同时支持多种功能角色,这样,智能蓝牙型产品可同时作为集线器和外设。 蓝牙技术可与其它无线技术共存,值得注意的便是同在2.4 GHz频段的 Wi-Fi 技术,这种共存性已经得到改进并增加了专用信道,也正是这些技术使得IoT应用成为现实。

  这种共存性源自逻辑链路控制及自适应架构(L2CAP),它利用64 KB信息包支持IoT所需的更高级别协议多路复用、信息包分割和重新组合、信息服务质量。这一架构基于每个终端均具有信道识别符(CID)的多个信道。CID 分配与特定设备有关,一个设备能够独立地从其它设备分配CID,因而易于在网络中添加设备。于是,我们可以把多个设备添加到菊花链中,简化了设置。

如何利用蓝牙4.1为物联网构建低功耗无线链路

  图 1:用于智能蓝牙4.1 的L2CAP信道架构可实现设备网络控制,扩大物联网范围。

  还有更多针对用户的支持功能。蓝牙4.1支持自动重新连接,因此用户进入房间时会重新连接。此外,蓝牙4.1还支持数据批量传输、链路设置和下载大型文件,而不再是保持稳定连接。

  通用属性配置规范(GATT)是将利用蓝牙4.1扩展的其中之一。这些属性规范在操作系统中提供了一个客户服务器应用编程接口(API),以及服务、特性和描述符。

这些GATT 用于处理当前应用的数据,如血压、心率、体温计、接近和找到我(Find Me)功能。 IoT 应用的新规范将会采用不同的方式汇集数据。

  服务属性、特性和描述符将由通用识别符(UUID集中识别。蓝牙SIG为标准属性预留了一些列UUID(其格式为 xxxxxxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB),这些通用识别符在规范中采用16位或32位短格式值表示,而非128 位,以保持较小代码长度并减少复杂性。

  GATT 规范为客户提供了大量命令,用于发现与服务器有关的信息。具体包括,发现所有主要服务的UUID,用已知 UUID 查找服务,然后发现辅助服务,以及为已知服务查找全部特性。所有这些均属于IoT应用规范。

  指令通过GATT 发出,用于将有关特性的数据从服务器传输至客户端(“读取”),以及从客户端传输至服务器(“写入”)。读取某个值时,可通过指定该特性的 UUID 或者由一个句柄值完成,该值来自信息发现指令。写操作始终会通过句柄识别特性,但都可以选择是否需要服务器做出响应。

  GATT 也发出这种通知和指示,这是 IoT 链路的关键部分。客户端可为来自服务器的特定特性请求一个通知,然后,只要相关的值进入有效状态,服务器就会将其发送至客户端。例如,一台设备上的温度传感器服务器会在每次测量时通知其客户端。这样可避免客户端对服务器进行轮询,从而省去了常规无线链路。除需要客户端做出响应,用于确认客户端收到该信息外,指示和通知类似。

  芯片和模块制造商正在GATT顶端增加多个层级,让系统开发人员利用这些规范开发自己的软件。这样,在使用蓝牙4.0和蓝牙4.1的现有全部芯片和模块升级系统后,软件还能与之兼容。

  Laird Wireless 等模块制造商正在消除这种复杂性,它们在使用如BT800等蓝牙4.0模块,并开发能在这些模块上支持蓝牙4.1的固件。BT800 采用由CSR提供、带有天线和接口的收发器,输出功率为8 dBm,在8.5 mm x 13 mm的紧凑基底面内集成了全部功能。该模块包含了支持BLE应用开发所需的全部硬件和固件,包括用于连接外设和传感器的UART、SPI、I2C、ADC 和 GPIO 接口。利用这些接口连接单线、双线或者多线链路会相对简单。

如何利用蓝牙4.1为物联网构建低功耗无线链路

  图2:利用Laird Wireless 的BT800智能蓝牙双模式模块,能很容易在现有设计中添加蓝牙4.1连接功能,进而升级至蓝牙4.1。

  Laird 增加了一种可使模块独立运行的事件驱动型编程语言,因此能通过任何接口直接连接传感器,而不必依赖外部处理器。一个简单的 smartBASIC 应用包含了从传感器数据读取、写入和处理,到再利用智能蓝牙将其传输至任何蓝牙 4.1 设备的全部端到端过程。

  同时,CSR 也会采用不同的方法来实现IoT组网,而且模块制造商也可以使用这些网络。尽管蓝牙 4.1 能提供从智能手机到其外设的八到十个独立链路,构建个人局域网或者菊花链链路,但CSR 开发出了位于蓝牙4.0 协议栈顶层的固件,用于控制网状网络中数量多达65,000 个的设备。

  这种具有潜在颠覆性的技术把智能手机置于IoT 的核心。CSR Mesh 网几乎能让无限个支持智能蓝牙的设备简单地连接在一起,并由一部手机、一台平板电脑或者PC直接控制。

