低功耗蓝牙技术在消费类电子产品和物联网中推进发展

低功耗蓝牙® （BLE） 可能还不在您的电子设计范围内，但很快就会的。 这种无线连接技术在过去三年里呈现出爆炸式增长。 如今，这种技术已在数百万电子设备中实现了低功耗连接，如智能手表、健身跟踪器、智能手机配件和医疗监护仪。 借助即将实现的技术提升，BLE 已经为在下一代消费类电子产品和新兴的物联网中变得更普及做好了准备。

许多技术提升已经运用到了蓝牙 4.1 中，这是最近针对内核规范的升级。 其中包括，支持更高效的大批量数据传输、设备间更高的通信灵活性、同步双模角色，以及向基于 IP 的通信迈出第一步。 综上所述，这些技术提升使得 BLE 在功耗、性能和成本方面更加诱人。

除了有关蓝牙 4.1 的技术提升外，BLE 芯片本身也在不断改进。 得益于能效的提升，第二代 BLE 的传输功耗将下降约 66%，但不会影响传输距离或性能。

鉴于 BLE 最近的变化以及即将发生更多改变，现在是时候考虑这种技术的地位以及未来发展方向了。

BLE 的基本原理

对于已针对低功耗，而非最大数据传输速度经过优化的无线通信设备，BLE 是最为合适的技术。 该技术的功耗可低至传统蓝牙平均功耗的百分之一。 相比传统蓝牙 40 mA 或更高的峰值电流，BLE 的峰值电流将低至 15 mA。 凭借如此节能的电流消耗，BLE 可在一枚纽扣电池供电的情况下工作数月或数年（视具体应用而定）。

BLE 在大多数时间内关闭无线功能，因此主要实现了低功耗。 BLE 仅扫描三个广播通道，其无线唤醒信号仅发送或接受数据短脉冲，采用 8 到 27 个八位字节的小数据包。 BLE 还能很快地设置连接，进一步减少无线启用时间。 BLE 能在 3 ms 的短时间内传输经过验证的数据，而传统蓝牙完成相同任务则需要 1000 ms。

在数据速率方面，BLE 的最大实际数据速率通常远低于 100 kbs。 因此，这种蓝牙技术不是针对采用传统蓝牙的连续数据流应用，后者的数据速率可达 3 Mbps。

BLE 与传统蓝牙还存在其他技术差异。 主要表现在，BLE 采用星状网络拓扑结构、在每个从属节点的每个数据包上采用 32 位存取地址。从理论上将，这将允许在规定时间内连接数十亿个设备。 相比之下，传统蓝牙的微微网拓扑结构每次仅允许连接最多八个设备。

图 1：低功耗蓝牙设备采用纽扣电池供电时可工作数年。

BLE 技术的其他特性：

经过优化的 GSFK 调制功能。 BLE 与传统蓝牙一样采用 GSFK 调制方法。 然而，BLE 采用更高调制指数和 2 MHz 信道，以实现更低的位误差率，即实现更大的传输范围。

自适应跳频。 当设备连接后，BLE 技术采用与传统蓝牙相同的自适应调频方案。 自适应调频能将来自 2.4 GHz ISM 频段内的其他拓扑结构干扰降至最低，这一频段由许多工作在该频段内的无线设备共享。

鲁棒性。 BLE 针对每个数据包采用 24 位单循环冗余检查 （CRC），从而允许包头和数据字段检测奇数位误差以及 2 位和 4 位误差。 这种 24 位 CRC 相比 16 位或者 32 位 CRC 已针对 BLE 的数据有效负载进行了优化。

严格的安全性。 BLE 利用由美国政府为保护数据而开发的 128 位高级加密系统 （AES-128） 进行加密和验证。

蓝牙 4.1 的另一大亮点便是其双模能力。 尽管诸如传感器或电话配件等设备通常使用 BLE，但智能手机、平板电脑常作为无线集线器，并通过 BLE 和传统蓝牙进行通信。 蓝牙内核规范使这种双模成为可能。 从本质上讲，双模模块组合了传统蓝牙和 BLE 的通信堆栈并允许共享天线。 单模和双模设备分别被命名为智能蓝牙 （Bluetooth Smart） 和智能蓝牙就绪 （Bluetooth Smart Ready）。

BLE 将如何发展

即使现在，BLE 技术也已能为要求低功耗无线连接的设备提供出色的解决方案。 不过，BLE 的能效将变得更高，蓝牙 4.1 中的技术改进将使设计人员更容易地设计下一代无线设备，设计将用于组成物联网的智能对象。

