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[经验] 浅谈:无线通信中的蓝牙BLE技术

2019-11-28 09:42:51  795 蓝牙技术 BLE
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  目前全球有超过一亿种的设备支持蓝牙技术,其中超过五成是使用在手机上,蓝牙技术是消费性电子产品无线传输的解决方案。 有超过一半的消费者手上至少有一种支持蓝牙技术的设备,全球大多数消费者都能识别此品牌标志。
  一、无线网络数据传输协议对比
  我们比较熟悉的网络有Zigee,WIFI、Bluetooth(传统蓝牙,新一代蓝牙也发生了巨大的变化),他们三者之间的关系可以从下图中看出来。


  从上图中可以看到不同的无线数据传输协议在数据传输速率和传输距离有各自的使用范围。Zigbee、蓝牙以及WIFI标准都是工作在2.4GHz频段的无线通信标准。 下面将BLE与传统蓝牙、WIFI标准进行简要的比较,帮助读者快速地了解。
  传统蓝牙数据传输速率小于3Mbps,典型数据传输距离为2-10m,蓝牙技术的典型应用是在两部手机之间进行小量数据的传输。WIFI最高数据传输速率可达50Mbps,典型数据传输距离在30-100m,WIFI技术提供了一种Intemet的无线接入技术。
  二、蓝牙4.0
  蓝牙无线技术是使用范围最广泛的全球短距离无线标准之一,全新的蓝牙4.0版本将三种蓝牙技术(即传统蓝牙,高速蓝牙和低功耗蓝牙技术)合而为一。它集成了蓝牙技术在无线连接上的固有优势,同时增加了高速蓝牙和低功耗蓝牙的特点,这三个规格可以组合使用,也可以单独使用。


  低功耗蓝牙即BLE是蓝牙4.0的核心规范,该技术最大特点是拥有超低的运行功耗和待机功耗,蓝牙低功耗设备使用一粒纽扣电池可以连续工作数年之久,可应用于对成本和功耗都有严格要求的无线方案,而且随着智能机的发展将有着更加广泛的领域。
  2016年6月,国际蓝牙技术联盟提出了蓝牙5.0的技术标准。
  三、蓝牙ble
  低功耗蓝牙技术Bluetooth Low Energy,国际蓝牙联盟(BT-SIG)通过的一个标准蓝牙无线协议
  BLE规范中定义了GAP(Generic Access Profile)和GATT(Generic Attribute)两个基本配置文件。协议中的GAP层负责设备访问模式和进程,包括设备发现,建立连接。终止连接。初始化安全特征和设备配置。协议栈中的GATT层用于已连接的蓝牙设备之间的数据通信。
  BLE是一种标准,该标准定义了短距离、低数据传输速率无线通信所需要的一系列通信协议。基于BLE的无线网络所使用的工作频段为868MHz、915MHz和2.4GHz,最大数据传输速率为250kbps。
  四、蓝牙4.0与传统蓝牙之间的关系
  Smart Ready和Smart以及传统蓝牙之间是什么关系呢,请看下图:


