從單品互聯(lián)到全屋智能：BLE協(xié)議如何引爆下一代家居交互革命

萬物互聯(lián)時代，全屋智能正從概念走向現(xiàn)實(shí)，而藍(lán)牙低功耗（BLE）技術(shù)憑借獨(dú)特優(yōu)勢，已成為構(gòu)建智慧家庭生態(tài)的核心驅(qū)動力之一。作為一項成熟且持續(xù)創(chuàng)新的無線通信協(xié)議，BLE技術(shù)不僅以“低功耗”定義行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，更憑借Mesh組網(wǎng)能力打破場景疆界，為智能家居設(shè)備提供了靈活、可靠、可擴(kuò)展的解決方案，有力推動了全屋智能的落地應(yīng)用。

據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院整理數(shù)據(jù)顯示，2023年我國智能家居市場規(guī)模為7257億元，預(yù)計到2024年將達(dá)7848億元，到2025年將達(dá)到8526億元，同比增長率約為10%。隨著未來新房建設(shè)和老房改造的需求增多，以及物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等技術(shù)的更新迭代，智能家居市場將呈上升態(tài)勢持續(xù)發(fā)展，市場滲透率亦有望逐步提高，市場潛力巨大。

BLE 技術(shù)，推動智能家居發(fā)展的 “重要引擎”

BLE技術(shù)在繼承傳統(tǒng)藍(lán)牙功能的同時，將功耗大幅降低，是專為傳感器、智能門鎖、溫控器等對功耗要求苛刻、數(shù)據(jù)傳輸量小、需要長期穩(wěn)定運(yùn)行的小型終端設(shè)備而設(shè)計。其可通過優(yōu)化的協(xié)議棧設(shè)計、LE Power Control（功率控制）功能與休眠算法等能力，大幅提升這些小型終端設(shè)備在電池供電條件下的使用壽命，是各種小型智能家居設(shè)備理想的無線連接解決方案。

BLE設(shè)備工作在2.4GHz的ISM頻段，該頻段共劃分了40個信道（信道帶寬為2MHz）。其中，3 個Advertising信道（37、38、39）用于設(shè)備的發(fā)現(xiàn)和連接請求等操作，37 個Data信道用于數(shù)據(jù)傳輸。

BLE設(shè)備可以周期性地通過Advertising信道發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包，其他設(shè)備則可通過掃描操作監(jiān)聽廣播數(shù)據(jù)包以發(fā)現(xiàn)可連接的 BLE 設(shè)備。例如：當(dāng)一個BLE設(shè)備發(fā)現(xiàn)另一個BLE設(shè)備并希望建立連接時，它會發(fā)送連接請求，如果目標(biāo)設(shè)備接受請求，雙方就會建立起一個點(diǎn)對點(diǎn)的連接。連接建立后，設(shè)備之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向傳輸，從而實(shí)現(xiàn)各種智能控制功能。

BLE技術(shù)采用了快速連接和斷開機(jī)制，BLE設(shè)備在大部分時間可處于休眠狀態(tài)，僅在需要傳輸數(shù)據(jù)時才被短暫激活，如智能手表與手機(jī)連接后，平時可處于低功耗監(jiān)聽模式，有數(shù)據(jù)交互時才喚醒工作，大大降低了能耗。

此外，BLE技術(shù)還具有成熟的開發(fā)工具和軟件協(xié)議棧，開發(fā)者可利用豐富的開源資源和示例代碼，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本與技術(shù)門檻。同時，BLE技術(shù)還采用了先進(jìn)的糾錯和重傳機(jī)制，在有干擾的環(huán)境中也能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，如在信道擁擠的環(huán)境中，BLE設(shè)備仍能準(zhǔn)確傳輸數(shù)據(jù)。

BLE Mesh技術(shù)，推動單品互聯(lián)到全屋智能

隨著智能家居市場的持續(xù)發(fā)展，藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行一對一、一對多的數(shù)據(jù)通信已逐漸難以滿足眾多智能家居設(shè)備互聯(lián)互通的連接需求，而藍(lán)牙低功耗網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（BLE Mesh）技術(shù)支持多對多網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌愃凭W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)），多個藍(lán)牙設(shè)備可以互相發(fā)送消息并可作為中繼點(diǎn)將消息轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備，從而擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，讓智能家居設(shè)備之間可以自由交流、協(xié)同工作，是推動單品互聯(lián)到全屋智能的重要技術(shù)驅(qū)動力之一。

BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 圖源：SIG

BLE Mesh技術(shù)是建立在BLE協(xié)議基礎(chǔ)上的一種通信協(xié)議，旨在為BLE設(shè)備創(chuàng)建一個多節(jié)點(diǎn)、多跳的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，使設(shè)備之間能夠進(jìn)行高效、可靠的通信。其利用了藍(lán)牙技術(shù)廣泛的市場接受度和低功耗特性，將藍(lán)牙的應(yīng)用場景從傳統(tǒng)的一對一或一對多連接擴(kuò)展到了大規(guī)模的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。

接入BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備都可以被稱為節(jié)點(diǎn)，而所有節(jié)點(diǎn)都能夠在Mesh網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送并接收消息。此外，一些節(jié)點(diǎn)（如傳感器）的電池有可能會被耗盡，而其他節(jié)點(diǎn)（如照明設(shè)備、制造機(jī)械和安防攝像機(jī)）則會通過主電網(wǎng)來獲取電力，不同節(jié)點(diǎn)的處理能力會存在差異，因此不同節(jié)點(diǎn)在mesh網(wǎng)絡(luò)中可扮演不同的角色，主要表現(xiàn)出上表的四個節(jié)點(diǎn)特征（Features）。

BLE mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡示圖

如上圖所示，當(dāng)BLE節(jié)點(diǎn)1（手機(jī)、平板）需要向低功耗節(jié)點(diǎn)1（傳感器）傳輸信息時，會通過GATT Bearer向中繼節(jié)點(diǎn)2發(fā)送信息，中繼節(jié)點(diǎn)則通過ADV Bearer在廣播信道轉(zhuǎn)發(fā)BLE節(jié)點(diǎn)1（手機(jī)、平板）的信息，而朋友節(jié)點(diǎn)1、普通節(jié)點(diǎn)3和中繼節(jié)點(diǎn)2都在其無線信號覆蓋范圍內(nèi)并接收到消息，朋友節(jié)點(diǎn)1作為低功耗節(jié)點(diǎn)1（傳感器）的好友會儲存接收到的信息，而低功耗節(jié)點(diǎn)1（傳感器）會在喚醒后查詢朋友節(jié)點(diǎn)1的儲存信息來取得BLE節(jié)點(diǎn)1（手機(jī)、平板）發(fā)送給它的消息并做相應(yīng)的處理。

在萬物互聯(lián)的時代發(fā)展背景下，各種傳感器、溫控器與濕度計等小型終端已被廣泛嵌入至智能家居系統(tǒng)之中，它們依靠電池供電且需要長時間穩(wěn)定的運(yùn)行，還必須周期性地向控制中心匯報監(jiān)測信息，而BLE Mesh 技術(shù)憑借網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、低功耗特性與低成本優(yōu)勢，完美契合大量低功耗設(shè)備的互聯(lián)需求，可為智能家居系統(tǒng)的高效運(yùn)作提供堅實(shí)支撐。

值得一提的是，當(dāng)BLE Mesh技術(shù)為全屋智能成功搭建起設(shè)備互通的網(wǎng)絡(luò)骨架時，如何將各種家居設(shè)備完美接入網(wǎng)絡(luò)中就成為了行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，而這則需要底層BLE芯片在通信性能、功耗控制與功能集成等維度上通過設(shè)計實(shí)現(xiàn)。

例如，CMT4531就是一款超低功耗物聯(lián)網(wǎng)藍(lán)牙無線通信芯片，搭載 32 位 ARM?Cortex?-M0 內(nèi)核，最高工作主頻64MHz，配備48KB SRAM與256KB FLASH，具有超低功耗、高性能和無線多模的特點(diǎn)，支持無線數(shù)據(jù)透傳功能、全雙工雙向通訊，最低波特率9600bps。

CMT4531 產(chǎn)品框圖

CMT4531 支持BLE高速數(shù)據(jù)吞吐，包括BLE 2Mbps PHY協(xié)議與長度擴(kuò)展功能；同時，CMT4531還可完全支持BLE Mesh協(xié)議下的Friend、LowPower、Proxy、Relay等多種節(jié)點(diǎn)特性，是打造智能家居BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)的理想選擇之一。

展望未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，BLE 技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用前景將更加廣闊。它將不斷拓展新的應(yīng)用場景，與其他前沿技術(shù)深度融合，為智能家居的發(fā)展注入源源不斷的動力，引領(lǐng)我們邁向更加智能、美好的未來生活。