如何使用 Bluetooth® 4.1 為物聯網打造低功率無線鏈路

作者:歐洲編輯群

資料提供者:Digi-Key 歐洲編輯群


最新版 Bluetooth® 的推出引發話題,不僅適用於最新的穿戴式與健身裝置,亦可在物聯網 (IoT) 中連接設備與感測器。

藍牙 4.0 大幅增進功率效率、簡化藍牙直接鏈路的使用,而且 4.1 規格更增加眾多連網能力。 因此能開啟契機,透過標準智慧型手機同時連接多重裝置。

Bluetooth Smart 4.0 使用一顆電池即可讓嵌入式鏈路運作數年,因此從 2010 年起就持續受到採用,而且其內建的連網元件在 2013 年 12 月通過 4.1 版認可,因此對 IoT 開發人員而言更具吸引力。 即便如此,在硬體和軟體層面的設計上仍然需要一些重大考量。 SIG 建議製造商開始在裝置上採用藍牙 4.1,立即享受新功能的優勢。 系統開發商也可放心繼續沿用 Laird WirelessPanasonic 等供應商既有的 4.0 模組,然後在韌體穩定時升級至 4.1,即可同時享有兩大優勢。

自從藍牙 2.0 + EDR 開始採用以來,藍牙 4.1 是首次未對必備功能設限的規格。 然而,製造商必須在藍牙 4.1 上採用勘誤表,才可符合規格。 僅採用低功耗功能的裝置(Bluetooth Smart 品牌)將可向下相容於亦採用低功耗功能的藍牙 4.0 裝置。

低功耗藍牙 4.0 版(現稱 Bluetooth Smart)採用與之前的傳統藍牙 (Classic Bluetooth) 相同的 2.4 GHz ISM 頻帶頻率,但運用更簡易的高斯頻移協定降低功耗。 也採用更小的 2 MHz 通道以及直接序列展頻 (DSSS) 調變。

由於結合不同的通道與調變機制,因此低功耗和傳統規格彼此無法直接相容。 但對開發人員來說,這不會構成問題,因為所有通過藍牙相容認證的晶片與模組皆可採其中一種模式運作,舊款裝置運行傳統藍牙,DSSS 款式則運行 Bluetooth Smart。

4.0 和 4.1 版採用 40 個 2 MHz 通道,達到低功率優勢,能讓鏈路達到 1 Mbit/s 位元率以及 270 kbit/s 的應用傳輸率。 由於這比傳統藍牙所需的還低,將延遲從 100 ms 縮短至 6 ms,就可補償應用的位元率,這對網路和 IoT 的實作來說更為重要,可更快因應數據要求或傳送控制訊號。

最大傳輸功率亦降低至 10 mW,將範圍縮小至 50 公尺內,因此適用於眾多 IoT 應用。 4.1 版能讓裝置同時支援多種角色,因此 Bluetooth Smart Ready 產品可同時當作集線器以及周邊裝置。 與其他無線技術(特別是在相同 2.4 GHz 頻帶上的 Wi-Fi)共存的情況獲得改善並且新增專用通道,因此特別適合用於 IoT 應用。

此優勢來自於邏輯鏈路控制與調適架構 (L2CAP),可支援更高等級的協定多工、封包分段與重組,並且採用 64 KB 封包為 IoT 提供所需的服務品質資訊。 此架構以通道為基礎,各個端點皆有通道識別碼 (CID)。 CID 的分配與特定裝置相關,且裝置可獨立於其他裝置進行 CID 分配,因此可輕鬆在網路中新增裝置。 如此即可用菊鏈方式新增多個裝置,讓設定更加簡便。

Bluetooth Smart 4.1 的 L2CAP 通道架構圖片

圖 1:Bluetooth Smart 4.1 的 L2CAP 通道架構能讓裝置網路受到控制,開啟物聯網的可行性。

此外使用者也可獲得更多支援。 透過 4.1 規格,連線會自動重新建立,因此使用者進入室內時,連線會重新建立。 除此之外,4.1 也支援大量資料傳輸,只要設定鏈路即可下載較大的檔案,無需持續連線。

透過 4.1 而獲得擴充的層面之一就是泛型屬性設定檔 (Generic Attribute Profile, GATT)。 這能在作業系統中提供用戶端伺服器的應用程式開發介面 (API),並提供服務、特性以及描述元。

這些 GATT 可用來處理目前應用程式的資料,例如血壓、心率、體溫計、接近感測以及本機定位尋找 (Find Me)。 IoT 應用程式的新設定檔能以不同的方式匯聚資料。

