Bluetooth Low Energy 介紹

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1.簡介

　　BLE(Bluetooth Low Energy，低功耗藍芽)是對傳統藍芽BR/EDR技術的補充。儘管BLE和傳統藍芽都稱之為藍芽標準，且共用射頻，但是，BLE是一個完全不一樣的技術。BLE不具備和傳統藍芽BR/EDR的相容性。它是專為小資料率、離散傳輸的應用而設計的。通訊距離上也有改變，傳統藍芽的傳輸距離幾十米到幾百米不等，BLE則規定為100米。

2.低功耗藍芽(BLE)

　　低功耗藍芽分為單模（Bluetooth Smart）和雙模（Bluetooth Smart Ready）兩種裝置。BLE和藍芽BR/EDR的區分，讓我們有三種方式將藍芽技術整合到具體裝置中。下表中示意了兩個藍牙裝置之間的通訊方式。因為不再是所有現有的藍牙裝置可以和另一個藍牙裝置進行互聯，所以，準確描述產品中藍芽的版本非常地重要。

2.1 單模藍芽

　　單模藍牙裝置被稱為Bluetooth Smart裝置，並且有專用的logo：

　　諸如手錶、動作感應器等這樣小型的裝置會基於單模藍芽低功耗。為了實現極低的功耗，硬體和軟體上都做了最佳化。這樣的裝置只能支援BLE。單模藍芽晶片往往是一個帶有單模藍芽協議棧的產品，這個協議棧是晶片商免費提供的。

2.2 雙模藍芽

　　雙模藍牙裝置被稱為Bluetooth Smart Ready裝置，並且有專用的logo：

　　雙模裝置支援藍芽BR/EDR和BLE。在雙模裝置中，這兩個技術使用同一個射頻前端和天線。典型的雙模裝置有智能手機、平板電腦、PC和Gateway。這些裝置可以收到通過BLE或者藍芽BR/EDR裝置發送過來的資料，這些裝置往往都有足夠的供電能力。雙模裝置和BLE裝置通訊的功耗低於雙模裝置和藍芽BR/EDR裝置通訊的功耗。雙模解決方案需要一個外部處理器才足以實現藍芽協議棧。

3.應用

BLE適合用於電池驅動的小型裝置，有以下五個主要的市場。

3.1醫學和健康

那些用於監測重要的生理資料的醫療設備是BLE在醫學健康市場中應用的對象。典型的裝置有血糖計、血壓計和血氧計。BLE被康體佳健康聯盟（Continua Health Alliance）選定為終端產品通訊的相容傳輸技術。

3.2運動和健身

在運動和健身領域，BLE適合用於定位，同時也上傳一些重要的監測資料。典型的裝置有心率監測儀、體溫計、計步器、節拍器、測高儀、定位器和通過手錶顯示來自感應器的資訊。

3.3工業

在自動化應用領域中，BLE主要用於傳輸I/O訊號。BLE可以用於監測和控制馬達、制動器、參數和整個過程。

3.4娛樂

在娛樂領域，BLE已經被眾多的裝置採用，比如機頂盒、遊戲機等。預計BLE會是的在TV / DVD / STB / Media播放器、遙控、遊戲移駐夾及無線鍵鼠等裝置中的藍芽應用不斷擴大。

3.5智能家居

BLE可以提供燈光控制、溫度控制、濕度控制、安全鎖控制、門窗控制的低功耗、高安全性解決方案。在智能儀錶中的應用也是一個方向。

4.協議

BLE不在支援傳統藍芽BR/EDR的協議，如傳統藍芽中的SPP協議在BLE中就不複存在。作為替代，在BLE中所有的協議或者服務都是基於GATT(Generic Attribute Profile)的。儘管有些傳統藍芽中的協議，如HID被移植到了BLE中，但是在BLE的應用中，你必須區分清楚協議和服務。

服務描述了特點（及他們的UUID）。服務描述自身有什麼特點和形式，並且描述清楚如何應用這些特點以及需要什麼安全機制。

應用協議定義其使用的服務，說明是感應器端還是接收端，定義GATT的角色（Server/Client）和GAP的角色（Peripheral/Central）。

相較於藍芽BR/EDR的協議，基於GATT的應用協議非常簡單，因為所有的功能都是整合在GATT終端，這些基於其上的應用協議只是對GATT提供的功能的使用。

 

下表列出了現有的基於GATT的協議/服務（07/2013）:

GATT-Based Specifications (Qualifiable)		Adopted Version
ANP	Alert Notification Profile	1.0
ANS	Alert Notification Service	1.0
BAS	Battery Service	1.0
BLP	Blood Pressure Profile	1.0
BLS	Blood Pressure Service	1.0
CPP	Cycling Power Profile	1.0
CPS	Cycling Power Service	1.0
CSCP	Cycling Speed and Cadence Profile	1.0
CSCS	Cycling Speed and Cadence Service	1.0
CTS	Current Time Service	1.0
DIS	Device Information Service	1.1
FMP	Find Me Profile	1.0
GLP	Glucose Profile	1.0
HIDS	HID Service	1.0
HOGP	HID over GATT Profile	1.0
HTP	Health Thermometer Profile	1.0
HTS	Health Thermometer Service	1.0
HRP	Heart Rate Profile	1.0
HRS	Heart Rate Service	1.0
IAS	Immediate Alert Service	1.0
LLS	Link Loss Service	1.0
LNP	Location and Navigation Profile	1.0
LNS	Location and Navigation Service	1.0
NDCS	Next DST Change Service	1.0
PASP	Phone Alert Status Profile	1.0
PASS	Phone Alert Status Service	1.0
PXP	Proximity Profile	1.0
RSCP	Running Speed and Cadence Profile	1.0
RSCS	Running Speed and Cadence Service	1.0
RTUS	Reference Time Update Service	1.0
ScPP	Scan Parameters Profile	1.0
ScPS	Scan Parameters Service	1.0
TIP	Time Profile	1.0
TPS	Tx Power Service	1.0

