低功耗藍(lán)牙在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵特性

藍(lán)牙在無線人機(jī)接口設(shè)備和具有PC和手機(jī)連接的音頻外圍設(shè)備中找到了一席之地，催化了市場。盡管低功耗Wi-Fi設(shè)備的進(jìn)步為某些應(yīng)用提供了替代連接，但對(duì)藍(lán)牙的需求仍然強(qiáng)勁。另一方面，BLE由于其輪廓靈活性，易于使用手機(jī)和超低功耗特性而發(fā)展成為連接性的瑞士軍刀。BLE正在取代ZigBee等專有協(xié)議，成為低功耗、低成本物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中事實(shí)上的連接標(biāo)準(zhǔn)。

這種增長是由最近的BLE 5.0和BLE 5.1更新推動(dòng)的，這些更新改進(jìn)了BLE的規(guī)范。例如，改進(jìn)的范圍可確保任何BLE設(shè)備（如智能傳感器，智能鎖或燈泡）都可以從房屋的任何地方完美連接。這是實(shí)現(xiàn)真正智能家居的關(guān)鍵一步。改進(jìn)的范圍也有利于智能手表等設(shè)備，因此它們可以從位于不同房間的智能手機(jī)接收即時(shí)通知。

另一個(gè)實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)是數(shù)據(jù)速率的顯著提高，使信息傳輸更豐富，更智能。無連接服務(wù)，如提供上下文感知的信標(biāo)，將能夠傳輸更多信息。例如，信標(biāo)將能夠傳輸實(shí)際內(nèi)容，而不僅僅是通過URL指向內(nèi)容。這有可能通過轉(zhuǎn)向無連接物聯(lián)網(wǎng)而不是當(dāng)前的藍(lán)牙配對(duì)設(shè)備模型來重新定義當(dāng)今藍(lán)牙設(shè)備傳輸信息的方式。這還可以使 BLE 應(yīng)用（如資產(chǎn)跟蹤和智能廢物管理）使用 BLE Mesh 網(wǎng)絡(luò)更加智能。

然而，這些改進(jìn)的功能也需要在DMIP和內(nèi)存方面改進(jìn)處理器。底層硬件（即 SoC 或 MCU）必須進(jìn)行更改才能支持這些功能。對(duì)于大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而言，安全性是必不可少的、不可協(xié)商的功能。所有級(jí)別都需要數(shù)據(jù)保護(hù)，包括存儲(chǔ)、處理和通信期間，以確保系統(tǒng)的可靠性。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)人員更喜歡選擇具有內(nèi)置BLE、傳感器接口、安全功能和靈活外設(shè)的SoC。這也有助于他們減少物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的BOM和PCB空間。有關(guān)片上完全集成的無線系統(tǒng)的詳細(xì)討論，請(qǐng)參閱本系列的第 4 部分。

讓我們來看看使BLE靈活且易于用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一些功能。

關(guān)貿(mào)總協(xié)定概況 – 易用性

BLE 為典型應(yīng)用提供了多個(gè)通用屬性 （GATT） 配置文件，簡化了固件和兼容性標(biāo)準(zhǔn)。示例包括當(dāng)前時(shí)間服務(wù) （CTS）、“查找我”配置文件 （FMP）、心率服務(wù) （HRS）、無線照明控制（網(wǎng)狀配置文件）等。這些配置文件允許外設(shè)和服務(wù)器使用預(yù)定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相互通信，而開銷很小。這允許BLE使用比Wi-Fi等連接選項(xiàng)更簡單的協(xié)議。它還產(chǎn)生了非常高的數(shù)據(jù)傳輸效率。如果您的應(yīng)用程序適合現(xiàn)有的GATT配置文件，那么使用它很容易，因?yàn)樗鼫p少了固件開發(fā)時(shí)間并打開了現(xiàn)有應(yīng)用程序兼容性的大門。標(biāo)準(zhǔn) GATT 配置文件的列表可在 BLE SIG 網(wǎng)站上找到。

為了進(jìn)一步簡化固件創(chuàng)建過程，賽普拉斯的ModusToolbox等IDE為BLE提供了易于使用的圖形界面。這些配置器提供了添加標(biāo)準(zhǔn) GATT 服務(wù)并在固件創(chuàng)建之前對(duì)其進(jìn)行配置的選項(xiàng)，以便堆棧本身可以處理特定于服務(wù)的事件。這意味著應(yīng)用程序固件只需要處理高級(jí)事件。

