低功耗蓝牙在物联网设计中的关键特性

蓝牙在无线人机接口设备和具有PC和手机连接的音频外围设备中找到了一席之地，催化了市场。尽管低功耗Wi-Fi设备的进步为某些应用提供了替代连接，但对蓝牙的需求仍然强劲。另一方面，BLE由于其轮廓灵活性，易于使用手机和超低功耗特性而发展成为连接性的瑞士军刀。BLE正在取代ZigBee等专有协议，成为低功耗、低成本物联网设备中事实上的连接标准。

这种增长是由最近的BLE 5.0和BLE 5.1更新推动的，这些更新改进了BLE的规范。例如，改进的范围可确保任何BLE设备（如智能传感器，智能锁或灯泡）都可以从房屋的任何地方完美连接。这是实现真正智能家居的关键一步。改进的范围也有利于智能手表等设备，因此它们可以从位于不同房间的智能手机接收即时通知。

另一个实质性的改进是数据速率的显着提高，使信息传输更丰富，更智能。无连接服务，如提供上下文感知的信标，将能够传输更多信息。例如，信标将能够传输实际内容，而不仅仅是通过URL指向内容。这有可能通过转向无连接物联网而不是当前的蓝牙配对设备模型来重新定义当今蓝牙设备传输信息的方式。这还可以使 BLE 应用（如资产跟踪和智能废物管理）使用 BLE Mesh 网络更加智能。

然而，这些改进的功能也需要在DMIP和内存方面改进处理器。底层硬件（即 SoC 或 MCU）必须进行更改才能支持这些功能。对于大多数物联网应用而言，安全性是必不可少的、不可协商的功能。所有级别都需要数据保护，包括存储、处理和通信期间，以确保系统的可靠性。物联网设计人员更喜欢选择具有内置BLE、传感器接口、安全功能和灵活外设的SoC。这也有助于他们减少物联网设备的BOM和PCB空间。有关片上完全集成的无线系统的详细讨论，请参阅本系列的第 4 部分。

让我们来看看使BLE灵活且易于用于物联网应用的一些功能。

关贸总协定概况 – 易用性

BLE 为典型应用提供了多个通用属性 （GATT） 配置文件，简化了固件和兼容性标准。示例包括当前时间服务 （CTS）、“查找我”配置文件 （FMP）、心率服务 （HRS）、无线照明控制（网状配置文件）等。这些配置文件允许外设和服务器使用预定义的数据结构相互通信，而开销很小。这允许BLE使用比Wi-Fi等连接选项更简单的协议。它还产生了非常高的数据传输效率。如果您的应用程序适合现有的GATT配置文件，那么使用它很容易，因为它减少了固件开发时间并打开了现有应用程序兼容性的大门。标准 GATT 配置文件的列表可在 BLE SIG 网站上找到。

为了进一步简化固件创建过程，赛普拉斯的ModusToolbox等IDE为BLE提供了易于使用的图形界面。这些配置器提供了添加标准 GATT 服务并在固件创建之前对其进行配置的选项，以便堆栈本身可以处理特定于服务的事件。这意味着应用程序固件只需要处理高级事件。

自定义配置文件 – 灵活性

在特定应用程序中，可能需要创建不符合现有标准 GATT 服务的自定义配置文件。示例包括自定义传感器接口、电容式触摸感应和 RGB LED 照明。这些创新接口有助于使用一个 SoC 集成许多功能，从而提供更好的功耗和成本优势。

基于 GUI 的固件设计方法也有助于自定义配置文件。图 3 显示了自定义用户界面示例的配置。

尽管 BLE 提供了用于配对和链路层的安全选项，但如果 SoC 支持加密块，则可以使用自定义配置文件实现其他安全措施。这些 SoC 需要在硬件中提供完整的安全链。与其等效的固件实现相比，这些硬件 SoC 安全功能需要更少的时间和精力。

功耗

BLE是低功耗连接的理想解决方案。数据速率可以通过调整连接间隔和MTU（最大传输单元）大小来换取低功耗。片上系统中的集成BLE还允许SoC有效地使用深度睡眠电源模式，正如我们在本专栏系列的第5部分中所讨论的那样。SoC 可以在 BLE 事件上从深度睡眠电源模式唤醒并处理数据。即使在高数据速率（高达2Mbps）下，BLE在低数据速率连接方面也比Wi-Fi具有相当大的功率优势。双核 SoC 通过使用配套内核进行 BLE 堆栈操作，同时主 MCU 可以自由运行应用固件，从而提供更大的灵活性，从而使系统能够在深度睡眠模式下花费更多时间。

广播

BLE是一种基于数据包的协议，具有主/从架构。但是，它提供了一种无忧无虑的广播公司模式，不需要配对。“信标”可以使用广播器模式将消息传输给多个听众。该技术使智能设备能够在靠近信标时执行特定操作。设计用于支持信标的设备应超低，因为功率是广播的主要要求之一。BLE信标还可以实现室内位置跟踪功能。

网状网络

网状网络通过支持多个互连节点，将BLE从简单的主/从架构发展到一种。这允许大量低功耗物联网节点（最多32767个！）相互通信，并消除了对集线器/路由器的需求。BLE Mesh使用加密和经过身份验证的消息实现受控的泛洪网络。基本消息段大小为 11 字节，但使用分段和重新组装，可以扩展到 384 字节。消息具有操作码、序列号、生存时间 （TTL） 以及源地址和目标地址。寻址是灵活的，可用于表示单个节点或一组节点。BLE Mesh还为网络和特定应用程序功能提供不同类型的密钥的粒度身份验证。借助BLE Mesh，网络可以通过智能手机或低成本桥接设备（如智能扬声器）或使用Wi-Fi / BT组合桥接到互联网。与专有网状网络协议ZigBee相比，BLE Mesh协议提供了低成本的硬件和基于熟悉的蓝牙的轻量级协议栈，它带来了与手机，PC和现有BLE，BT和WiFi / BT设备的互操作性。

审核编辑：郭婷