低功耗藍(lán)牙技術(shù)在消費類電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)中推進(jìn)發(fā)展

低功耗藍(lán)牙? （BLE） 可能還不在您的電子設(shè)計范圍內(nèi)，但很快就會的。 這種無線連接技術(shù)在過去三年里呈現(xiàn)出爆炸式增長。 如今，這種技術(shù)已在數(shù)百萬電子設(shè)備中實現(xiàn)了低功耗連接，如智能手表、健身跟蹤器、智能手機(jī)配件和醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀。 借助即將實現(xiàn)的技術(shù)提升，BLE 已經(jīng)為在下一代消費類電子產(chǎn)品和新興的物聯(lián)網(wǎng)中變得更普及做好了準(zhǔn)備。

許多技術(shù)提升已經(jīng)運用到了藍(lán)牙 4.1 中，這是最近針對內(nèi)核規(guī)范的升級。 其中包括，支持更高效的大批量數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備間更高的通信靈活性、同步雙模角色，以及向基于 IP 的通信邁出第一步。 綜上所述，這些技術(shù)提升使得 BLE 在功耗、性能和成本方面更加誘人。

除了有關(guān)藍(lán)牙 4.1 的技術(shù)提升外，BLE 芯片本身也在不斷改進(jìn)。 得益于能效的提升，第二代 BLE 的傳輸功耗將下降約 66%，但不會影響傳輸距離或性能。

鑒于 BLE 最近的變化以及即將發(fā)生更多改變，現(xiàn)在是時候考慮這種技術(shù)的地位以及未來發(fā)展方向了。

BLE 的基本原理

對于已針對低功耗，而非最大數(shù)據(jù)傳輸速度經(jīng)過優(yōu)化的無線通信設(shè)備，BLE 是最為合適的技術(shù)。 該技術(shù)的功耗可低至傳統(tǒng)藍(lán)牙平均功耗的百分之一。 相比傳統(tǒng)藍(lán)牙 40 mA 或更高的峰值電流，BLE 的峰值電流將低至 15 mA。 憑借如此節(jié)能的電流消耗，BLE 可在一枚紐扣電池供電的情況下工作數(shù)月或數(shù)年（視具體應(yīng)用而定）。

BLE 在大多數(shù)時間內(nèi)關(guān)閉無線功能，因此主要實現(xiàn)了低功耗。 BLE 僅掃描三個廣播通道，其無線喚醒信號僅發(fā)送或接受數(shù)據(jù)短脈沖，采用 8 到 27 個八位字節(jié)的小數(shù)據(jù)包。 BLE 還能很快地設(shè)置連接，進(jìn)一步減少無線啟用時間。 BLE 能在 3 ms 的短時間內(nèi)傳輸經(jīng)過驗證的數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)藍(lán)牙完成相同任務(wù)則需要 1000 ms。

在數(shù)據(jù)速率方面，BLE 的最大實際數(shù)據(jù)速率通常遠(yuǎn)低于 100 kbs。 因此，這種藍(lán)牙技術(shù)不是針對采用傳統(tǒng)藍(lán)牙的連續(xù)數(shù)據(jù)流應(yīng)用，后者的數(shù)據(jù)速率可達(dá) 3 Mbps。

BLE 與傳統(tǒng)藍(lán)牙還存在其他技術(shù)差異。 主要表現(xiàn)在，BLE 采用星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、在每個從屬節(jié)點的每個數(shù)據(jù)包上采用 32 位存取地址。從理論上將，這將允許在規(guī)定時間內(nèi)連接數(shù)十億個設(shè)備。 相比之下，傳統(tǒng)藍(lán)牙的微微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)每次僅允許連接最多八個設(shè)備。

圖 1：低功耗藍(lán)牙設(shè)備采用紐扣電池供電時可工作數(shù)年。

BLE 技術(shù)的其他特性：

經(jīng)過優(yōu)化的 GSFK 調(diào)制功能。 BLE 與傳統(tǒng)藍(lán)牙一樣采用 GSFK 調(diào)制方法。 然而，BLE 采用更高調(diào)制指數(shù)和 2 MHz 信道，以實現(xiàn)更低的位誤差率，即實現(xiàn)更大的傳輸范圍。

自適應(yīng)跳頻。 當(dāng)設(shè)備連接后，BLE 技術(shù)采用與傳統(tǒng)藍(lán)牙相同的自適應(yīng)調(diào)頻方案。 自適應(yīng)調(diào)頻能將來自 2.4 GHz ISM 頻段內(nèi)的其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)干擾降至最低，這一頻段由許多工作在該頻段內(nèi)的無線設(shè)備共享。