服務、特性和敘述元的屬性會一併透過通用唯一識別碼 (UUID) 進行識別。 藍牙技術聯盟 (Bluetooth SIG) 針對標準屬性保留一系列 UUID(格式為 xxxxxxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB),在協定中以 16 或 32 位元短格式值表示,而非 128 位元,以便讓程式碼維持小型和低複雜性。

GATT 協定為用戶端提供多種命令,可用來探索有關伺服器的資訊。 包括探索 UUID 的所有主要服務、用指定 UUID 尋找服務以及次要服務,以及尋找指定服務的所有特性。 這些都是 IoT 應用程式設定檔的一部份。

透過 GATT,即會提供命令將有關特性的資料從伺服器傳送到用戶端(讀取),然後從用戶端傳送到伺服器(寫入)。 可指定特性的 UUID 或透過處理值(來自資訊探索命令)讀取數值。 寫入作業一定會透過處理值識別特性,但可選擇是否需要來自伺服器的回應。

GATT 亦會提供通知和指示,這些都是 IoT 鏈路的關鍵要素。 用戶端可向伺服器要求取得特定特性的通知,接著伺服器會在可用時將數值傳送到用戶端。 舉例而言,設備內的溫度感測器伺服器會在每次進行量測時通知用戶端。 這可避免用戶端對伺服器進行輪詢,減少定期無線電鏈路的需求。 指示與通知類似,但需要來自用戶端的回應,藉此確認已經收到訊息。

晶片與模組標示器會在 GATT 頂端增加層級,讓系統開發人員透過這些設定檔開發其專屬的軟體。 因此在系統升級後,能讓軟體相容於所有使用 4.0 和 4.1 規格的既有晶片和模組。

模組製造商目前致力簡化複雜性,例如 Laird Wireless 就在模組中使用第 4.0 版規格,如 Bt800,且韌體也經過開發可在這些模組上支援,且韌體也經過開發可在這些模組上支援 4.1 版。 BT800 採用來自 CSR 的收發器,並具備天線和介面,採用 8.5 mm x 13 mm 小型覆蓋區,功率輸出為 8 dBm。 此模組整合所有必要的硬體和韌體,可支援 BLE 應用的開發,包括 UART、SPI、I²C、ADC 和 GPIO 介面,以便連接周邊裝置和感測器。 透過這些介面可相當直覺地連接單線、雙線或多線鏈路。

Laird Wireless 的 BT800 Bluetooth Smart 模組圖片

圖 2:Laird Wireless 的 BT800 Bluetooth Smart 雙模模組可輕鬆在既有的設計中新增 4.1 版連線,並升級至 4.1。

Laird 新增事件導向的程式語言,可讓模組獨立操作,並可透過任何介面加載感測器,無需外接處理器。 簡易的 smartBASIC 應用程式整合完整的端對端讀取、寫入流程,並可處理感測器資料,然後使用 Bluetooth Smart 將資料傳送到任何藍牙 4.1 裝置。

CSR 則採取不同的作法為 IoT 提供連網能力,並且適合模組製造商採用。 4.1 規格能讓智慧型手機為其他周邊裝置提供 8 至 10 個不同的鏈路,藉此建立個人區域網路或是菊鏈鏈路,CSR 所開發的韌體採用 4.0 堆疊為基礎,可在網狀網路中控制高達 65,000 個裝置。

這個具有顛覆性的技術,將智慧型手機置於 IoT 的中心地位。 CSR Mesh 能讓幾乎無限個 Bluetooth Smart 功能裝置輕鬆連接形成網路,並且首次可由單一智慧型手機、平板裝置或 PC 直接進行控制。

此解決方案針對智慧家庭與 IoT 應用進行最佳化,結合組態與控制協定以及 CSR 經過實證的 Bluetooth Smart 裝置,包括 CSR101x 以及 CSR8811。 能讓消費者隨處控制家中的任何 Bluetooth Smart 功能裝置,包括照明、暖氣、電器以及保全系統。 基於消費者體驗的優先考量,此協定架構的解決方案無需複雜的設定、配對,也無需使用存取裝置(如路由器)。

CSR Mesh 與其他家用自動化連線解決方案的不同之處在於,沒有範圍限制也無需集線器,可確保在家中各處直接透過行動裝置進行控制。 開發人員無需使用自行研發的解決方案或新增任何項目即可打造運作簡便且無複雜組態的產品。

CSR Mesh 協定採用 Bluetooth Smart 的一種模式傳送訊息給網路中的其他 Bluetooth Smart 裝置。 訊息可傳送至個別裝置或成群裝置。 此外,裝置也可隸屬於多個群組。 透過標準 Bluetooth Smart 電器(如燈光開關)或透過目前多數智慧型手機或平板裝置,即可進行控制。

