應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的藍牙低功耗技術(shù)介紹

低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有許多無線協(xié)議選項，但沒有一種比藍牙低功耗更適合任務(wù)。

無線解決方案用于各種要求苛刻的工業(yè)應(yīng)用。無線LAN，經(jīng)典藍牙，IEEE 802.15.4/ZigBee和無線HART等技術(shù)都具有特定的特性，因此適用于不同的應(yīng)用和特定需求。然而，這些技術(shù)都沒有為制造自動化中的傳感器和致動器的無線連接提供最佳解決方案。在這些類型的應(yīng)用中，現(xiàn)有技術(shù)太昂貴，太慢或消耗太多能量。該解決方案缺乏用于無線傳感器和執(zhí)行器的快速，穩(wěn)健，低能量傳輸。這是藍牙低功耗技術(shù)發(fā)揮作用的地方。

參數(shù)BluetoothWireless LANZigBee/IEEE 802.15.4藍牙低能量數(shù)據(jù)吞吐量模式很好不好，所以GoodRobustnessVery GoodModerateModerateVery GoodRange50-1000 m50-300 m75 m + mesh10-300 mLocal systems densityVery GoodNot so GoodModerateVery GoodRoamingModerateVery GoodNot so GoodModerateLarge scale networkNot so GoodModerateVery GoodVery GoodLow latencyVery GoodModerateNot so GoodVery GoodPairing speedNot so GoodModerateGoodVery GoodPower consumptionGoodNood GoodVery GoodVery GoodCostGoodNot so GoodGoodVery GoodTable 1：藍牙低能耗無線技術(shù)與制造業(yè)中使用的其他無線技術(shù)的比較。

藍牙低能耗技術(shù)，以前稱為Wibree，最初是為大批量消費市場開發(fā)的。早在2007年6月，諾基亞和藍牙SIG就宣布Wibree將與藍牙集成。 2010年6月，藍牙核心規(guī)范v4.0發(fā)布了具有低能耗技術(shù)的標志性特征。藍牙技術(shù)現(xiàn)在包括低能耗（藍牙v4.0），經(jīng)典藍牙和高速（藍牙3.0 + HS）。藍牙低能耗技術(shù)是一項新技術(shù)嗎？

這個問題的答案就是技術(shù)在某些方面是新的，但在其他方面則不然。例如，藍牙低功耗技術(shù)是一種新的方法，具有高效的發(fā)現(xiàn)和連接設(shè)置，非常短的數(shù)據(jù)包，小型外圍設(shè)備的非對稱設(shè)計以及客戶端 - 服務(wù)器架構(gòu)。但是還有其他方面已經(jīng)通過經(jīng)典藍牙建立，例如藍牙無線電，HCl邏輯和物理傳輸層，以及L2CAP數(shù)據(jù)包。

借助藍牙低能耗技術(shù)，我們體驗無線技術(shù)的方式在改變。藍牙低功耗技術(shù)為現(xiàn)場提供了在非常簡單和廉價的設(shè)備中使用無線的可能性，例如集成傳感器時的情況。根據(jù)藍牙技術(shù)聯(lián)盟，我們正在考慮以下應(yīng)用中潛在的數(shù)十億的數(shù)量：

手機配件：》 100億

智能能源（能量計數(shù)器和顯示器）：? 10億

家庭自動化：》 50億

健康，保健，運動和健身：》 100億

輔助生活：》 50億

動物標簽：?億

P2P智能交通系統(tǒng)：》 10億

工業(yè)自動化/M2M：100億

這些高容量和移動電話和筆記本電腦集成的可能性允許無線電組件的低成本和長期可用性。

技術(shù)概念

低功耗的可能性

藍牙低能耗技術(shù)的設(shè)計來自于一開始，要盡可能使用最低功耗。例如，藍牙低功耗單元可以處于睡眠模式，其僅用于將活動文件發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，PC或移動電話的事件。此外，最大/峰值功耗設(shè)定為小于15mA并且平均功耗為約1μA。低能耗的基礎(chǔ)是非?？焖俚倪B接設(shè)置（幾毫秒）和短消息。因此，能耗降低到經(jīng)典藍牙單元的十分之一。換句話說，一個小型紐扣電池 - 例如CR2032 - 足以運行5 - 10年。

