一文看懂無(wú)線通信之藍(lán)牙BLE技術(shù)

目前全球有超過(guò)一億種的設(shè)備支持藍(lán)牙技術(shù)，其中超過(guò)五成是使用在手機(jī)上，藍(lán)牙技術(shù)是消費(fèi)性電子產(chǎn)品無(wú)線傳輸?shù)慕鉀Q方案。有超過(guò)一半的消費(fèi)者手上至少有一種支持藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)備，全球大多數(shù)消費(fèi)者都能識(shí)別此品牌標(biāo)志。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議對(duì)比

我們比較熟悉的網(wǎng)絡(luò)有Zigee，WIFI、Bluetooth（傳統(tǒng)藍(lán)牙，新一代藍(lán)牙也發(fā)生了巨大的變化），他們?nèi)咧g的關(guān)系可以從下圖中看出來(lái)。

從上圖中可以看到不同的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸距離有各自的使用范圍。

Zigbee、藍(lán)牙以及WIFI標(biāo)準(zhǔn)都是工作在2.4GHz頻段的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)。下面將BLE與傳統(tǒng)藍(lán)牙、WIFI標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡(jiǎn)要的比較，幫助讀者快速地了解。

傳統(tǒng)藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸速率小于3Mbps，典型數(shù)據(jù)傳輸距離為2-10m，藍(lán)牙技術(shù)的典型應(yīng)用是在兩部手機(jī)之間進(jìn)行小量數(shù)據(jù)的傳輸。

WIFI最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)50Mbps，典型數(shù)據(jù)傳輸距離在30-100m，WIFI技術(shù)提供了一種Intemet的無(wú)線接入技術(shù)。

藍(lán)牙4.0

藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)是使用范圍最廣泛的全球短距離無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)之一，全新的藍(lán)牙4.0版本將三種藍(lán)牙技術(shù)（即傳統(tǒng)藍(lán)牙，高速藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙技術(shù)）合而為一。它集成了藍(lán)牙技術(shù)在無(wú)線連接上的固有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)增加了高速藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙的特點(diǎn)，這三個(gè)規(guī)格可以組合使用，也可以單獨(dú)使用。

低功耗藍(lán)牙即BLE是藍(lán)牙4.0的核心規(guī)范，該技術(shù)最大特點(diǎn)是擁有超低的運(yùn)行功耗和待機(jī)功耗，藍(lán)牙低功耗設(shè)備使用一粒紐扣電池可以連續(xù)工作數(shù)年之久，可應(yīng)用于對(duì)成本和功耗都有嚴(yán)格要求的無(wú)線方案，而且隨著智能機(jī)的發(fā)展將有著更加廣泛的領(lǐng)域。

2016年6月，國(guó)際藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟提出了藍(lán)牙5.0的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

藍(lán)牙BLE

低功耗藍(lán)牙技術(shù)Bluetooth Low Energy

國(guó)際藍(lán)牙聯(lián)盟（BT-SIG）通過(guò)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙無(wú)線協(xié)議。

BLE規(guī)范中定義了GAP（Generic Access Profile）和GATT（Generic Attribute）兩個(gè)基本配置文件。

協(xié)議中的GAP層負(fù)責(zé)設(shè)備訪問(wèn)模式和進(jìn)程，包括設(shè)備發(fā)現(xiàn)，建立連接。終止連接。初始化安全特征和設(shè)備配置。

協(xié)議棧中的GATT層用于已連接的藍(lán)牙設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。

BLE是一種標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了短距離、低數(shù)據(jù)傳輸速率無(wú)線通信所需要的一系列通信協(xié)議?；贐LE的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)所使用的工作頻段為868MHz、915MHz和2.4GHz，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps。

