低功耗藍(lán)牙成為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)人員首選技術(shù)的關(guān)鍵特性

連接性是任何物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要支柱。選擇用于應(yīng)用的正確無(wú)線協(xié)議的最重要決定因素包括速度、傳輸范圍、安全性、兼容性和功耗。我們?cè)诒緦谙盗械牡? 部分中概述了不同的無(wú)線技術(shù)。在本期中，我們將重點(diǎn)介紹低功耗藍(lán)牙 （BLE），并探討使其成為許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)人員首選技術(shù)的關(guān)鍵特性。

藍(lán)牙在具有PC和手機(jī)連接的無(wú)線人機(jī)接口設(shè)備和音頻外圍設(shè)備中找到了利基市場(chǎng)，催化了市場(chǎng)。盡管低功耗Wi-Fi設(shè)備的進(jìn)步為某些應(yīng)用提供了替代連接，但對(duì)藍(lán)牙的需求仍然強(qiáng)勁。另一方面，BLE由于其外形靈活性，易于與手機(jī)一起使用以及超低功耗特性，發(fā)展成為連接的瑞士軍刀。BLE正在取代ZigBee等專有協(xié)議，成為低功耗、低成本物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中連接的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

這種增長(zhǎng)是由最近的更新推動(dòng)的 BLE 5.0 和 BLE 5.1 改進(jìn)了 BLE 的規(guī)范。例如，改進(jìn)的范圍可確保任何BLE設(shè)備（如智能傳感器，智能鎖或燈泡）都可以從房屋中的任何地方完美連接。這是實(shí)現(xiàn)真正智能家居的關(guān)鍵一步。改進(jìn)的范圍也有利于智能手表等設(shè)備，因此它們可以從不同房間的智能手機(jī)接收即時(shí)通知。

另一個(gè)實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)是數(shù)據(jù)速率的顯著提高，使信息傳輸更豐富，更智能。提供上下文感知的信標(biāo)等無(wú)連接服務(wù)將能夠傳輸更多信息。例如， 信標(biāo)將能夠傳輸實(shí)際內(nèi)容，而不僅僅是通過(guò) URL 指向內(nèi)容。這有可能通過(guò)轉(zhuǎn)向無(wú)連接物聯(lián)網(wǎng)而不是當(dāng)前的藍(lán)牙配對(duì)設(shè)備模型來(lái)重新定義當(dāng)今藍(lán)牙設(shè)備傳輸信息的方式。這也可以使BLE應(yīng)用（如資產(chǎn)跟蹤和智能廢物管理）使用BLE網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)更加智能。

然而，這些改進(jìn)的功能也需要在DMIP和內(nèi)存方面改進(jìn)處理器。底層硬件（即 SoC 或 MCU）必須更改以支持這些功能。安全性是大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用必不可少的、不可協(xié)商的功能。所有級(jí)別都需要數(shù)據(jù)保護(hù)，包括存儲(chǔ)、處理和通信期間，以確保系統(tǒng)可靠性。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)人員更喜歡選擇具有內(nèi)置 BLE、傳感器接口、安全功能和靈活外設(shè)的 SoC。這也有助于他們減少物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的BOM和PCB空間。有關(guān)芯片上完全集成的無(wú)線系統(tǒng)的詳細(xì)討論，請(qǐng)參閱本系列的第4 部分。

讓我們看一下使BLE靈活且易于用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一些功能。

關(guān)貿(mào)總協(xié)定配置文件 – 易于使用

BLE為典型應(yīng)用提供了多個(gè)通用屬性（GATT）配置文件，簡(jiǎn)化了固件和兼容性標(biāo)準(zhǔn)。示例包括當(dāng)前時(shí)間服務(wù) （CTS）、聯(lián)系我配置文件 （FMP）、心率服務(wù) （HRS）、無(wú)線照明控制（網(wǎng)狀配置文件）等。這些配置文件允許外圍設(shè)備和服務(wù)器使用預(yù)定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相互通信，開銷很小。這允許BLE使用比Wi-Fi等連接選項(xiàng)更簡(jiǎn)單的協(xié)議。它還產(chǎn)生了非常高的數(shù)據(jù)傳輸效率。如果您的應(yīng)用程序適合現(xiàn)有的 GATT 配置文件，那么使用它很容易，因?yàn)樗鼫p少了固件開發(fā)時(shí)間并為現(xiàn)有應(yīng)用程序兼容性打開了大門。標(biāo)準(zhǔn)關(guān)貿(mào)總協(xié)定概況列表可在BLE SIG網(wǎng)站上找到。

