如何快速實(shí)現(xiàn)BLE信標(biāo)

藍(lán)牙信標(biāo)支持基于鄰近的上下文感知，但在產(chǎn)品上實(shí)施信標(biāo)可能會(huì)帶來一些有趣的設(shè)計(jì)和開發(fā)挑戰(zhàn)。首先，沒有官方的藍(lán)牙特別興趣組(SIG)信標(biāo)標(biāo)準(zhǔn);相反，一些偽標(biāo)準(zhǔn)正在出現(xiàn)。然后是范圍確定、對(duì)整體功率預(yù)算的影響以及確保安全性的問題。

在定義了信標(biāo)并簡(jiǎn)要介紹了來自 Apple、Google 和 Radius Networks 的競(jìng)爭(zhēng)信標(biāo)方法之后，我們將討論如何最好地實(shí)施信標(biāo)以應(yīng)對(duì)這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

什么是信標(biāo)?

信標(biāo)是一種小型、電池供電的無線設(shè)備，它使用低功耗藍(lán)牙 (BLE) 來宣傳其存在和服務(wù)。它通過向其附近的兼容設(shè)備(例如智能手機(jī))廣播(廣告)信標(biāo)標(biāo)識(shí)符來做到這一點(diǎn)。該標(biāo)識(shí)符還包含少量可自定義的嵌入數(shù)據(jù)。例如，智能手機(jī)上的 BLE 掃描儀會(huì)定期掃描廣告數(shù)據(jù)包，然后對(duì)其進(jìn)行解碼以確定信標(biāo)設(shè)備的位置和服務(wù)并進(jìn)行相應(yīng)的交互。

新興的偽標(biāo)準(zhǔn)利用了 BLE 的一些原生設(shè)施和藍(lán)牙的廣泛使用。比較突出的是 Apple 的 iBeacon、Google 的開源 Eddystone 和 Radius Networks 的 AltBeacon(參見表 1)。

表 1：操作系統(tǒng)對(duì) BLE 技術(shù)和信標(biāo)偽標(biāo)準(zhǔn)的支持。

接近感知應(yīng)用程序依賴于知道哪些信標(biāo)在附近。但是信標(biāo)的 RF 范圍可以從 <1 米到 500 m 不等，具體取決于發(fā)射功率，因此僅根據(jù)接收信標(biāo)標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù)包來確定接近度是不切實(shí)際的。在實(shí)踐中，通過將信標(biāo)的廣告數(shù)據(jù)包中校準(zhǔn)的發(fā)射功率數(shù)字與接收信號(hào)強(qiáng)度指示器 (RSSI) 進(jìn)行比較來近似距離。環(huán)境和其他因素會(huì)影響信號(hào)強(qiáng)度，但對(duì)于接近應(yīng)用來說，大致距離通常就足夠了。藍(lán)牙規(guī)范的未來版本可能會(huì)包含多天線到達(dá)角 (AoA) 和出發(fā)角 (AoD) 功能，以準(zhǔn)確確定另一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備的空間位置。 信標(biāo)服務(wù)和數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu) 一個(gè)信標(biāo)可以包括多個(gè)服務(wù)。當(dāng)需要廣告服務(wù)時(shí)，其通用唯一標(biāo)識(shí)符 (UUID) 會(huì)在設(shè)備的廣告數(shù)據(jù)包中廣播。隨后，當(dāng)藍(lán)牙掃描儀接收到廣告數(shù)據(jù)包時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)將 UUID 注冊(cè)到特定的應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序會(huì)執(zhí)行后續(xù)操作。

廣告和數(shù)據(jù)包的格式相同(圖1)。信標(biāo)遵循標(biāo)準(zhǔn)的廣告數(shù)據(jù)包格式，并將數(shù)據(jù)有效負(fù)載嵌入到偽標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)定義結(jié)構(gòu)中。這允許操作系統(tǒng)將信標(biāo)的廣告數(shù)據(jù)包與其他藍(lán)牙廣告數(shù)據(jù)包區(qū)別對(duì)待。

圖 1：數(shù)據(jù)包和廣告包的 BLE 包格式相同。

BLE 設(shè)備以可選的時(shí)間間隔傳輸廣告數(shù)據(jù)包，從 20 毫秒到幾分鐘不等。每次設(shè)備發(fā)布廣告時(shí)，都會(huì)在所有三個(gè)廣告通道上發(fā)送相同的數(shù)據(jù)包，這使得掃描儀更有可能將其拾取。

在廣告包中，數(shù)據(jù)有效載荷被構(gòu)造為一個(gè)或多個(gè)(長(zhǎng)度、類型、數(shù)據(jù))三元組。長(zhǎng)度字段定義后續(xù)類型和數(shù)據(jù)字段的組合大小。其后是類型字段，它指定數(shù)據(jù)是名稱、服務(wù) UUID、通用資源標(biāo)識(shí)符 (URI) 還是許多其他已定義數(shù)據(jù)類型之一。接下來是數(shù)據(jù)包。