  Smart Ready可以和Smart Ready、传统蓝牙,以及Smart之间相互连接和通信。传统蓝牙可以和Smart Ready、传统蓝牙之间连接和通信Smart可以和Smart、Smart Ready之间连接和通信
  五、双模设备
  1:BasicRate(BR),2:Bluetooth Low Energy(BLE),同时支持BR和BLE的设备为dual-mode(双模)设备,也就是这里讨论的Smart Ready。Smart Ready是蓝牙4.0里的主体,一般具有稳定电源供电的设备,如手机,PC等采用的均是双模的蓝牙芯片
  单模设备
  那么Smart又是什么呢,Smart是蓝牙4.0里的低功耗蓝牙的商标,也就是Bluetooth Low Energy,缩写为LE或者BLE,网上关于蓝牙4.0一节纽扣电池能够使用一年均是针对BLE而言。Smart Ready功耗还是很大的,需要有稳定的电源供电,像手机、PC等设备,而Smart由于功耗低,一般使用电池、或纽扣电池供电。
  BLE的特点
  总体而言,BLE技术具有如下特点:
  1、高可靠性
  对于无线通信而言,由于电磁波在传输过程中容易受很多因素的干扰,例如,障碍物的阻挡、天气状况等,因此,无线通信系统在数据传输过程中,具有内在的不可靠性。蓝牙技术联盟SIG在指定蓝牙4.0规范时已经考虑到了这种数据传输过程中的内在的不确定性,在射频,基带协议,链路管理协议中采用可靠性措施,包括:差错检测和矫正,进行数据编解码,数据加噪等,极大的提供蓝牙无线数据传输的可靠性,另外,使用自适应调频技术,最大程度的减少和其他2.4G无线电波的串扰。
  2、低成本、低功耗
  低功耗蓝牙支持两种部署方式:双模式和单模式,一般智能机上采用双模,外设一般采用BLE单模。
  低功耗设计:蓝牙4.0版本强化了蓝牙在数据传输上的低功耗性能,功耗较传统蓝牙降低了90%。
  传统蓝牙设备的待机耗电量一直是其缺陷之一,这与传统蓝牙技术采用16——32个频道进行广播有很大关系,而低功耗蓝牙仅适用3个广播通道,且每次广播时射频的开启时间也有传统的22.5ms减少到0.6~1.2ms,这两个协议规范的改变,大幅降低了因为广播数据导致的待机功耗。
  低功耗蓝牙设计用深度睡眠状态来替换传统蓝牙的空闲状态,在深度睡眠状态下,主机Host长时间处于超低的负载循环Duty Cycle状态,只在需要运作时由控制器来启动,由于主机较控制器消耗的能源更多,因此这样的设计也节省了更多的能源。
  3、快速启动、瞬间连接
此前蓝牙版本的启动速度非常缓慢,2.1版本的蓝牙启动连接需要6s时间,而蓝牙4.0版本仅需要3ms即可完成,几乎是瞬间连接。
  4、传输距离极大提供
  传统蓝牙传输距离一般2-10m,而蓝牙4.0的有效传输距离可以达到60~100m,传输距离提升了10倍,极大开拓了蓝牙技术的应用前景。
  5、高安全性
  为了保证数据传输的安全性,使用AES-128 CCM加密算法进行数据包加密认证。
  BLE无线网络通信信道分析
  天线对于无线通信系统来说至关重要,在日常生活中可以看到各式各样的天线,如手机天线、电视接收天线等,天线的主要功能可以概括为:完成无线电波的发射与接收。发射时,把高频电流转换为电磁波发射出去;接收时,将电磁波转换为高频电流。
  如何区分不同的电波呢?
  一般情况,不同的电波具有不用的频谱,无线通信系统的频谱有几十兆赫兹到几千兆赫兹,包括了收音机、手机、卫星电视等使用的波段,这些电波都使用空气作为传输介质来传播,为了防止不同的应用之间相互干扰,就需要对无线通信系统的通信信道进行必要的管理。
  各个国家都有自己的无线电管理结构,如美国的联邦通信委员会(FCC)、欧洲的典型标准委员会(ETSI),我国的无线电管理机构称为中国无线电管理委员会,其主要职责是负责无线电频率的划分、分配与指配、卫星轨道位置协调和管理、无线电监测、检测、干扰查处,协调处理电磁干扰事宜和维护空中电波秩序等。
  一般情况,使用某一特定的频段霈要得到无线电管理部门的许可,当然,各国的无线电管理部门也规定了一部分频段是对公众开放的,不需要许可即可使用,以满足不同的应用需求,这些频段包括ISM(Industrial. Scientific and Medical-I业、科学和医疗)频带。
  除了ISM频带外,在我国,低于135kHz,在北美、日本等地,低于400kHz的频带也是免费频段。各国对无线频谱的管理不仅规定了ISM频带的频率,同时也规定了在这些频带上所使用的发射功率,在项目开发过程中,需要查阅相关的手册,如我国信息产业部发布的《微功率(短距离)无线电设备管理规定》。
  BLE工作在ISM频带,定义了两个频段,2.4GHz频段和896/915MHz频带。在IEEE 802.15.4中共规定了27个信道:
  在2.4GHz频段,共有16个信道,信道通信速率为250kbps:
  在915MHz频段,共有10个信道,信道通信速率为40kbps:
  在868MHz频段,有1个信道,信道通信速率为20kbpS。
  BLE工作在2.4GHz频段,仅适用3个广播通道,适用所有蓝牙规范版本通用的自适应调频技术。
  自适应调频技术是建立在自动信道质量分析基础上的一种频率自使用和功率自适应控制相结合的技术,他能使调频通信过程中自动避开被干扰的调频频点并以最小的发射功率、最低的被截获概率,达到在无干扰的调频信道上长时间保持优质通信的目的。
  BLE技术的应用领域
  一直以来,蓝牙技术在配件方面的应用都更受关注,但随着移动时代的迅猛发展,BLE将会有更大的用武之地。事实上,BLE的低功耗技术,在设计之初便主打医疗与健康监控等特殊市场 ,而总的来说,蓝牙4.0的发展方向将是运动管理、医疗健康照护、智能仪表、智能家居以及各种物联网相关应用。
  在医疗健康领域
  过去不少健康类的应用都是基于蓝牙2.1协议去做的,但因受限于耗电问题而未能掀动太大波澜。BLE化解这一难题后,市场被强力激活。如由英特尔发起,并由许多不同医疗技术与保健机构成立的Continua健康联盟,便已决议将BLE纳入日后的标准传输技术中。
  现在市场上已有许多采用蓝牙2.1规格的医疗产品,如血压计、血糖仪等,未来,通过Continua健康联盟正式认证的蓝牙4.0规格的医疗类产品肯定会越来越多。健康应用方面,BLE也有广阔的市场空间,其可以与健身设备进行无缝结合,人们在使用健身器材时,就能通过相关设备如计步器、脉搏机等来传送并记录运动情况进入移动设备,保存个人的健康信息。
  在物联网领域
  目前市场上的所有智能设备都是物联网生态发展的推动力量,但BLE能够起到打通物联网的和传感器设备之间的“关节”的节点作用,这将从关键意义上推动物联网的真正发展。由于蓝牙技术一向关注上层应用,有统一标准,因此各种各样的底层硬件虽出自不同制造厂家,却可以互联互通,能够形成完善的生态环境,为自身及物联网产品市场都创造了良好环境。
  有分析认为,当 BLE把每个人的安卓或者其他移动设备变为一个传感器标签时,它所能做的将不仅仅是通过应用软件去找东西,而是将拥有巨大的可拓展性,如它可以通过App和传感器来构建一个P2P的网络以模拟GPS的功能等。总之,当BLE传感器无处不在时,定然蕴藏着巨大商机。
  能照明
  目前市场上传统的智能灯光大部分都是有线控制,或必须要有一个的遥控器,对灯光进行控制。存在控制距离有限,不够灵活的问题。低功耗蓝牙智能MESH灯,利用低功耗蓝牙技术,采用MESH组网技术,只需在您的智能手机上安装一个app,即可实现灯光的智能组网控制更加方便,灵活,同时支持遥控器设备。
  智能遥控器、机顶盒
  随着智能电视的发展,传统的遥控器已经越来越无法满足用户的需求,语音遥控正在逐渐成为标配。使用我们的智能语音遥控方案,通过语音控制智能电视等设备,可以使用户更加快速有效的选取自己的所喜欢的节目。
  HID设备应用
  采用低功耗蓝牙技术,相较传统蓝牙键盘鼠标,具有功耗更低,配对连接更加快速方便的特点。在客户现有的鼠标、键盘上,可以增加BLE实现产品的快速升级。
  小家电
  在传统小家电上,例如,豆浆机、电饭煲等,增加低功耗蓝牙控制,将其升级为更加智能的小家电设备,通过智能手机对小家电进行开关、预约等各种控制,还可以对小家电进行故障自检、固件升级等功能,给生活带来不一样的体验。
  beacon应用
  Beacon基于蓝牙广播给手机发送信息,能帮助商家优化经营策略,利用用户的地理位置提供服务。商家可以利用beacon设备通知消费者有哪些新产品,提供代金券,鼓励消费者的冲动性消费。也能用Beacon技术所取得的数据,比如地理位置和购买记录,提供更多消费者满意度信息,更好地提供服务。
  停车场找车位场景,不用掏出手机,手表上的震动反馈就能帮你找到空位和爱车也是beacon理想的应用。智能消息推送、产品广告推广、室内定位导航正在逐渐成为趋势,要实现这些功能,Beacon产品的作为基础的硬件设备,不可或缺。同时苹果ibeacon、微信摇一摇,阿里等互联网巨头也在推动beacon应用发展。
  Bluetooth的灵魂在于应用而非速度,如何让应用的门槛更低,让上手更容易,让设备自动化程度更高,需要用户介入的过程越少,使用者的感 受越好,数据的可靠程度越高,移动的便利性越强,那么它就是Bluetooth该努力的方向,如今随着物联网的应用发展,蓝牙5.0的技术也应运而生,让我们一起祝福Bluetooth有一个更好的将来吧。

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