成本和向后兼容

為了向后兼容經(jīng)典藍牙并能夠提供這款芯片組適用于非常便宜的設(shè)備，可提供以下兩種版本（圖1）：

雙模式：藍牙低功耗技術(shù)以及經(jīng)典藍牙功能

獨立：藍牙低功耗技術(shù)僅用于優(yōu)化成本，功耗和尺寸，這對小型電池供電設(shè)備特別有用

圖1：藍牙低功耗芯片組有兩種版本。點擊穩(wěn)健性，安全性和可靠性

藍牙低功耗技術(shù)，如經(jīng)典藍牙，具有自適應(yīng)跳頻功能，即使在惡劣的工業(yè)環(huán)境中也能確保穩(wěn)健的傳輸。為了獲得更簡單和更便宜的無線電芯片組，藍牙低功耗技術(shù)僅使用40個通道，2 MHz寬，而經(jīng)典藍牙使用79個通道，1 MHz寬。 （圖2）。

圖2：在2.4 GHz頻段，藍牙低功耗技術(shù)使用40個頻道而不是經(jīng)典藍牙中使用的79個頻道。

三個頻道，其中它們位于無線LAN通道之間，用于設(shè)備發(fā)現(xiàn)和連接設(shè)置。

藍牙低功耗技術(shù)具有非常安全的AES 128加密算法和分布式加密密鑰程序。

共存

藍牙，無線LAN，IEEE 802.15.4/ZigBee，無線HART和許多專有無線電使用未經(jīng)許可的2.4 GHz ISM（Industrial Scientific Medical）頻段。因此，為了獲得穩(wěn)健可靠的通信，許多無線技術(shù)必須進行耗時且準確的頻率規(guī)劃。然而，藍牙技術(shù)已經(jīng)解決了這些問題，這要歸功于其內(nèi)置的自適應(yīng)跳頻功能和高干擾容限。

圖4：三個廣告頻道和37個數(shù)據(jù)信道，三個廣告和九個數(shù)據(jù)通道位于2.4 GHz頻段的三個無線LAN信道之間。

這些功能還使藍牙低功耗技術(shù)與2.4 GHz頻段中的其他無線技術(shù)平滑共存，作為藍牙技術(shù)不使用附近其他無線電占用的頻率。此外，還有可能通過所謂的通道黑名單應(yīng)用不使用指定通道的原理（圖3）。

易于使用和集成

該技術(shù)采用簡單的星形拓撲結(jié)構(gòu)，簡化了實施工作顯著。這種拓撲結(jié)構(gòu)非常適合常用的系統(tǒng)架構(gòu)，其中許多較小的設(shè)備連接到生產(chǎn)島中的主設(shè)備。在大多數(shù)情況下，基礎(chǔ)設(shè)施/以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可用，并且網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)不需要擴展地理覆蓋范圍。

單元始終是主設(shè)備或從設(shè)備，但絕不是兩者。主設(shè)備與從設(shè)備通信，它還可以與多個從設(shè)備同時通信。此外，主設(shè)備控制鏈路的定時模式，并且從設(shè)備僅傳遞主設(shè)備發(fā)出的請求。藍牙低能耗技術(shù)引入的新功能是廣告功能。一個單位通過定期宣傳自己宣布自己。例如，廣告還可以包括過程值或已發(fā)生的事件（圖4）。

圖4：廣告客戶定期發(fā)送并在連接時始終充當(dāng)從屬設(shè)備。掃描儀正在等待廣告，并且在連接時始終是主設(shè)備。

軟件結(jié)構(gòu)