傳輸單個(gè)信標(biāo)數(shù)據(jù)包最多可能需要 376 μs，但可能會(huì)更短，具體取決于偽標(biāo)準(zhǔn)，并且發(fā)生這種情況的頻率是功耗和可接受的應(yīng)用程序延遲之間的權(quán)衡。

設(shè)計(jì)信標(biāo)產(chǎn)品的注意事項(xiàng)

在其最基本的形式中，信標(biāo)可以使用無線片上系統(tǒng) (SoC) 設(shè)備或模塊以及電池和機(jī)械外殼來實(shí)現(xiàn)。更典型地，信標(biāo)將包括提供功能性用戶交互的其他組件以及傳感器。預(yù)先認(rèn)證的模塊方法提供了最快的上市時(shí)間，避免了大量的前期工程投資和 RF 合規(guī)性測(cè)試，而分立 SoC 設(shè)計(jì)可以節(jié)省尺寸或成本(圖 2)。

圖 2：典型的預(yù)認(rèn)證 BLE 信標(biāo)模塊和藍(lán)牙 SoC 參考設(shè)計(jì)。

出于電源管理的原因，選擇一個(gè)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的、主動(dòng)管理睡眠模式的 BLE 堆棧至關(guān)重要：每 100 毫秒僅廣播 1 毫秒意味著，在 99% 的時(shí)間里，它應(yīng)該處于睡眠狀態(tài)。此外，最好使用可以定義多種信標(biāo)幀類型(iBeacon、Eddystone-URL 等)及其時(shí)序參數(shù)的堆棧。然后堆棧可以自主地交錯(cuò)這些，而無需運(yùn)行更耗電的應(yīng)用程序代碼。

其他重要的軟件功能包括作為故障安全機(jī)制的看門狗定時(shí)器、用于設(shè)置信標(biāo)開/關(guān)周期以保持電力的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，以及支持固件更新的能力。

信標(biāo)應(yīng)用程序代碼可以相對(duì)簡(jiǎn)單，并使用高級(jí)編程語言(如 BGScript)實(shí)現(xiàn)(圖 3)。這種方法的好處是開發(fā)人員可以專注于應(yīng)用程序，而不是底層協(xié)議棧的時(shí)間和復(fù)雜性。

圖 3：BGM111 BLE 模塊的 BGScript iBeacon 示例代碼。

此示例代碼支持 BGM111 模塊。代碼的廣告包被構(gòu)造為使用 Apple AirLocate Service UUID 74278bda-b644-4520-8f0c-720eaf059935，主要和次要字段為 0x00，這意味著它們未設(shè)置。0xD0 的校準(zhǔn) Tx 功率值與一米處的 –48 dBm 相關(guān)。

信標(biāo)的發(fā)射功率和信標(biāo)間隔在電池壽命和權(quán)衡所需范圍和接近精度方面發(fā)揮著重要作用(圖 4)。更高的發(fā)射功率提供更遠(yuǎn)的范圍和更廣的覆蓋范圍，但發(fā)射器會(huì)隨著每個(gè)信標(biāo)事件更快地消耗電池電量。

圖 4：信標(biāo)的平均電池壽命由發(fā)射功率及其發(fā)射/睡眠占空比決定。

在性能方面，較短的信標(biāo)間隔意味著有更多的信標(biāo)事件要捕獲，提供更多的運(yùn)動(dòng)分辨率，因此，更好的定位精度。更長(zhǎng)的間隔意味著信標(biāo)的電池壽命更長(zhǎng)，但被捕獲的機(jī)會(huì)更少，尤其是被移動(dòng)的智能手機(jī)捕獲。

安全信標(biāo)僅廣播，因此它們不收集數(shù)據(jù)。然后，范圍內(nèi)的智能手機(jī)通常通過 Wi-Fi 或其蜂窩網(wǎng)絡(luò)訪問廣播服務(wù)。因此，信標(biāo)不會(huì)構(gòu)成任何額外的安全威脅或攻擊面。對(duì)于信標(biāo)提供者，當(dāng)附加到信標(biāo)具有貨幣價(jià)值時(shí)，例如通過獎(jiǎng)勵(lì)積分，必須注意拒絕來自同一設(shè)備的持續(xù)請(qǐng)求。這是使用時(shí)間戳和其他技術(shù)完成的。這同樣適用于信標(biāo)的設(shè)備管理功能，其中使用標(biāo)準(zhǔn) BLE 安全功能(例如配對(duì)和身份驗(yàn)證)來限制對(duì)內(nèi)部功能的訪問。

結(jié)論

很難想象在不久的將來我們都不會(huì)被信標(biāo)應(yīng)用所觸動(dòng)。事實(shí)上，它們可能是下一個(gè)殺手級(jí)應(yīng)用。數(shù)百個(gè)行業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)師在采用無線技術(shù)時(shí)將面臨許多新挑戰(zhàn)。選擇具有創(chuàng)新技術(shù)、經(jīng)過市場(chǎng)驗(yàn)證的堆棧和出色的客戶支持的合適供應(yīng)商將有助于確保開發(fā)人員擁有流暢的體驗(yàn)和卓越的最終產(chǎn)品。

　　審核編輯：湯梓紅