物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中常用的低功耗自組網(wǎng)無線傳輸方案（一）_藍牙綜述篇

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中為什么要使用藍牙模塊

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用藍牙模塊的原因主要有以下幾點：

技術(shù)特性與優(yōu)勢

短距離無線通信能力：藍牙模塊作為一種短距離無線通信技術(shù)，能夠在短距離內(nèi)實現(xiàn)設(shè)備之間的快速連接和數(shù)據(jù)傳輸，非常適合物聯(lián)網(wǎng)中設(shè)備間的互聯(lián)互通。

抗干擾能力強：藍牙模塊具有較強的抗干擾能力，能夠在復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定工作，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。

低功耗特性：低功耗藍牙（BLE）技術(shù)的引入，使得藍牙模塊在保持連接和數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，能夠顯著降低能耗，延長設(shè)備的使用壽命，這對于物聯(lián)網(wǎng)中的可穿戴設(shè)備、智能家居設(shè)備等尤為重要。

體積小、易集成：藍牙模塊體積小、重量輕，易于集成到各種設(shè)備中，不會增加設(shè)備的體積和重量，便于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的部署和應(yīng)用。

全球免費協(xié)議：藍牙協(xié)議是全球免費的，這降低了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的成本，使得藍牙模塊在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用更加廣泛和普及。

應(yīng)用場景廣泛

智能穿戴設(shè)備：藍牙模塊在智能手環(huán)、智能手表等穿戴設(shè)備中廣泛應(yīng)用，通過藍牙連接手機等終端設(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時同步和遠程控制。

智能家居：在智能家居領(lǐng)域，藍牙模塊可用于智能音箱、智能電視、智能家電等設(shè)備的互聯(lián)互通，實現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的遠程控制和管理。同時，藍牙傳感器還可以用于家庭安防監(jiān)測、環(huán)境檢測等。

智慧醫(yī)療：藍牙技術(shù)在智慧醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，如通過藍牙定位實現(xiàn)醫(yī)院室內(nèi)導(dǎo)航、醫(yī)療設(shè)備的遠程監(jiān)控和管理等。此外，藍牙模塊還可以用于實時監(jiān)測患者的健康數(shù)據(jù)，提高醫(yī)療服務(wù)的效率和質(zhì)量。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)：在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，藍牙模塊可用于自動化生產(chǎn)線的監(jiān)測和管理，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量控制。同時，藍牙傳感器還可以監(jiān)測機器設(shè)備的運行狀態(tài)，及時預(yù)測故障并進行維護。

智慧城市：藍牙技術(shù)在智慧城市中的應(yīng)用前景廣闊，如通過藍牙定位技術(shù)實現(xiàn)城市中的室內(nèi)導(dǎo)航、人員定位、交通管理等。此外，藍牙傳感器還可以用于城市環(huán)境監(jiān)測、智能路燈管理等。

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用藍牙模塊的原因主要基于其技術(shù)特性和廣泛應(yīng)用場景。藍牙模塊以其短距離無線通信能力、抗干擾能力強、低功耗特性、體積小易集成以及全球免費協(xié)議等優(yōu)勢，在物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮著重要作用。同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用場景的不斷拓展，藍牙模塊在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用前景將更加廣闊。

本文會再為大家詳解無線通信模塊家族中的一員——藍牙。

1.藍牙模塊定義

藍牙模塊，是一種集成藍牙功能的PCBA板，用于短距離無線通訊，藍牙模塊將芯片和外圍硬件電路集成到一個PCB上，開發(fā)出所需的內(nèi)置程序?qū)崿F(xiàn)藍牙功能的設(shè)備?？梢酝ㄟ^相關(guān)接口和MCU控制設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸、可實現(xiàn)藍牙標準通信和組網(wǎng)。本文從藍牙模塊的不同的分類方式上去梳理藍牙模塊的類型，盡量的從分類方式的角度去了解藍牙模塊所具備一些特性和功能。