蓝牙 4.1 的这些技术改进向后兼容传统设备，具体包括：

多角色支持。 链路层和双模拓扑结构的变化将使双模设备同时作为智能蓝牙就绪集线器和智能蓝牙设备。

数据交换效率。 在本地逻辑链路控制和适配协议 （L2CAP） 中增加面向连接的信道，能在将开销降至最小的同时，更有效地在 BLE 设备之间进行大批量数据传输。

连接能力的提升。 工程师们将能更加灵活地创建和维护蓝牙连接，包括自动重复连接。

基于 IP 的连接。 新内核规范为物联网的发展开辟了一条坦途，并通过增加 L2CAP 专用信道来构筑 IPv6 通信的技术基础。

低功耗无线的替代品

在低功耗无线通信方面，低功耗蓝牙 （BLE） 并非最好的技术。 ANT 和 ZigBee 均有能力与之并存，且这两种技术在市场中均占有一席之地。 但是，当您考虑到技术能力以及 BLE 属于开放协议这一事实时，BLE 便会显现出巨大的优势。

图 2： ZigBee 与 BLE 的电池寿命和数据传输速率对比。

低功耗蓝牙的实现策略

确定应用协议后，接下来便是如何实现；购买 BLE 模块或者构建自己的分立式解决方案。 这种两种方法都可行，但在三种情形下更宜采用模块：

产量小。 产量低于 100，000 台时，模块相比分立元件具有明显的成本优势。 总结一个芯片型 BLE 产品的开发、制造、RF 认证和测试成本，您会发现通常需要 150，000 与 200，000 美元。 将这些成本分摊到数量少于 100，000 台的设备上时，你会发现 RF 成本会相当高。 当产量在 100，000 至 150，000 台之间时，从总成本看，无论模块式还是芯片型解决方案都差不多。 当产量超过 150，000 台时，分立式解决方案则优势明显。

实现快速面市目标。 当考虑产品快速面市时，模块产品仍占优势。 分立式 RF 应用通常需要三至六个月才能完成开发，并且这还是经验丰富的工程团队所需的时间。 通过用 API 和文本指令集替换大量定制编程，采用模块能简化开发过程。 而且模块已事先通过认证，不必考虑认证时间和成本。 因此，模块在数周内就可直接运用到新产品设计中，从而获得显著的面市时间优势。

实现长寿命。 在寿命超过集成电路的产品中，模块永不过时。 在模块设计中，可根据需要加入新芯片，而不必改变原有引脚布局、功能、尺寸或者固件接口。

图 3：模块与芯片成本对比。

低功耗蓝牙模块

Panasonic 提供多种 BLE 模块。 以下列出其中的三种模块：

图 4：PAN1740 单模低功耗蓝牙模块。

PAN1740 单模低功耗蓝牙——“nanoPower”

0 dBm 时的发射电流：5 mA

小基底面：9 x 9.5 x 1.9 mm

高灵敏度（典型值 -93 dBm）

发射功率控制可达最大 0 dBm

即装即用

自主、独立运行

智能蓝牙® 模块

嵌入式 BLE 堆栈和 GATT 规范

工业温度范围：-40°C 至 +85°C

两个内置晶体振荡器

集成防 EMI 屏蔽层

无需外部元件

图 5：PAN1720/PAN1721 单模低功耗蓝牙模块。

PAN1720 和 PAN1721 单模低功耗蓝牙模块

15.6 x 8.7 x 1.9 mm 表面贴装封装

典型发射功率可达 4.0 dBm，具有发射功率控制功能

高灵敏度，典型值为 -94 dBm

基于 Texas Instrument 的 CC2540 单芯片 BLE 解决方案

高性能、低功耗 8051 微控制器内核

无需外部元件

快速连接设置

内置 26 MHz 晶体振荡器

内置 32kHz 晶体振荡器，用于睡眠定时器

两个功能强大的 USART

电池监控器和温度传感器

PAN1720 提供 USB 接口

PAN1721 提供 I²C 接口

图 6：PAN1326 双模 BLE 模块和传统模块。

PAN1326 双模 BLE 模块和传统模块

业内一流的蓝牙 RF 性能，实现了发射功率、接收灵敏度和阻断能力

完全符合 Bluetooth 4.0 + EDR 规范

尺寸：6.5 mm x 9 mm x 1.7 mm （PAN1316）

认证：蓝牙、FCC、CE 和 IC

工作温度范围：-40°C 至 85°C

规范：支持所有规范

基于 TI 的 CC2564

几乎可以与所有微控制器集成

适用于 ACL 和 eSCO 的超快速算法

支持扩展范围，10.5 dBm 典型输出的发射功率

预期蓝牙 4.1 中的技术改进会在 2014 年早些时候会出现在 BLE 和双模芯片及模块中。 展望未来，一场 BLE 技术革命正在上演 ，并将积极影响电池供电型应用的功率预算。

从正在冲击市场的新型 BLE 分立 IC 和模块，我们能感到这场技术革命已经开始。 尽管某些制造商已经采纳了这些器件的商业名称，如 Panasonic 的 nanoPower 系列，但其通常被称作超低功耗 BLE。 相比现有的 BLE 设备，Nanopower 设备的发射和接收电流消耗降低了 66%，相比传统蓝牙设备则几乎降低了 90%。 而且，这些器件在减小电流消耗的同时，并没有减小发射距离和发射功率，也没有改变蓝牙规范。