自定義配置文件 – 靈活性

在特定應(yīng)用程序中，可能需要?jiǎng)?chuàng)建不符合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn) GATT 服務(wù)的自定義配置文件。示例包括自定義傳感器接口、電容式觸摸感應(yīng)和 RGB LED 照明。這些創(chuàng)新接口有助于使用一個(gè) SoC 集成許多功能，從而提供更好的功耗和成本優(yōu)勢。

基于 GUI 的固件設(shè)計(jì)方法也有助于自定義配置文件。圖 3 顯示了自定義用戶界面示例的配置。

盡管 BLE 提供了用于配對(duì)和鏈路層的安全選項(xiàng)，但如果 SoC 支持加密塊，則可以使用自定義配置文件實(shí)現(xiàn)其他安全措施。這些 SoC 需要在硬件中提供完整的安全鏈。與其等效的固件實(shí)現(xiàn)相比，這些硬件 SoC 安全功能需要更少的時(shí)間和精力。

功耗

BLE是低功耗連接的理想解決方案。數(shù)據(jù)速率可以通過調(diào)整連接間隔和MTU（最大傳輸單元）大小來換取低功耗。片上系統(tǒng)中的集成BLE還允許SoC有效地使用深度睡眠電源模式，正如我們?cè)诒緦谙盗械牡?部分中所討論的那樣。SoC 可以在 BLE 事件上從深度睡眠電源模式喚醒并處理數(shù)據(jù)。即使在高數(shù)據(jù)速率（高達(dá)2Mbps）下，BLE在低數(shù)據(jù)速率連接方面也比Wi-Fi具有相當(dāng)大的功率優(yōu)勢。雙核 SoC 通過使用配套內(nèi)核進(jìn)行 BLE 堆棧操作，同時(shí)主 MCU 可以自由運(yùn)行應(yīng)用固件，從而提供更大的靈活性，從而使系統(tǒng)能夠在深度睡眠模式下花費(fèi)更多時(shí)間。

廣播

BLE是一種基于數(shù)據(jù)包的協(xié)議，具有主/從架構(gòu)。但是，它提供了一種無憂無慮的廣播公司模式，不需要配對(duì)?！靶艠?biāo)”可以使用廣播器模式將消息傳輸給多個(gè)聽眾。該技術(shù)使智能設(shè)備能夠在靠近信標(biāo)時(shí)執(zhí)行特定操作。設(shè)計(jì)用于支持信標(biāo)的設(shè)備應(yīng)超低，因?yàn)楣β适菑V播的主要要求之一。BLE信標(biāo)還可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)位置跟蹤功能。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通過支持多個(gè)互連節(jié)點(diǎn)，將BLE從簡單的主/從架構(gòu)發(fā)展到一種。這允許大量低功耗物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)（最多32767個(gè)?。┫嗷ネㄐ?，并消除了對(duì)集線器/路由器的需求。BLE Mesh使用加密和經(jīng)過身份驗(yàn)證的消息實(shí)現(xiàn)受控的泛洪網(wǎng)絡(luò)?；鞠⒍未笮?11 字節(jié)，但使用分段和重新組裝，可以擴(kuò)展到 384 字節(jié)。消息具有操作碼、序列號(hào)、生存時(shí)間 （TTL） 以及源地址和目標(biāo)地址。尋址是靈活的，可用于表示單個(gè)節(jié)點(diǎn)或一組節(jié)點(diǎn)。BLE Mesh還為網(wǎng)絡(luò)和特定應(yīng)用程序功能提供不同類型的密鑰的粒度身份驗(yàn)證。借助BLE Mesh，網(wǎng)絡(luò)可以通過智能手機(jī)或低成本橋接設(shè)備（如智能揚(yáng)聲器）或使用Wi-Fi / BT組合橋接到互聯(lián)網(wǎng)。與專有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議ZigBee相比，BLE Mesh協(xié)議提供了低成本的硬件和基于熟悉的藍(lán)牙的輕量級(jí)協(xié)議棧，它帶來了與手機(jī)，PC和現(xiàn)有BLE，BT和WiFi / BT設(shè)備的互操作性。

審核編輯：郭婷