2.藍牙模塊分類

2.1按照協(xié)議類型分

（1）經(jīng)典藍牙模塊

經(jīng)典藍牙模塊(BT)泛指支持藍牙協(xié)議4.0以下的模塊，可以細分為：傳統(tǒng)藍牙模塊和高速藍牙模塊。

傳統(tǒng)藍牙模塊：藍牙誕生之初，使用的是BR基本速率技術(shù)，此時藍牙的理論傳輸速率，只能達到721.2Kbps，在2004年推出支持藍牙2.0協(xié)議的模塊，在智能手機時代爆發(fā)，新增EDR藍牙增強速率（Enhanced Data Rate）技術(shù)，通過提高多任務(wù)處理和多種藍牙設(shè)備同時運行的能力，使得藍牙設(shè)備的傳輸率可達 3Mbps，是藍牙1.2技術(shù)傳輸速率的三倍。因此除了可獲得更穩(wěn)定的音頻流傳送和更低的耗電量之外，還可充分利用帶寬優(yōu)勢同時連接多個藍牙設(shè)備。

高速藍牙模塊：高速藍牙模塊在2009年推出，主要代表是支持藍牙3.0協(xié)議的模塊，新增了High Speed技術(shù)，可以使藍牙調(diào)用802.11 WiFi用于實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，傳輸率高達24Mbps，是傳統(tǒng)藍牙模塊的8倍。

經(jīng)典藍牙模塊一般用于連續(xù)流式傳輸音頻和數(shù)據(jù)量比較大的傳輸，如：語音、音樂、無線耳機、設(shè)備間文件傳輸、打印機、無線音箱等。

（2）低功耗藍牙模塊

低功耗藍牙模塊（BLE）指支持2010年推出藍牙協(xié)議4.0或更高的模塊，最大的特點是成本和功耗的降低。藍牙低功耗技術(shù)采用可變連接時間間隔，這個間隔根據(jù)具體應(yīng)用可以設(shè)置為幾毫秒到幾秒不等。BLE技術(shù)采用非?？焖俚倪B接方式，因此可以處于“非連接”狀態(tài)(節(jié)省能源)，此時鏈路兩端只有在必要時才開啟鏈路，然后在盡可能短的時間內(nèi)關(guān)閉鏈路。

低功耗藍牙應(yīng)用于實時性要求比較高，但是低速率，低功耗的場景，如鼠標鍵盤、心率檢測器和溫度計等傳感器設(shè)備、智能家居、智能穿戴這類不需要大數(shù)據(jù)量交互的場景中，非常適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

綜上所述，經(jīng)典藍牙并不是BLE的過時版本，經(jīng)典藍牙和低功耗藍牙共存并用于不同的應(yīng)用，這完全取決于每個人的不同需求。

2.2按照對協(xié)議的支持分

按照對藍牙協(xié)議棧支持的數(shù)量可以分為單模模塊和雙模模塊。單模和雙模的概念是在BLE藍牙出現(xiàn)之后才有的，我們應(yīng)該根據(jù)成本、應(yīng)用程序和功能選擇需要的模塊。

（1）單模模塊

單模模塊就是指支持藍牙某一種協(xié)議的模塊，僅支持經(jīng)典藍牙(BT)協(xié)議或者低功耗藍牙(BLE)協(xié)議。

（2）雙模模塊

雙模式模塊是指同時支持經(jīng)典藍牙(BT)協(xié)議和低功耗藍牙(BLE)協(xié)議的模塊，可以運行兩套協(xié)議堆棧。雙模模塊有兩類：經(jīng)典藍牙(僅限數(shù)據(jù))+ BLE和經(jīng)典藍牙(數(shù)據(jù)+音頻)+ BLE。因此雙模模塊具有很好的靈活性和兼容性。

藍牙雙模無疑是未來的主流。經(jīng)典藍牙功耗較大，4.0以后的藍牙BLE功耗小，但不支持音頻協(xié)議及受數(shù)據(jù)傳輸速度限制，藍牙雙模則是綜合了兩者的優(yōu)缺點，既可以支持音頻傳輸，同樣可支持數(shù)據(jù)傳輸，功耗低，并且兼容性也是兩者之和。