藍(lán)牙4.0與傳統(tǒng)藍(lán)牙之間的關(guān)系

Smart Ready和Smart以及傳統(tǒng)藍(lán)牙之間是什么關(guān)系呢，請(qǐng)看下圖：

Smart Ready可以和Smart Ready、傳統(tǒng)藍(lán)牙，以及Smart之間相互連接和通信。

傳統(tǒng)藍(lán)牙可以和Smart Ready、傳統(tǒng)藍(lán)牙之間連接和通信

Smart可以和Smart、Smart Ready之間連接和通信

低功耗藍(lán)牙與其他藍(lán)牙兼容性示意

雙模設(shè)備

1：BasicRate（BR），2：Bluetooth Low Energy（BLE），同時(shí)支持BR和BLE的設(shè)備為dual-mode（雙模）設(shè)備，也就是這里討論的Smart Ready。Smart Ready是藍(lán)牙4.0里的主體，一般具有穩(wěn)定電源供電的設(shè)備，如手機(jī)，PC等采用的均是雙模的藍(lán)牙芯片。

單模設(shè)備

那么Smart又是什么呢，Smart是藍(lán)牙4.0里的低功耗藍(lán)牙的商標(biāo)，也就是Bluetooth Low Energy，縮寫為L(zhǎng)E或者BLE，網(wǎng)上關(guān)于藍(lán)牙4.0一節(jié)紐扣電池能夠使用一年均是針對(duì)BLE而言。Smart Ready功耗還是很大的，需要有穩(wěn)定的電源供電，像手機(jī)、PC等設(shè)備，而Smart由于功耗低，一般使用電池、或紐扣電池供電。

Smart的最主要特點(diǎn)是低功耗和低速率。

BLE的特點(diǎn)

總體而言，BLE技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

1、高可靠性

對(duì)于無(wú)線通信而言，由于電磁波在傳輸過(guò)程中容易受很多因素的干擾，例如，障礙物的阻擋、天氣狀況等，因此，無(wú)線通信系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，具有內(nèi)在的不可靠性。藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟SIG在指定藍(lán)牙4.0規(guī)范時(shí)已經(jīng)考慮到了這種數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的內(nèi)在的不確定性，在射頻，基帶協(xié)議，鏈路管理協(xié)議中采用可靠性措施，包括：差錯(cuò)檢測(cè)和矯正，進(jìn)行數(shù)據(jù)編解碼，數(shù)據(jù)加噪等，極大的提供藍(lán)牙無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，另外，使用自適應(yīng)調(diào)頻技術(shù)，最大程度的減少和其他2.4G無(wú)線電波的串?dāng)_。

2、低成本、低功耗

低功耗藍(lán)牙支持兩種部署方式：雙模式和單模式，一般智能機(jī)上采用雙模，外設(shè)一般采用BLE單模。

低功耗設(shè)計(jì)：藍(lán)牙4.0版本強(qiáng)化了藍(lán)牙在數(shù)據(jù)傳輸上的低功耗性能，功耗較傳統(tǒng)藍(lán)牙降低了90%。

傳統(tǒng)藍(lán)牙設(shè)備的待機(jī)耗電量一直是其缺陷之一，這與傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)采用16——32個(gè)頻道進(jìn)行廣播有很大關(guān)系，而低功耗藍(lán)牙僅適用3個(gè)廣播通道，且每次廣播時(shí)射頻的開(kāi)啟時(shí)間也有傳統(tǒng)的22.5ms減少到0.6~1.2ms，這兩個(gè)協(xié)議規(guī)范的改變，大幅降低了因?yàn)閺V播數(shù)據(jù)導(dǎo)致的待機(jī)功耗。

低功耗藍(lán)牙設(shè)計(jì)用深度睡眠狀態(tài)來(lái)替換傳統(tǒng)藍(lán)牙的空閑狀態(tài)，在深度睡眠狀態(tài)下，主機(jī)Host長(zhǎng)時(shí)間處于超低的負(fù)載循環(huán)Duty Cycle狀態(tài)，只在需要運(yùn)作時(shí)由控制器來(lái)啟動(dòng)，由于主機(jī)較控制器消耗的能源更多，因此這樣的設(shè)計(jì)也節(jié)省了更多的能源。

