应用于无线传感器网络的蓝牙低功耗技术介绍

低功耗无线传感器网络有许多无线协议选项，但没有一种比蓝牙低功耗更适合任务。

无线解决方案用于各种要求苛刻的工业应用。无线LAN，经典蓝牙，IEEE 802.15.4/ZigBee和无线HART等技术都具有特定的特性，因此适用于不同的应用和特定需求。然而，这些技术都没有为制造自动化中的传感器和致动器的无线连接提供最佳解决方案。在这些类型的应用中，现有技术太昂贵，太慢或消耗太多能量。该解决方案缺乏用于无线传感器和执行器的快速，稳健，低能量传输。这是蓝牙低功耗技术发挥作用的地方。

参数BluetoothWireless LANZigBee/IEEE 802.15.4蓝牙低能量数据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：蓝牙低能耗无线技术与制造业中使用的其他无线技术的比较。

蓝牙低能耗技术，以前称为Wibree，最初是为大批量消费市场开发的。早在2007年6月，诺基亚和蓝牙SIG就宣布Wibree将与蓝牙集成。 2010年6月，蓝牙核心规范v4.0发布了具有低能耗技术的标志性特征。蓝牙技术现在包括低能耗（蓝牙v4.0），经典蓝牙和高速（蓝牙3.0 + HS）。蓝牙低能耗技术是一项新技术吗？

这个问题的答案就是技术在某些方面是新的，但在其他方面则不然。例如，蓝牙低功耗技术是一种新的方法，具有高效的发现和连接设置，非常短的数据包，小型外围设备的非对称设计以及客户端 - 服务器架构。但是还有其他方面已经通过经典蓝牙建立，例如蓝牙无线电，HCl逻辑和物理传输层，以及L2CAP数据包。

借助蓝牙低能耗技术，我们体验无线技术的方式在改变。蓝牙低功耗技术为现场提供了在非常简单和廉价的设备中使用无线的可能性，例如集成传感器时的情况。根据蓝牙技术联盟，我们正在考虑以下应用中潜在的数十亿的数量：

手机配件：》 100亿

智能能源（能量计数器和显示器）：〜 10亿

家庭自动化：》 50亿

健康，保健，运动和健身：》 100亿

辅助生活：》 50亿

动物标签：〜亿

P2P智能交通系统：》 10亿

工业自动化/M2M：100亿

这些高容量和移动电话和笔记本电脑集成的可能性允许无线电组件的低成本和长期可用性。

技术概念

低功耗的可能性

蓝牙低能耗技术的设计来自于一开始，要尽可能使用最低功耗。例如，蓝牙低功耗单元可以处于睡眠模式，其仅用于将活动文件发送到网关，PC或移动电话的事件。此外，最大/峰值功耗设定为小于15mA并且平均功耗为约1μA。低能耗的基础是非常快速的连接设置（几毫秒）和短消息。因此，能耗降低到经典蓝牙单元的十分之一。换句话说，一个小型纽扣电池 - 例如CR2032 - 足以运行5 - 10年。

成本和向后兼容

为了向后兼容经典蓝牙并能够提供这款芯片组适用于非常便宜的设备，可提供以下两种版本（图1）：

双模式：蓝牙低功耗技术以及经典蓝牙功能

独立：蓝牙低功耗技术仅用于优化成本，功耗和尺寸，这对小型电池供电设备特别有用

图1：蓝牙低功耗芯片组有两种版本。点击稳健性，安全性和可靠性

蓝牙低功耗技术，如经典蓝牙，具有自适应跳频功能，即使在恶劣的工业环境中也能确保稳健的传输。为了获得更简单和更便宜的无线电芯片组，蓝牙低功耗技术仅使用40个通道，2 MHz宽，而经典蓝牙使用79个通道，1 MHz宽。 （图2）。

图2：在2.4 GHz频段，蓝牙低功耗技术使用40个频道而不是经典蓝牙中使用的79个频道。

三个频道，其中它们位于无线LAN通道之间，用于设备发现和连接设置。

蓝牙低功耗技术具有非常安全的AES 128加密算法和分布式加密密钥程序。

共存

蓝牙，无线LAN，IEEE 802.15.4/ZigBee，无线HART和许多专有无线电使用未经许可的2.4 GHz ISM（Industrial Scientific Medical）频段。因此，为了获得稳健可靠的通信，许多无线技术必须进行耗时且准确的频率规划。然而，蓝牙技术已经解决了这些问题，这要归功于其内置的自适应跳频功能和高干扰容限。