在藍牙低功耗技術(shù)中，狀態(tài)和屬性是關(guān)鍵術(shù)語。所有參數(shù)都具有服務(wù)器在客戶端的協(xié)議屬性中提供的可用條件。所有屬性都具有某種特征 - 信號值，表示格式等 - 在客戶端配置中進行了描述。

在通用屬性配置文件（GATT）服務(wù)組中，包括屬性，聲明和描述。在通用訪問配置文件連接中，描述了可發(fā)現(xiàn)性，可連接性和綁定。通過這種方式，可以設(shè)置許多基本服務(wù)和配置文件，例如定時，電池狀況，自動化I/O，樓宇自動化（溫度，恒溫器，濕度），照明（開/關(guān)開關(guān)，調(diào)光器），遙控器，健身（計步器，心跳監(jiān)測器），醫(yī)療設(shè)備（血糖儀），汽車等

圖5：藍牙低能耗軟件結(jié)構(gòu)概述。

性能

連接和延遲

藍牙低功耗技術(shù)僅使用三個通道來建立連接并發(fā)現(xiàn)其他設(shè)備;這不僅可以降低功耗，而且還可以在幾毫秒內(nèi)實現(xiàn)更快的連接。

借助藍牙低功耗技術(shù)，延遲時間取決于主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送消息的頻率以及接收頻率的頻率來自奴隸的數(shù)據(jù)。一個從站的延遲時間僅為7.5 ms，然后對于每個額外的從站緩慢增加。例如，連接間隔為4秒，主設(shè)備可以每5毫秒尋址一個從設(shè)備，從而在4秒內(nèi)實現(xiàn)數(shù)百個從設(shè)備的更新。

范圍

由于修改了調(diào)制，藍牙低功耗已經(jīng)與經(jīng)典藍牙相比，鏈路預(yù)算大約增加3 dB。因此，藍牙低功耗單元可以在現(xiàn)場提供200-300米的范圍，而無需額外的功率放大器。雖然工業(yè)傳感器和執(zhí)行器通常只需要20-50米的范圍，但為了橋接臨時障礙物和干擾，在穩(wěn)健性和可靠性方面具有很大的儲備是非常重要的。

應(yīng)用實例

基于在藍牙低功耗特性方面，該技術(shù)非常適用于傳輸信號狀態(tài)很重要的應(yīng)用。以下示例顯示了如何使用工業(yè)自動化中的I/O（圖6-8）。

圖6：便攜式操作員控制和監(jiān)視單元（例如，iPhone）可以讀取和寫入I/O服務(wù)器的狀態(tài)。

圖7：兩個單元都是通用的I/O客戶端用作通用服務(wù)器和“指示”以反映另一側(cè)的數(shù)字和模擬狀態(tài)。

圖8：I/O單元是通用的I/O O服務(wù)器和現(xiàn)場總線I/O代理是通用I/O客戶端。從現(xiàn)場總線配置PC的角度來看，I/O設(shè)備被視為現(xiàn)場總線I/O.現(xiàn)場總線I/O代理搜索I/O設(shè)備屬性數(shù)據(jù)庫，以找出可用于I/O單元的數(shù)字和模擬輸入和輸出。

另一個有趣的應(yīng)用，其中非?？焖俸桶踩倪B接需要使用藍牙低功耗作為關(guān)鍵，以便移動運營商的面板可以訪問自動化單元或機器。

此功能也可以與接近功能結(jié)合使用。此功能基于SSI（信號強度指示）值，如果用戶位于生產(chǎn)單元格內(nèi)，則可以發(fā)出消息，以便允許交互。

圖9 ：自動化I/O和接近度用于控制操作員對制造單元的訪問。

結(jié)論

經(jīng)濟高效的獨立解決方案

安全的多芯片組供應(yīng)商

從經(jīng)典藍牙繼承的穩(wěn)健性 - 經(jīng)驗超過10年的最強大的工業(yè)無線解決方案

長距離

高本地系統(tǒng)密度

連接速度非常快

低延遲

簡單的星型類型

低功耗

免費技術(shù)規(guī)范

通過藍牙SIG測試支持系統(tǒng)