(3)快速啟動(dòng)、瞬間連接

此前藍(lán)牙版本的啟動(dòng)速度非常緩慢，2.1版本的藍(lán)牙啟動(dòng)連接需要6s時(shí)間，而藍(lán)牙4.0版本僅需要3ms即可完成，幾乎是瞬間連接。

4、傳輸距離極大提供

傳統(tǒng)藍(lán)牙傳輸距離一般2-10m，而藍(lán)牙4.0的有效傳輸距離可以達(dá)到60~100m，傳輸距離提升了10倍，極大開(kāi)拓了藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用前景。

5、高安全性

為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕褂肁ES-128 CCM加密算法進(jìn)行數(shù)據(jù)包加密認(rèn)證。

BLE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信信道分析

天線對(duì)于無(wú)線通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，在日常生活中可以看到各式各樣的天線，如手機(jī)天線、電視接收天線等，天線的主要功能可以概括為：完成無(wú)線電波的發(fā)射與接收。發(fā)射時(shí)，把高頻電流轉(zhuǎn)換為電磁波發(fā)射出去；接收時(shí)，將電磁波轉(zhuǎn)換為高頻電流。

如何區(qū)分不同的電波呢？

一般情況，不同的電波具有不用的頻譜，無(wú)線通信系統(tǒng)的頻譜有幾十兆赫茲到幾千兆赫茲，包括了收音機(jī)、手機(jī)、衛(wèi)星電視等使用的波段，這些電波都使用空氣作為傳輸介質(zhì)來(lái)傳播，為了防止不同的應(yīng)用之間相互干擾，就需要對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的通信信道進(jìn)行必要的管理。

各個(gè)國(guó)家都有自己的無(wú)線電管理結(jié)構(gòu)，如美國(guó)的聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)、歐洲的典型標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(ETSI)，我國(guó)的無(wú)線電管理機(jī)構(gòu)稱為中國(guó)無(wú)線電管理委員會(huì)，其主要職責(zé)是負(fù)責(zé)無(wú)線電頻率的劃分、分配與指配、衛(wèi)星軌道位置協(xié)調(diào)和管理、無(wú)線電監(jiān)測(cè)、檢測(cè)、干擾查處，協(xié)調(diào)處理電磁干擾事宜和維護(hù)空中電波秩序等。

一般情況，使用某一特定的頻段霈要得到無(wú)線電管理部門的許可，當(dāng)然，各國(guó)的無(wú)線電管理部門也規(guī)定了一部分頻段是對(duì)公眾開(kāi)放的，不需要許可即可使用，以滿足不同的應(yīng)用需求，這些頻段包括ISM（Industrial. Scientific and Medical-I業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療）頻帶。

除了ISM頻帶外，在我國(guó)，低于135kHz，在北美、日本等地，低于400kHz的頻帶也是免費(fèi)頻段。各國(guó)對(duì)無(wú)線頻譜的管理不僅規(guī)定了ISM頻帶的頻率，同時(shí)也規(guī)定了在這些頻帶上所使用的發(fā)射功率，在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要查閱相關(guān)的手冊(cè)，如我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部發(fā)布的《微功率（短距離）無(wú)線電設(shè)備管理規(guī)定》。

