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需求分析

淺談:無線通信中的藍牙BLE技術

2019-11-26 13:54:18 596

  目前全球有超過一億種的設備支持藍牙技術,其中超過五成是使用在手機上,藍牙技術是消費性電子產品無線傳輸的解決方案。 有超過一半的消費者手上至少有一種支持藍牙技術的設備,全球大多數消費者都能識別此品牌標志。

  一、無線網絡數據傳輸協議對比

  我們比較熟悉的網絡有Zigee,WIFI、Bluetooth(傳統藍牙,新一代藍牙也發生了巨大的變化),他們三者之間的關系可以從下圖中看出來。

  

 


  從上圖中可以看到不同的無線數據傳輸協議在數據傳輸速率和傳輸距離有各自的使用范圍。Zigbee、藍牙以及WIFI標準都是工作在2.4GHz頻段的無線通信標準。 下面將BLE與傳統藍牙、WIFI標準進行簡要的比較,幫助讀者快速地了解。

  傳統藍牙數據傳輸速率小于3Mbps,典型數據傳輸距離為2-10m,藍牙技術的典型應用是在兩部手機之間進行小量數據的傳輸。WIFI最高數據傳輸速率可達50Mbps,典型數據傳輸距離在30-100m,WIFI技術提供了一種Intemet的無線接入技術。

  二、藍牙4.0

  藍牙無線技術是使用范圍最廣泛的全球短距離無線標準之一,全新的藍牙4.0版本將三種藍牙技術(即傳統藍牙,高速藍牙和低功耗藍牙技術)合而為一。它集成了藍牙技術在無線連接上的固有優勢,同時增加了高速藍牙和低功耗藍牙的特點,這三個規格可以組合使用,也可以單獨使用。

  

 


  低功耗藍牙即BLE是藍牙4.0的核心規范,該技術最大特點是擁有超低的運行功耗和待機功耗,藍牙低功耗設備使用一粒紐扣電池可以連續工作數年之久,可應用于對成本和功耗都有嚴格要求的無線方案,而且隨著智能機的發展將有著更加廣泛的領域。

  2016年6月,國際藍牙技術聯盟提出了藍牙5.0的技術標準。

  三、藍牙BLE

  低功耗藍牙技術Bluetooth Low Energy,國際藍牙聯盟(BT-SIG)通過的一個標準藍牙無線協議。

  BLE規范中定義了GAP(Generic Access Profile)和GATT(Generic Attribute)兩個基本配置文件。協議中的GAP層負責設備訪問模式和進程,包括設備發現,建立連接。終止連接。初始化安全特征和設備配置。協議棧中的GATT層用于已連接的藍牙設備之間的數據通信。

  BLE是一種標準,該標準定義了短距離、低數據傳輸速率無線通信所需要的一系列通信協議?;贐LE的無線網絡所使用的工作頻段為868MHz、915MHz和2.4GHz,最大數據傳輸速率為250kbps。

  四、藍牙4.0與傳統藍牙之間的關系

  Smart Ready和Smart以及傳統藍牙之間是什么關系呢,請看下圖:

  

 


  Smart Ready可以和Smart Ready、傳統藍牙,以及Smart之間相互連接和通信。傳統藍牙可以和Smart Ready、傳統藍牙之間連接和通信Smart可以和Smart、Smart Ready之間連接和通信

  五、雙模設備

  1:BasicRate(BR),2:Bluetooth Low Energy(BLE),同時支持BR和BLE的設備為dual-mode(雙模)設備,也就是這里討論的Smart Ready。Smart Ready是藍牙4.0里的主體,一般具有穩定電源供電的設備,如手機,PC等采用的均是雙模的藍牙芯片。

  單模設備

  那么Smart又是什么呢,Smart是藍牙4.0里的低功耗藍牙的商標,也就是Bluetooth Low Energy,縮寫為LE或者BLE,網上關于藍牙4.0一節紐扣電池能夠使用一年均是針對BLE而言。Smart Ready功耗還是很大的,需要有穩定的電源供電,像手機、PC等設備,而Smart由于功耗低,一般使用電池、或紐扣電池供電。

  BLE的特點

  總體而言,BLE技術具有如下特點:

  1、高可靠性

  對于無線通信而言,由于電磁波在傳輸過程中容易受很多因素的干擾,例如,障礙物的阻擋、天氣狀況等,因此,無線通信系統在數據傳輸過程中,具有內在的不可靠性。藍牙技術聯盟SIG在指定藍牙4.0規范時已經考慮到了這種數據傳輸過程中的內在的不確定性,在射頻,基帶協議,鏈路管理協議中采用可靠性措施,包括:差錯檢測和矯正,進行數據編解碼,數據加噪等,極大的提供藍牙無線數據傳輸的可靠性,另外,使用自適應調頻技術,最大程度的減少和其他2.4G無線電波的串擾。