2.3按照功能分

站在藍牙模塊傳輸內(nèi)容大小的功能角度來說，可以分為以下幾種。

（1）數(shù)據(jù)模塊

一般使用比較多的是數(shù)據(jù)模塊，也就是低功耗藍牙，也叫透傳藍牙模塊。對于數(shù)據(jù)量不大，傳輸近距離，運行和待機功耗有嚴格要求的設(shè)備來說是一個很好的選擇，由于功耗方面的優(yōu)勢，4.0藍牙模塊目前已占據(jù)移動數(shù)據(jù)傳輸大部分份額，并且規(guī)模和份額還有望繼續(xù)成長。

（2）音頻模塊

而音頻模塊就需要非常大碼流的數(shù)據(jù)傳輸，所以比較適合經(jīng)典的藍牙模塊。

（3）數(shù)據(jù)和音頻復(fù)合模塊

可以同時實現(xiàn)語音、音頻、數(shù)據(jù)的傳輸，在移動互聯(lián)，數(shù)據(jù)+音頻應(yīng)用的大趨勢下，數(shù)據(jù)和音頻復(fù)合的雙模模塊是一個很好的選擇。

2.4按照芯片設(shè)計分

這是根據(jù)模塊中藍牙芯片使用的存儲類型來區(qū)分的。

（1）ROM版本

一般是芯片廠家的ROM版芯片，特點是芯片廠家將標準的應(yīng)用PROFILES 固化在芯片中，一般是固定功能的，用戶無法對芯片內(nèi)程序進行修改?？赏饨覧EPROM，存儲空間較小，可用于存放藍牙地址、設(shè)備名稱、PIN 碼等。

使用ROM版本芯片做的產(chǎn)品差異化較少，但是開發(fā)簡單，對于一些常規(guī)產(chǎn)品，不需要深度定制化的產(chǎn)品，選用ROM版本芯片可以開發(fā)進度，加快產(chǎn)品上市時間。適合大規(guī)模的批量生產(chǎn)，價格很低，比較常見的是用于dongle、藍牙耳機模塊、手機模塊、鼠標鍵盤模塊等，可以修改配置參數(shù)，但基本功能是固定的。大規(guī)模民用產(chǎn)品一般選用ROM版模塊，如市場上的USB藍牙適配器，由于大部分協(xié)議會運行在PC內(nèi)部，對芯片處理能力要求很低，因此芯片廠家會推出價格很低的產(chǎn)品。

（2）FLASH版本

芯片一般內(nèi)置FLASH，存儲空間較大，如果要做一些客戶自定義的產(chǎn)品，比如需要增加一些傳感器、與外部MCU進行通信，增加藍牙協(xié)議或服務(wù)，則需要使用FLASH版本，客戶可在FLASH版本芯片的已有工程上添加自己的工程代碼，開發(fā)自己的固件，做出差異化的產(chǎn)品，相對來說靈活性高一些。

FLASH版本的芯片價格高，但用戶可以按自已的應(yīng)用需求進行，由于芯片內(nèi)置了FLASH存儲，其各性能表現(xiàn)出色，同時內(nèi)置了音頻編解碼電路，適合各種語音網(wǎng)關(guān)等應(yīng)用。工業(yè)藍牙應(yīng)用一般應(yīng)采用FLASH版本的芯片生產(chǎn)的模塊，運行速度快，具備高集成度、高可靠性、高性能指標等特點。

（3）EXT版本

EXT模塊采用的芯片沒有FLASH存儲，需外擴存儲器件，用戶可以進行應(yīng)用開發(fā)，特點是價格適中，不足是穩(wěn)定性、功耗等性能差異大，同時大部分EXT芯片沒有音頻解碼電路，如需實現(xiàn)音頻傳輸需外接編解碼器件。

2.5按照功率分

針對功率來說，低功耗藍牙和經(jīng)典藍牙又有區(qū)別。

低功耗藍牙沒有功率的級別，傳輸距離可超過100m，5.0協(xié)議的距離甚至可達300m，具體距離看產(chǎn)品的設(shè)計功率。低功耗藍牙技術(shù)的調(diào)制與傳統(tǒng)藍牙技術(shù)略有不同。這一不同的調(diào)制以10mwdb的無線芯片組（低功耗藍牙最大功率）實現(xiàn)最遠300m的連接范圍，也就是說整個家居及樓宇范圍都能覆蓋，實現(xiàn)更加穩(wěn)健且可靠的連接。