BLE工作在ISM頻帶，定義了兩個(gè)頻段，2.4GHz頻段和896/915MHz頻帶。在IEEE 802.15.4中共規(guī)定了27個(gè)信道：

在2.4GHz頻段，共有16個(gè)信道，信道通信速率為250kbps：

在915MHz頻段，共有10個(gè)信道，信道通信速率為40kbps：

在868MHz頻段，有1個(gè)信道，信道通信速率為20kbpS。

BLE工作在2.4GHz頻段，僅適用3個(gè)廣播通道，適用所有藍(lán)牙規(guī)范版本通用的自適應(yīng)調(diào)頻技術(shù)。

自適應(yīng)調(diào)頻技術(shù)是建立在自動(dòng)信道質(zhì)量分析基礎(chǔ)上的一種頻率自使用和功率自適應(yīng)控制相結(jié)合的技術(shù)，他能使調(diào)頻通信過(guò)程中自動(dòng)避開(kāi)被干擾的調(diào)頻頻點(diǎn)并以最小的發(fā)射功率、最低的被截獲概率，達(dá)到在無(wú)干擾的調(diào)頻信道上長(zhǎng)時(shí)間保持優(yōu)質(zhì)通信的目的。

BLE技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

一直以來(lái)，藍(lán)牙技術(shù)在配件方面的應(yīng)用都更受關(guān)注，但隨著移動(dòng)時(shí)代的迅猛發(fā)展，BLE將會(huì)有更大的用武之地。事實(shí)上，BLE的低功耗技術(shù)，在設(shè)計(jì)之初便主打醫(yī)療與健康監(jiān)控等特殊市場(chǎng) ，而總的來(lái)說(shuō)，藍(lán)牙4.0的發(fā)展方向?qū)⑹沁\(yùn)動(dòng)管理、醫(yī)療健康照護(hù)、智能儀表、智能家居以及各種物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用。

在醫(yī)療健康領(lǐng)域

過(guò)去不少健康類的應(yīng)用都是基于藍(lán)牙2.1協(xié)議去做的，但因受限于耗電問(wèn)題而未能掀動(dòng)太大波瀾。BLE化解這一難題后，市場(chǎng)被強(qiáng)力激活。如由英特爾發(fā)起，并由許多不同醫(yī)療技術(shù)與保健機(jī)構(gòu)成立的Continua健康聯(lián)盟，便已決議將BLE納入日后的標(biāo)準(zhǔn)傳輸技術(shù)中。

現(xiàn)在市場(chǎng)上已有許多采用藍(lán)牙2.1規(guī)格的醫(yī)療產(chǎn)品，如血壓計(jì)、血糖儀等，未來(lái)，通過(guò)Continua健康聯(lián)盟正式認(rèn)證的藍(lán)牙4.0規(guī)格的醫(yī)療類產(chǎn)品肯定會(huì)越來(lái)越多。健康應(yīng)用方面，BLE也有廣闊的市場(chǎng)空間，其可以與健身設(shè)備進(jìn)行無(wú)縫結(jié)合，人們?cè)谑褂媒∩砥鞑臅r(shí)，就能通過(guò)相關(guān)設(shè)備如計(jì)步器、脈搏機(jī)等來(lái)傳送并記錄運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)入移動(dòng)設(shè)備，保存?zhèn)€人的健康信息。

在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域

目前市場(chǎng)上的所有智能設(shè)備都是物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)發(fā)展的推動(dòng)力量，但BLE能夠起到打通物聯(lián)網(wǎng)的和傳感器設(shè)備之間的“關(guān)節(jié)”的節(jié)點(diǎn)作用，這將從關(guān)鍵意義上推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的真正發(fā)展。由于藍(lán)牙技術(shù)一向關(guān)注上層應(yīng)用，有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此各種各樣的底層硬件雖出自不同制造廠家，卻可以互聯(lián)互通，能夠形成完善的生態(tài)環(huán)境，為自身及物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品市場(chǎng)都創(chuàng)造了良好環(huán)境。

有分析認(rèn)為，當(dāng) BLE把每個(gè)人的安卓或者其他移動(dòng)設(shè)備變?yōu)橐粋€(gè)傳感器標(biāo)簽時(shí)，它所能做的將不僅僅是通過(guò)應(yīng)用軟件去找東西，而是將擁有巨大的可拓展性，如它可以通過(guò)App和傳感器來(lái)構(gòu)建一個(gè)P2P的網(wǎng)絡(luò)以模擬GPS的功能等?？傊?，當(dāng)BLE傳感器無(wú)處不在時(shí)，定然蘊(yùn)藏著巨大商機(jī)。