图4：三个广告频道和37个数据信道，三个广告和九个数据通道位于2.4 GHz频段的三个无线LAN信道之间。

这些功能还使蓝牙低功耗技术与2.4 GHz频段中的其他无线技术平滑共存，作为蓝牙技术不使用附近其他无线电占用的频率。此外，还有可能通过所谓的通道黑名单应用不使用指定通道的原理（图3）。

易于使用和集成

该技术采用简单的星形拓扑结构，简化了实施工作显着。这种拓扑结构非常适合常用的系统架构，其中许多较小的设备连接到生产岛中的主设备。在大多数情况下，基础设施/以太网网络可用，并且网状网络不需要扩展地理覆盖范围。

单元始终是主设备或从设备，但绝不是两者。主设备与从设备通信，它还可以与多个从设备同时通信。此外，主设备控制链路的定时模式，并且从设备仅传递主设备发出的请求。蓝牙低能耗技术引入的新功能是广告功能。一个单位通过定期宣传自己宣布自己。例如，广告还可以包括过程值或已发生的事件（图4）。

图4：广告客户定期发送并在连接时始终充当从属设备。扫描仪正在等待广告，并且在连接时始终是主设备。

软件结构

在蓝牙低功耗技术中，状态和属性是关键术语。所有参数都具有服务器在客户端的协议属性中提供的可用条件。所有属性都具有某种特征 - 信号值，表示格式等 - 在客户端配置中进行了描述。

在通用属性配置文件（GATT）服务组中，包括属性，声明和描述。在通用访问配置文件连接中，描述了可发现性，可连接性和绑定。通过这种方式，可以设置许多基本服务和配置文件，例如定时，电池状况，自动化I/O，楼宇自动化（温度，恒温器，湿度），照明（开/关开关，调光器），遥控器，健身（计步器，心跳监测器），医疗设备（血糖仪），汽车等

图5：蓝牙低能耗软件结构概述。

性能

连接和延迟

蓝牙低功耗技术仅使用三个通道来建立连接并发现其他设备;这不仅可以降低功耗，而且还可以在几毫秒内实现更快的连接。

借助蓝牙低功耗技术，延迟时间取决于主设备向从设备发送消息的频率以及接收频率的频率来自奴隶的数据。一个从站的延迟时间仅为7.5 ms，然后对于每个额外的从站缓慢增加。例如，连接间隔为4秒，主设备可以每5毫秒寻址一个从设备，从而在4秒内实现数百个从设备的更新。

范围

由于修改了调制，蓝牙低功耗已经与经典蓝牙相比，链路预算大约增加3 dB。因此，蓝牙低功耗单元可以在现场提供200-300米的范围，而无需额外的功率放大器。虽然工业传感器和执行器通常只需要20-50米的范围，但为了桥接临时障碍物和干扰，在稳健性和可靠性方面具有很大的储备是非常重要的。

应用实例

基于在蓝牙低功耗特性方面，该技术非常适用于传输信号状态很重要的应用。以下示例显示了如何使用工业自动化中的I/O（图6-8）。

图6：便携式操作员控制和监视单元（例如，iPhone）可以读取和写入I/O服务器的状态。

图7：两个单元都是通用的I/O客户端用作通用服务器和“指示”以反映另一侧的数字和模拟状态。

图8：I/O单元是通用的I/O O服务器和现场总线I/O代理是通用I/O客户端。从现场总线配置PC的角度来看，I/O设备被视为现场总线I/O.现场总线I/O代理搜索I/O设备属性数据库，以找出可用于I/O单元的数字和模拟输入和输出。

另一个有趣的应用，其中非常快速和安全的连接需要使用蓝牙低功耗作为关键，以便移动运营商的面板可以访问自动化单元或机器。

此功能也可以与接近功能结合使用。此功能基于SSI（信号强度指示）值，如果用户位于生产单元格内，则可以发出消息，以便允许交互。

图9 ：自动化I/O和接近度用于控制操作员对制造单元的访问。

结论

经济高效的独立解决方案

安全的多芯片组供应商

从经典蓝牙继承的稳健性 - 经验超过10年的最强大的工业无线解决方案

长距离

高本地系统密度

连接速度非常快

低延迟

简单的星型类型

低功耗

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通过蓝牙SIG测试支持系统