  2、低成本、低功耗

  低功耗藍牙支持兩種部署方式:雙模式和單模式,一般智能機上采用雙模,外設一般采用BLE單模。

  低功耗設計:藍牙4.0版本強化了藍牙在數據傳輸上的低功耗性能,功耗較傳統藍牙降低了90%。

  傳統藍牙設備的待機耗電量一直是其缺陷之一,這與傳統藍牙技術采用16——32個頻道進行廣播有很大關系,而低功耗藍牙僅適用3個廣播通道,且每次廣播時射頻的開啟時間也有傳統的22.5ms減少到0.6~1.2ms,這兩個協議規范的改變,大幅降低了因為廣播數據導致的待機功耗。

  低功耗藍牙設計用深度睡眠狀態來替換傳統藍牙的空閑狀態,在深度睡眠狀態下,主機Host長時間處于超低的負載循環Duty Cycle狀態,只在需要運作時由控制器來啟動,由于主機較控制器消耗的能源更多,因此這樣的設計也節省了更多的能源。

  3、快速啟動、瞬間連接

  此前藍牙版本的啟動速度非常緩慢,2.1版本的藍牙啟動連接需要6s時間,而藍牙4.0版本僅需要3ms即可完成,幾乎是瞬間連接。

  4、傳輸距離極大提供

  傳統藍牙傳輸距離一般2-10m,而藍牙4.0的有效傳輸距離可以達到60~100m,傳輸距離提升了10倍,極大開拓了藍牙技術的應用前景。

  5、高安全性

  為了保證數據傳輸的安全性,使用AES-128 CCM加密算法進行數據包加密認證。

  BLE無線網絡通信信道分析

  天線對于無線通信系統來說至關重要,在日常生活中可以看到各式各樣的天線,如手機天線、電視接收天線等,天線的主要功能可以概括為:完成無線電波的發射與接收。發射時,把高頻電流轉換為電磁波發射出去;接收時,將電磁波轉換為高頻電流。

  如何區分不同的電波呢?

  一般情況,不同的電波具有不用的頻譜,無線通信系統的頻譜有幾十兆赫茲到幾千兆赫茲,包括了收音機、手機、衛星電視等使用的波段,這些電波都使用空氣作為傳輸介質來傳播,為了防止不同的應用之間相互干擾,就需要對無線通信系統的通信信道進行必要的管理。

  各個國家都有自己的無線電管理結構,如美國的聯邦通信委員會(FCC)、歐洲的典型標準委員會(ETSI),我國的無線電管理機構稱為中國無線電管理委員會,其主要職責是負責無線電頻率的劃分、分配與指配、衛星軌道位置協調和管理、無線電監測、檢測、干擾查處,協調處理電磁干擾事宜和維護空中電波秩序等。

  一般情況,使用某一特定的頻段霈要得到無線電管理部門的許可,當然,各國的無線電管理部門也規定了一部分頻段是對公眾開放的,不需要許可即可使用,以滿足不同的應用需求,這些頻段包括ISM(Industrial. Scientific and Medical-I業、科學和醫療)頻帶。

  除了ISM頻帶外,在我國,低于135kHz,在北美、日本等地,低于400kHz的頻帶也是免費頻段。各國對無線頻譜的管理不僅規定了ISM頻帶的頻率,同時也規定了在這些頻帶上所使用的發射功率,在項目開發過程中,需要查閱相關的手冊,如我國信息產業部發布的《微功率(短距離)無線電設備管理規定》。

  BLE工作在ISM頻帶,定義了兩個頻段,2.4GHz頻段和896/915MHz頻帶。在IEEE 802.15.4中共規定了27個信道:

  在2.4GHz頻段,共有16個信道,信道通信速率為250kbps:

  在915MHz頻段,共有10個信道,信道通信速率為40kbps:

  在868MHz頻段,有1個信道,信道通信速率為20kbpS。

  BLE工作在2.4GHz頻段,僅適用3個廣播通道,適用所有藍牙規范版本通用的自適應調頻技術。

  自適應調頻技術是建立在自動信道質量分析基礎上的一種頻率自使用和功率自適應控制相結合的技術,他能使調頻通信過程中自動避開被干擾的調頻頻點并以最小的發射功率、最低的被截獲概率,達到在無干擾的調頻信道上長時間保持優質通信的目的。