智能照明

目前市場(chǎng)上傳統(tǒng)的智能燈光大部分都是有線控制，或必須要有一個(gè)的遙控器，對(duì)燈光進(jìn)行控制。存在控制距離有限，不夠靈活的問(wèn)題。低功耗藍(lán)牙智能MESH燈，利用低功耗藍(lán)牙技術(shù)，采用MESH組網(wǎng)技術(shù)，只需在您的智能手機(jī)上安裝一個(gè)app，即可實(shí)現(xiàn)燈光的智能組網(wǎng)控制更加方便，靈活，同時(shí)支持遙控器設(shè)備。

智能遙控器、機(jī)頂盒

隨著智能電視的發(fā)展，傳統(tǒng)的遙控器已經(jīng)越來(lái)越無(wú)法滿足用戶的需求，語(yǔ)音遙控正在逐漸成為標(biāo)配。使用我們的智能語(yǔ)音遙控方案，通過(guò)語(yǔ)音控制智能電視等設(shè)備，可以使用戶更加快速有效的選取自己的所喜歡的節(jié)目。

HID設(shè)備應(yīng)用

采用低功耗藍(lán)牙技術(shù)，相較傳統(tǒng)藍(lán)牙鍵盤鼠標(biāo)，具有功耗更低，配對(duì)連接更加快速方便的特點(diǎn)。在客戶現(xiàn)有的鼠標(biāo)、鍵盤上，可以增加BLE實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速升級(jí)。

.小家電

在傳統(tǒng)小家電上，例如，豆?jié){機(jī)、電飯煲等，增加低功耗藍(lán)牙控制，將其升級(jí)為更加智能的小家電設(shè)備，通過(guò)智能手機(jī)對(duì)小家電進(jìn)行開(kāi)關(guān)、預(yù)約等各種控制，還可以對(duì)小家電進(jìn)行故障自檢、固件升級(jí)等功能，給生活帶來(lái)不一樣的體驗(yàn)。

Beacon應(yīng)用

Beacon基于藍(lán)牙廣播給手機(jī)發(fā)送信息，能幫助商家優(yōu)化經(jīng)營(yíng)策略，利用用戶的地理位置提供服務(wù)。

商家可以利用beacon設(shè)備通知消費(fèi)者有哪些新產(chǎn)品，提供代金券，鼓勵(lì)消費(fèi)者的沖動(dòng)性消費(fèi)。也能用Beacon技術(shù)所取得的數(shù)據(jù)，比如地理位置和購(gòu)買記錄，提供更多消費(fèi)者滿意度信息，更好地提供服務(wù)。

停車場(chǎng)找車位場(chǎng)景，不用掏出手機(jī)，手表上的震動(dòng)反饋就能幫你找到空位和愛(ài)車也是beacon理想的應(yīng)用。

智能消息推送、產(chǎn)品廣告推廣、室內(nèi)定位導(dǎo)航正在逐漸成為趨勢(shì)，要實(shí)現(xiàn)這些功能，Beacon產(chǎn)品的作為基礎(chǔ)的硬件設(shè)備，不可或缺。同時(shí)蘋果ibeacon、微信搖一搖，阿里等互聯(lián)網(wǎng)巨頭也在推動(dòng)beacon應(yīng)用發(fā)展。

Bluetooth的靈魂在于應(yīng)用而非速度，如何讓應(yīng)用的門檻更低，讓上手更容易，讓設(shè)備自動(dòng)化程度更高，需要用戶介入的過(guò)程越少，使用者的感 受越好，數(shù)據(jù)的可靠程度越高，移動(dòng)的便利性越強(qiáng)，那么它就是Bluetooth該努力的方向，如今隨著物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用發(fā)展，藍(lán)牙5.0的技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生，讓我們一起祝福Bluetooth有一個(gè)更好的將來(lái)吧。