為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化固件創(chuàng)建過(guò)程，諸如Cypress的ModusToolbox之類的IDE為BLE提供了易于使用的圖形界面。這些配置器提供了添加標(biāo)準(zhǔn) GATT 服務(wù)并在創(chuàng)建固件之前對(duì)其進(jìn)行配置的選項(xiàng)，以便堆棧本身可以處理特定于服務(wù)的事件。這意味著應(yīng)用程序固件只需要處理高級(jí)事件。

自定義配置文件 – 靈活性

在特定應(yīng)用程序中，可能需要?jiǎng)?chuàng)建不符合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn) GATT 服務(wù)的自定義配置文件。示例包括自定義傳感器接口、電容式觸摸感應(yīng)和 RGB LED 照明。這些創(chuàng)新接口有助于使用一個(gè)SoC集成許多功能，從而提供更好的功耗和成本優(yōu)勢(shì)。

基于 GUI 的固件設(shè)計(jì)方法也有助于自定義配置文件。圖 3 顯示了自定義用戶界面示例的配置。

盡管 BLE 提供了用于配對(duì)和鏈路層的安全選項(xiàng)，但如果 SoC 支持加密塊，則可以使用自定義配置文件實(shí)現(xiàn)其他安全措施。這些 SoC 需要在硬件中提供完整的安全鏈。與等效的固件實(shí)現(xiàn)相比，這些硬件 SoC 安全功能花費(fèi)的時(shí)間和精力更少。

功耗

BLE是低功耗連接的理想解決方案?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整連接間隔和MTU（最大傳輸單元）大小來(lái)?yè)Q取更低的功率，以犧牲數(shù)據(jù)速率。片上系統(tǒng)中的集成BLE還允許SoC有效地使用深度睡眠電源模式，正如我們?cè)诒緦谙盗械牡?部分中所討論的那樣。SoC 可以從 BLE 事件的深度睡眠電源模式喚醒并處理數(shù)據(jù)。即使在高數(shù)據(jù)速率（高達(dá) 2Mbps）下，BLE在低數(shù)據(jù)速率連接方面也比Wi-Fi具有相當(dāng)大的功率優(yōu)勢(shì)。雙核 SoC 通過(guò)使用配套內(nèi)核進(jìn)行 BLE 堆棧操作，從而提供了更大的靈活性，而主 MCU 可以自由運(yùn)行應(yīng)用固件，從而使系統(tǒng)在深度睡眠模式下花費(fèi)更多時(shí)間。

廣播

BLE是一種基于數(shù)據(jù)包的協(xié)議，具有主/從架構(gòu)。但是，它提供了一種無(wú)需配對(duì)的無(wú)憂廣播模式。“信標(biāo)”可以使用廣播器模式將消息傳輸?shù)蕉鄠€(gè)聽眾。該技術(shù)使智能設(shè)備能夠在靠近信標(biāo)時(shí)執(zhí)行特定操作。設(shè)計(jì)用于支持信標(biāo)的設(shè)備應(yīng)該是超低的，因?yàn)楣β适菑V播的主要要求之一.BLE信標(biāo)還可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)位置跟蹤功能。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通過(guò)支持多個(gè)互連節(jié)點(diǎn)，使BLE超越了簡(jiǎn)單的主/從架構(gòu)。這允許大量低功耗物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)（高達(dá)32767?。┫嗷ネㄐ?，并消除了對(duì)集線器/路由器的需求。BLE Mesh 通過(guò)加密和經(jīng)過(guò)身份驗(yàn)證的消息實(shí)現(xiàn)受控的泛洪網(wǎng)絡(luò)?；鞠⒍未笮?11 字節(jié)，但使用分段和重新組裝，可以擴(kuò)展到 384 字節(jié)。消息具有操作碼、序列號(hào)、生存時(shí)間 （TTL） 以及源地址和目標(biāo)地址。尋址是靈活的，可用于表示單個(gè)節(jié)點(diǎn)或一組節(jié)點(diǎn)。BLE Mesh 還為網(wǎng)絡(luò)和特定應(yīng)用功能提供具有不同類型的密鑰的精細(xì)身份驗(yàn)證。使用 BLE Mesh， 網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)智能手機(jī)或低成本橋接設(shè)備（如智能揚(yáng)聲器）或使用 Wi-Fi/BT 組合橋接到互聯(lián)網(wǎng)。與專有網(wǎng)狀協(xié)議ZigBee相比，BLE Mesh協(xié)議提供低成本硬件和基于熟悉藍(lán)牙的輕量級(jí)協(xié)議棧，帶來(lái)與手機(jī)，PC和現(xiàn)有BLE，BT和WiFi / BT設(shè)備的互操作性。

審核編輯：郭婷