為了確保開發人員能快速讓產品上市,CSR 將釋出開發套件給客戶使用。 此套件將提供 Android 和 iOS 應用程式開放程式碼,並可存取 CSR Mesh 的二進位函式庫。

軟體並未使用 4.1 的功能,但可擴充 4.0 以涵蓋網狀拓撲。 這屬於蔓延型網狀,而非尋徑網狀,因此所有的裝置皆可加入變成成員,並向其他節點轉送訊息。 也就是說,消費者僅需簡易的設定,因為協定會自動處理訊息的轉送作業。 訊息的原始發送者可處於網狀內的任何位置,訊息會中繼到範圍外的節點;為了處理飽和及爭用情況,協定納入壽命時間以及躍點數量的功能。

即使 4.1 版允許主要和從屬模式同時存在,使用者仍要手動管理這些連線,藉此控制更小的或核心的裝置網路。 此技術不受到上述限制,因為連線管控其實較為鬆散。

標準規定要在封包結構中內建定址、群組、關連性和安全性。 這類似於 IPv4,但網狀網路本身卻具有個別的位址欄位。 因此在結構上會比 IPv4 更加輕盈,以便達到簡易的感測器資訊、命令和控制。 目前為止,這是 CSR 的獨家能力。我們正在跟主要客戶與夥伴合作,希望透過開放原始碼或透過藍牙技術聯盟將此能力標準化。

CSR 已經展示可透過智慧型手機直接讓網狀網路運作,由一群工程師部屬 50 顆 LED 燈泡,然後帶著一台 Android 手機入場。 即便沒有正式組態,這些工程師也可控制此燈光網路。

CSR 亦提供完整的軟體開發工具組、板件設計以及晶片生產測試。 其中包含 USB 編程介面,以及能針對應用專屬感測器和致動器分配 I/O 的介面。 完整授權的 CSR xIDE 軟體開發環境含有常用 Bluetooth Smart 設定檔的範例應用程式以及主機應用程式,可用於 iOS 和 Android 智慧型手機,讓專案更加簡化。 目標板通常是由主機 USB 連線供電,但亦可由板載鈕釦型電池獨立運作,藉此進行電源量測。

CSR 的 Bluetooth Smart 開發系統圖片

圖 3:CSR 的 Bluetooth Smart 開發系統能讓開發人員依據藍牙 GATT 層基礎增添其專屬能力。

儘管在使用電池為裝置供電時,仍要考量幾個重點項目,但在設計內整合模組還是相當直覺化。 由於模組可輕易添加到既有的設計中,因此有助於發佈 4.1 版的 IoT 應用。

BlueGiga 的 BLE112 模組採用 Texas Instruments 的藍牙 4.0 收發器,可直接用鈕扣型電池供電。 由於鈕扣型電池內部具有相對較高的電阻,建議與電池並聯一顆 100 μF 電容。 鈕扣型電池的內部電阻起初位於 10 Ω 範圍內,但在電量使用後,電阻會快速提高。

電容值越高,電池的有效容量就會越高,應用的續航力也會更久。 電容的最小值取決於最終應用以及採用的最大傳輸功率。 100 μF 電容的漏電流介於 0.5 μA 至 3 μA 之間,一般來說,陶瓷電容的漏電流會低於鉭質電容或鋁質電解電容。

BlueGiga 的 BLE112 Bluetooth Smart 模組圖片

圖 4:BlueGiga 的 BLE112 Bluetooth Smart 模組。 在電池間使用電容可延長電池續航力。

此外也可選擇使用 DC/DC 轉換器,在傳送或接收作業期間,以及資料處理期間降低電流消耗量。 具有旁路模式的超低功率 DC/DC 轉換器可在傳輸期間降低約 20% 的電流消耗量,並延長 3 V 鈕扣型電池的電池續航力。

結論

新推出的 Bluetooth Smart 4.1 看似藍牙標準的一小步前進,卻具備促進重大變革的潛力。 裝置、模組和系統開發商皆希望透過 4.0 和 4.1 為多種低成本裝置帶來更複雜的低功率連網功能,並可透過普遍的智慧型手機進行控制。 無論是透過 4.1 通道或是以 4.0 為基礎的網路層,Bluetooth Smart 技術皆能讓既有的終端裝置連接裝置網路,這絕對是一大優勢,也奠定了此技術在物聯網領域的重要地位。

Digi-Key Electronics logo

聲明:各作者及/或論壇參與者於本網站所發表之意見、理念和觀點,概不反映 Digi-Key Electronics 的意見、理念和觀點,亦非 Digi-Key Electronics 的正式原則。