  BLE技術的應用領域

  一直以來,藍牙技術在配件方面的應用都更受關注,但隨著移動時代的迅猛發展,BLE將會有更大的用武之地。事實上,BLE的低功耗技術,在設計之初便主打醫療與健康監控等特殊市場 ,而總的來說,藍牙4.0的發展方向將是運動管理、醫療健康照護、智能儀表、智能家居以及各種物聯網相關應用。

  在醫療健康領域

  過去不少健康類的應用都是基于藍牙2.1協議去做的,但因受限于耗電問題而未能掀動太大波瀾。BLE化解這一難題后,市場被強力激活。如由英特爾發起,并由許多不同醫療技術與保健機構成立的Continua健康聯盟,便已決議將BLE納入日后的標準傳輸技術中。

  現在市場上已有許多采用藍牙2.1規格的醫療產品,如血壓計、血糖儀等,未來,通過Continua健康聯盟正式認證的藍牙4.0規格的醫療類產品肯定會越來越多。健康應用方面,BLE也有廣闊的市場空間,其可以與健身設備進行無縫結合,人們在使用健身器材時,就能通過相關設備如計步器、脈搏機等來傳送并記錄運動情況進入移動設備,保存個人的健康信息。

  在物聯網領域

  目前市場上的所有智能設備都是物聯網生態發展的推動力量,但BLE能夠起到打通物聯網的和傳感器設備之間的“關節”的節點作用,這將從關鍵意義上推動物聯網的真正發展。由于藍牙技術一向關注上層應用,有統一標準,因此各種各樣的底層硬件雖出自不同制造廠家,卻可以互聯互通,能夠形成完善的生態環境,為自身及物聯網產品市場都創造了良好環境。

  有分析認為,當 BLE把每個人的安卓或者其他移動設備變為一個傳感器標簽時,它所能做的將不僅僅是通過應用軟件去找東西,而是將擁有巨大的可拓展性,如它可以通過App和傳感器來構建一個P2P的網絡以模擬GPS的功能等??傊?,當BLE傳感器無處不在時,定然蘊藏著巨大商機。

  能照明

  目前市場上傳統的智能燈光大部分都是有線控制,或必須要有一個的遙控器,對燈光進行控制。存在控制距離有限,不夠靈活的問題。低功耗藍牙智能MESH燈,利用低功耗藍牙技術,采用MESH組網技術,只需在您的智能手機上安裝一個app,即可實現燈光的智能組網控制更加方便,靈活,同時支持遙控器設備。

  智能遙控器、機頂盒

  隨著智能電視的發展,傳統的遙控器已經越來越無法滿足用戶的需求,語音遙控正在逐漸成為標配。使用我們的智能語音遙控方案,通過語音控制智能電視等設備,可以使用戶更加快速有效的選取自己的所喜歡的節目。

  HID設備應用

  采用低功耗藍牙技術,相較傳統藍牙鍵盤鼠標,具有功耗更低,配對連接更加快速方便的特點。在客戶現有的鼠標、鍵盤上,可以增加BLE實現產品的快速升級。

  小家電

  在傳統小家電上,例如,豆漿機、電飯煲等,增加低功耗藍牙控制,將其升級為更加智能的小家電設備,通過智能手機對小家電進行開關、預約等各種控制,還可以對小家電進行故障自檢、固件升級等功能,給生活帶來不一樣的體驗。

  Beacon應用

  Beacon基于藍牙廣播給手機發送信息,能幫助商家優化經營策略,利用用戶的地理位置提供服務。商家可以利用beacon設備通知消費者有哪些新產品,提供代金券,鼓勵消費者的沖動性消費。也能用Beacon技術所取得的數據,比如地理位置和購買記錄,提供更多消費者滿意度信息,更好地提供服務。

  停車場找車位場景,不用掏出手機,手表上的震動反饋就能幫你找到空位和愛車也是beacon理想的應用。智能消息推送、產品廣告推廣、室內定位導航正在逐漸成為趨勢,要實現這些功能,Beacon產品的作為基礎的硬件設備,不可或缺。同時蘋果ibeacon、微信搖一搖,阿里等互聯網巨頭也在推動beacon應用發展。

  Bluetooth的靈魂在于應用而非速度,如何讓應用的門檻更低,讓上手更容易,讓設備自動化程度更高,需要用戶介入的過程越少,使用者的感 受越好,數據的可靠程度越高,移動的便利性越強,那么它就是Bluetooth該努力的方向,如今隨著物聯網的應用發展,藍牙5.0的技術也應運而生,讓我們一起祝福Bluetooth有一個更好的將來吧。


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