經(jīng)典藍牙有3個級別的功率，用Class表示，按照藍牙規(guī)范的規(guī)定，Class并不用來規(guī)定距離的，而是標明發(fā)射功率。藍牙模塊發(fā)射功率參數(shù)確定后，實際發(fā)射效率與射頻電路、天線效率相關(guān)，藍牙模塊的通訊距離與發(fā)射功率、接收靈敏度及應(yīng)用環(huán)境密切相關(guān)，藍牙工作在2.4G頻段，穿透能力較差，在有遮擋的情況下，應(yīng)在實際現(xiàn)場測試通訊效果。功率控制的目的是將輻射控制在限制范圍內(nèi)，而不會干擾相鄰藍牙設(shè)備的正常工作，使用鏈路管理協(xié)議來實現(xiàn)主從設(shè)備之間的功率控制算法。

（1）Class 1

Class 1輸出功率為1mW (0dBm)～100mW (20dBm)，支持100m傳輸距離，為達到最大范圍，功率控制是強制。Class 1是用在大功率，遠距離的藍牙產(chǎn)品上，但因成本高和耗電量大，不適合作個人通訊產(chǎn)品之用(手機、藍牙耳機、藍牙Dongle等等)，故多用在遠距離傳輸上。

遠距離傳輸一般很少人會用到，但如果想要遠距離傳輸音頻，遠距離連接音響，更常見是在一些大型會場、舞臺、工業(yè)場景，用支持Class 1的藍牙適配器是最好的解決方案。

（2）Class 2

Class 2輸出功率為0.25mW (-6dBm)～2.5mW (4dBm)，功率控制可選，正常情況下1mW(0dBm)支持10m傳輸距離，只要發(fā)射功率能超過0dBm就是屬于Class 2的范圍，但是如果超過4dBm的話，那就是Class 1。

現(xiàn)在市面上常見的藍牙設(shè)備大多是功耗Class 2，多用于手機內(nèi)、藍牙耳機、藍牙Dongle 的個人通訊產(chǎn)品上，耗電量和體積較小，同時方便攜帶。

（3）Class 3

Class 3輸出功率為≤ 1mW (0dBm)，支持1m傳輸距離。輸出功率最低，Class 3類設(shè)備由于其覆蓋距離非常有限，所以不常見。

2.6按照支持的溫度分

（1）商業(yè)級

溫度范圍約為0℃~70℃。一般用在普通的民用產(chǎn)品中，在生活中較為常見且價格較低便宜。適用于環(huán)境條件(如溫度、EMC和機械應(yīng)力)處于輕度至中等水平的消費產(chǎn)品應(yīng)用。如各種消費類的電子產(chǎn)品，智能家電，娛樂設(shè)備、移動計算、相機、顯示器、路由器和測試設(shè)備等。

（2）工業(yè)級

溫度范圍約為-40℃～85℃。一般用在工業(yè)環(huán)境中，同時也能夠在環(huán)境不太好的室外或者有干擾的情況下運行。與商業(yè)級產(chǎn)品相比，工業(yè)級產(chǎn)品可以承受更極端的環(huán)境，適合、預(yù)期或要求用于工業(yè)用途的類型或質(zhì)量，例如在運輸、工廠自動化、高沖擊和振動的環(huán)境。

（3）汽車級

溫度范圍約為-40℃～125℃。一般用在車載或惡劣環(huán)境中，由于汽車在啟動過程中，會產(chǎn)生很高的熱量，因此在高溫方面，會比工業(yè)級高一些，在價格上也會比工業(yè)級貴一些，其可能會受到高水平的EMI、碰撞、沖擊和振動以及極端溫度的影響。因此該類型產(chǎn)品專為汽車、交通運輸和其它關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用而設(shè)計，符合行業(yè)標準汽車規(guī)范。

（4）軍工級

溫度范圍約為-55℃～150℃。一般用在軍方的設(shè)備中，因此對其要求也是最嚴格的，主要使用在導(dǎo)彈、飛機、坦克、航母等軍工領(lǐng)域，檔次是最先進的，精密度高，工藝先進同時價格也很昂貴，軍工級一般要比工業(yè)級領(lǐng)先數(shù)年時間。

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審核編輯 黃宇