  针对智能家庭和 IoT 应用进行了优化的解决方案,将一个配置和控制协议与CSR认可的智能蓝牙设备组合在一起,其中包括CSR101x 和CSR8811。用户利用这一解决方案,无论在什么位置,都能控制自己家中任何一个支持智能蓝牙的设备,如照明、供热和安防系统。在用户体验过程中,基于该协议的解决方案不需要复杂的设置、配对或者使用如路由器等接入设备,这一点至关重要。

  不同于其他家庭自动化连接解决方案,CSR Mesh 网能保证在家中的任何地方都能利用移动设备直接控制,因为既没有网络覆盖范围限制,也不需要集线器。开发人员不必使用专有解决方案或添加其他任何东西,就能构建无需复杂配置即可轻松工作的产品。

  CSR Mesh 网协议采用智能蓝牙中的一种模式向网络中的其它蓝牙设备发送信息。这些信息可发送至一个设备或者一组设备。一台设备也可以属于多个设备组。具体控制由支持智能蓝牙的电器(如灯具开关)或者由现在的大部分手机或平板电脑完成。

  为保证开发人员让自己的产品迅速面市,CSR 将发布针对用户的开发套件。该套件将提供安卓和 iOS 应用源代码以及获取CSR Mesh网的二进制库权限。

  软件不使用蓝牙4.1的特性,而是通过扩展蓝牙 4.0 来覆盖一个网状拓扑结构。这是一个泛洪网状网,非路由式网状网,因此所有设备可作为网络中的一员接入,向其它节点传送信息。 也就是说,这对于用户设置极为简单,因为该规范能自动处理信息传送任务。信息的原始发送设备可在网中任何位置,然后该信息被转发至覆盖范围以外的节点;为解决饱和和竞争问题,该协议包含了特性的年龄和转发次数。

  尽管蓝牙4.1可同时支持主、从模式,但仍需用户自己管理这些连接,且这些连接将在控制较小的或者核心的设备网络时发挥作用。这项技术中没有那些限制- 连接管理工作已降至很少。

  该标准将寻址、分组、关联和安全功能全部内置到数据包结构中。这类似于 IPv4,不过为网状网络本身提供了独立的地址字段。这使得该标准在简单的传感器信息、指令和控制总量方面远少于 IPv4. 目前,这项功能为CSR独有,并且我们正与主要客户和合作伙伴通过开源方式或者蓝牙SIG 进行功能标准化。

  通过让一组工程师布置五十个LED 灯泡并携带 Android 智能手机进入,CSR 证实网状网可直接由智能手机控制。没有经过正常的配置,但他们能控制这个照明网。

  CSR 还提供一整套软件开发工具,以支持使用其芯片的板设计和生产测试。该工具组合了USB编程接口和用于断开特定应用型传感器和致动器I/O的接口。这种全许可型CSR xIDE软件开发环境包括了各种应用以简化项目,具体如针对常见智能蓝牙规范的示例应用以及针对iOS和Android智能手机的主机应用。目标板通常由主机USB连接供电,但也能以板载钮扣电池为电源独立工作,以便进行功率测量。

如何利用蓝牙4.1为物联网构建低功耗无线链路

  图3:CSR 智能蓝牙开发系统允许开发人员在蓝牙GATT层顶端添加自己的功能。

将模块集成到设计中相对容易,不过在使用电池向这些设备供电时需要做出几项关键选择。这有助于普及采用蓝牙4.1的IoT应用,因为我们可以在现有设计中轻松添加模块。

  来自BlueGiga 的 BLE112模块采用Texas Instruments 的蓝牙4.0收发器,可直接由钮扣电池供电。由于钮扣电池具有相对较高的内阻,因此建议在该电池上并联一个100 μF电容器。钮扣电池的内阻初始值在10 Ω以内,但会随着容量的使用而急剧增大。

  电容值越高,电池的有效容量就越高,且应用的使用寿命越长。电容器的最小值取决于终端应用和所用的最高传输功率。一个100 μF 电容器的漏泄电流为0.5 μA至3 μA,一般情况下,陶瓷电容器的漏泄电流低于钽电容器或者铝电解电容器。

如何利用蓝牙4.1为物联网构建低功耗无线链路

  图4:BlueGiga 的 BLE112 智能蓝牙模块。在电池上并联电容器会延长电池寿命。

  在传输或接收操作以及数据处理期间,通过使用DC/DC转换器来减少电流消耗则是另一种选择。具有旁通模式的超低功耗DC/DC转换器能在传输期间减少电流消耗约20%并延长3 V 钮扣电池的使用寿命。

  总结

  在蓝牙标准的不断发展过程中,增加智能蓝牙4.1看起来只是其中的一小步,但却极有可能推动一些重大变革。设备、模块和系统开发人员的着眼点在于--仅在几乎是人人都有的智能手机控制下,让蓝牙4.0和4.1为广泛的低成本设备提供尖端的低功耗组网能力。将现成的终端接入由各种设备组成的网络是一个巨大优势,无论通过蓝牙4.1信道还是蓝牙4.0顶层网络,智能蓝牙技术将注定成为物联网的一项重大技术。


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