魯棒性。 BLE 針對每個數(shù)據(jù)包采用 24 位單循環(huán)冗余檢查 （CRC），從而允許包頭和數(shù)據(jù)字段檢測奇數(shù)位誤差以及 2 位和 4 位誤差。 這種 24 位 CRC 相比 16 位或者 32 位 CRC 已針對 BLE 的數(shù)據(jù)有效負(fù)載進(jìn)行了優(yōu)化。

嚴(yán)格的安全性。 BLE 利用由美國政府為保護(hù)數(shù)據(jù)而開發(fā)的 128 位高級加密系統(tǒng) （AES-128） 進(jìn)行加密和驗證。

藍(lán)牙 4.1 的另一大亮點便是其雙模能力。 盡管諸如傳感器或電話配件等設(shè)備通常使用 BLE，但智能手機(jī)、平板電腦常作為無線集線器，并通過 BLE 和傳統(tǒng)藍(lán)牙進(jìn)行通信。 藍(lán)牙內(nèi)核規(guī)范使這種雙模成為可能。 從本質(zhì)上講，雙模模塊組合了傳統(tǒng)藍(lán)牙和 BLE 的通信堆棧并允許共享天線。 單模和雙模設(shè)備分別被命名為智能藍(lán)牙 （Bluetooth Smart） 和智能藍(lán)牙就緒 （Bluetooth Smart Ready）。

BLE 將如何發(fā)展

即使現(xiàn)在，BLE 技術(shù)也已能為要求低功耗無線連接的設(shè)備提供出色的解決方案。 不過，BLE 的能效將變得更高，藍(lán)牙 4.1 中的技術(shù)改進(jìn)將使設(shè)計人員更容易地設(shè)計下一代無線設(shè)備，設(shè)計將用于組成物聯(lián)網(wǎng)的智能對象。

藍(lán)牙 4.1 的這些技術(shù)改進(jìn)向后兼容傳統(tǒng)設(shè)備，具體包括：

多角色支持。 鏈路層和雙模拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化將使雙模設(shè)備同時作為智能藍(lán)牙就緒集線器和智能藍(lán)牙設(shè)備。

數(shù)據(jù)交換效率。 在本地邏輯鏈路控制和適配協(xié)議 （L2CAP） 中增加面向連接的信道，能在將開銷降至最小的同時，更有效地在 BLE 設(shè)備之間進(jìn)行大批量數(shù)據(jù)傳輸。

連接能力的提升。 工程師們將能更加靈活地創(chuàng)建和維護(hù)藍(lán)牙連接，包括自動重復(fù)連接。

基于 IP 的連接。 新內(nèi)核規(guī)范為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展開辟了一條坦途，并通過增加 L2CAP 專用信道來構(gòu)筑 IPv6 通信的技術(shù)基礎(chǔ)。

低功耗無線的替代品

在低功耗無線通信方面，低功耗藍(lán)牙 （BLE） 并非最好的技術(shù)。 ANT 和 ZigBee 均有能力與之并存，且這兩種技術(shù)在市場中均占有一席之地。 但是，當(dāng)您考慮到技術(shù)能力以及 BLE 屬于開放協(xié)議這一事實時，BLE 便會顯現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。

圖 2： ZigBee 與 BLE 的電池壽命和數(shù)據(jù)傳輸速率對比。

低功耗藍(lán)牙的實現(xiàn)策略

確定應(yīng)用協(xié)議后，接下來便是如何實現(xiàn)；購買 BLE 模塊或者構(gòu)建自己的分立式解決方案。 這種兩種方法都可行，但在三種情形下更宜采用模塊：

產(chǎn)量小。 產(chǎn)量低于 100，000 臺時，模塊相比分立元件具有明顯的成本優(yōu)勢。 總結(jié)一個芯片型 BLE 產(chǎn)品的開發(fā)、制造、RF 認(rèn)證和測試成本，您會發(fā)現(xiàn)通常需要 150，000 與 200，000 美元。 將這些成本分?jǐn)偟綌?shù)量少于 100，000 臺的設(shè)備上時，你會發(fā)現(xiàn) RF 成本會相當(dāng)高。 當(dāng)產(chǎn)量在 100，000 至 150，000 臺之間時，從總成本看，無論模塊式還是芯片型解決方案都差不多。 當(dāng)產(chǎn)量超過 150，000 臺時，分立式解決方案則優(yōu)勢明顯。

實現(xiàn)快速面市目標(biāo)。 當(dāng)考慮產(chǎn)品快速面市時，模塊產(chǎn)品仍占優(yōu)勢。 分立式 RF 應(yīng)用通常需要三至六個月才能完成開發(fā)，并且這還是經(jīng)驗豐富的工程團(tuán)隊所需的時間。 通過用 API 和文本指令集替換大量定制編程，采用模塊能簡化開發(fā)過程。 而且模塊已事先通過認(rèn)證，不必考慮認(rèn)證時間和成本。 因此，模塊在數(shù)周內(nèi)就可直接運用到新產(chǎn)品設(shè)計中，從而獲得顯著的面市時間優(yōu)勢。

實現(xiàn)長壽命。 在壽命超過集成電路的產(chǎn)品中，模塊永不過時。 在模塊設(shè)計中，可根據(jù)需要加入新芯片，而不必改變原有引腳布局、功能、尺寸或者固件接口。

圖 3：模塊與芯片成本對比。

低功耗藍(lán)牙模塊

Panasonic 提供多種 BLE 模塊。 以下列出其中的三種模塊：

圖 4：PAN1740 單模低功耗藍(lán)牙模塊。

PAN1740 單模低功耗藍(lán)牙——“nanoPower”

0 dBm 時的發(fā)射電流：5 mA

小基底面：9 x 9.5 x 1.9 mm

高靈敏度（典型值 -93 dBm）

發(fā)射功率控制可達(dá)最大 0 dBm

即裝即用

自主、獨立運行

智能藍(lán)牙? 模塊

嵌入式 BLE 堆棧和 GATT 規(guī)范

工業(yè)溫度范圍：-40°C 至 +85°C

兩個內(nèi)置晶體振蕩器

集成防 EMI 屏蔽層

無需外部元件

圖 5：PAN1720/PAN1721 單模低功耗藍(lán)牙模塊。

PAN1720 和 PAN1721 單模低功耗藍(lán)牙模塊

15.6 x 8.7 x 1.9 mm 表面貼裝封裝

典型發(fā)射功率可達(dá) 4.0 dBm，具有發(fā)射功率控制功能

高靈敏度，典型值為 -94 dBm

基于 Texas Instrument 的 CC2540 單芯片 BLE 解決方案

高性能、低功耗 8051 微控制器內(nèi)核

無需外部元件

快速連接設(shè)置

內(nèi)置 26 MHz 晶體振蕩器

內(nèi)置 32kHz 晶體振蕩器，用于睡眠定時器

兩個功能強(qiáng)大的 USART

電池監(jiān)控器和溫度傳感器

PAN1720 提供 USB 接口

PAN1721 提供 I2C 接口

圖 6：PAN1326 雙模 BLE 模塊和傳統(tǒng)模塊。

PAN1326 雙模 BLE 模塊和傳統(tǒng)模塊

業(yè)內(nèi)一流的藍(lán)牙 RF 性能，實現(xiàn)了發(fā)射功率、接收靈敏度和阻斷能力

完全符合 Bluetooth 4.0 + EDR 規(guī)范

尺寸：6.5 mm x 9 mm x 1.7 mm （PAN1316）

認(rèn)證：藍(lán)牙、FCC、CE 和 IC

工作溫度范圍：-40°C 至 85°C

規(guī)范：支持所有規(guī)范

基于 TI 的 CC2564

幾乎可以與所有微控制器集成

適用于 ACL 和 eSCO 的超快速算法

支持?jǐn)U展范圍，10.5 dBm 典型輸出的發(fā)射功率

預(yù)期藍(lán)牙 4.1 中的技術(shù)改進(jìn)會在 2014 年早些時候會出現(xiàn)在 BLE 和雙模芯片及模塊中。 展望未來，一場 BLE 技術(shù)革命正在上演 ，并將積極影響電池供電型應(yīng)用的功率預(yù)算。

從正在沖擊市場的新型 BLE 分立 IC 和模塊，我們能感到這場技術(shù)革命已經(jīng)開始。 盡管某些制造商已經(jīng)采納了這些器件的商業(yè)名稱，如 Panasonic 的 nanoPower 系列，但其通常被稱作超低功耗 BLE。 相比現(xiàn)有的 BLE 設(shè)備，Nanopower 設(shè)備的發(fā)射和接收電流消耗降低了 66%，相比傳統(tǒng)藍(lán)牙設(shè)備則幾乎降低了 90%。 而且，這些器件在減小電流消耗的同時，并沒有減小發(fā)射距離和發(fā)射功率，也沒有改變藍(lán)牙規(guī)范。