 

 

5.技術特點

BLE的低功耗並非通過最佳化空中的無線射頻傳輸實現，而是通過改變協議的設計來實現。一般來說，為了實現極低的功耗，BLE協議設計為：在不必要射頻的時候，徹底將空中射頻關斷。與傳統藍芽BR\EDR相比，BLE有這三大特性，從而實現低功耗：縮短無線開啟時間、快速建立串連、降低收發峰值功耗（具體由晶片決定）。

縮短無線開啟時間的第一個技巧是只用3個“廣告”通道，第二個技巧是通過最佳化協議棧來降低工作周期。一個在廣告的裝置可以自動和一個在搜尋的裝置快速建立串連，所以可以在3ms內完成串連的建立和資料的傳輸。

低功耗的設計會帶來一些犧牲，例如：音頻資料就無法通過BLE來進行傳輸。

BLE仍然是一種非常魯棒的技術。它依然支援跳頻（37個資料通道），並且採用了一種改進的GFSK調製方法來提高鏈路的穩定性。BLE也仍是非常安全的技術，因為在晶片級提供了128 bit AES加密。

單模裝置可以作為Master或者Slave，但是不能同時充當兩種角色。這意味著BLE只能建立簡單的星狀拓撲，不能實現散射網。

BLE的無線電規範中定義了低功耗藍芽的最高資料率為305kbps，但是，這隻是理論資料。在實際應用中，資料的輸送量取決於上層協議棧。而UART的速度、處理器的能力和主裝置都會影響資料吞吐能力。

高的資料吞吐能力的BLE只有通過私人方案或者基於ATT notification才能實現。事實上，如果是高資料率或高資料量的應用，藍芽BR/EDR通常顯得更加省電。

5.1 應用執行個體和優勢

BLE通常應用在感應器和智能手機或者平板的通訊中。到目前為止，只有很少的智能機和平板支援BLE，如：iPhone 4S以後的蘋果手機，Motorola Razr和 the new iPad 及其以後的iPad。安卓手機也逐漸支援BLE，安卓的BLE標準在2013年7月24日剛發布。智能機和平板會帶雙模藍芽的基帶和協議棧，協議棧中包括GATT及以下的所有部分，但是沒有GATT之上的具體協議。所以，這些具體的協議需要在應用程式中實現，實現時需要基於各個GATT API集。這樣有利於在智能機端簡單地實現具體協議，也可以在智能機端簡單地開發出一套基於GATT的私人協議。

在蘋果裝置上使用BLE傳輸，尤其有其明顯的優勢。相比於藍芽BR/EDR，再也不需要使用經過蘋果授權的加密晶片，就不需要在加入MFi項目中去。

5.2 對比BLE和傳統藍芽BR/EDR技術

	Bluetooth BR/EDR	Bluetooth low energy
Frequency	2400-2483.5 MHz	2400-2483.5 MHz
Deep Sleep	~80 μA	<5 μA
Idle	~8 mA	~1 mA
Peak Current	22-40 mA	10-30 mA
Range	500m (Class 1) / 50m (Class 2)	100m
Min. Output Power	0 dBm (Class 1) / -6 dBm (Class 2)	-20 dBm
Max. Output Power	+20 dBm (Class 1) / +4 dBm (Class 2)	+10 dBm
Receiver Sensitivity	≥ -70 dBm	≥ -70 dBm
Encryption	64 bit / 128 bit	AES-128 bit
Connection Time	100 ms	3 ms
Frequency Hopping	Yes	Yes
Advertising Channel	32	3
Data Channel	79	37
Voice capable	Yes	No

5.3 雙模協議棧

是斯圖曼雙模協議棧BlueCode+SR的架構。在這個圖中，包含了SPP、HDP和GATT所需要的所有部分。

 

5.4 單模協議棧

是單模協議棧的一種典型協議棧設計。在這樣的協議棧中一般不會包含具體協議，所以需要在具體的應用程式中實現每一個具體應用對應的協議。這和傳統藍芽有非常大的區別，傳統藍芽會在協議棧中實現每個具體應用相關的協議，如SPP、HDP等。

 

 

對比雙模協議棧，BLE無需一個主處理器來實現它的協議棧，所以極低功耗的整合成為可能。大多數的單模晶片或者模組都是內建協議棧的。

由於BLE單模產品（晶片或者模組）中的協議棧只是實現了GATT層，所以通常需要將具體應用對應的協議整合到該單模產品之中。甚至晶片商都開始提供帶有具體協議和sample code的SDK。但是，仍然沒有真正能拿到手的解決方案。

6．整合方式

儘管有單模和雙模方案的區別，但是在您的裝置中整合藍芽技術仍有多種方式。

6.1 模組

最簡單和快速的方式是使用一個嵌入式模組。這樣的模組包含了天線、嵌入了協議棧並提供多種不同的介面：UART、USB、SPI和I²C，可以通過這些介面和您的處理器串連。模組會提供一種簡單的介面來控制藍芽的功能。很多的模組公司都會提供帶CE、FCC和IC認證的產品。這樣的模組可以只是藍芽BR/EDR的，雙模式的或者單模式的。

如果是藍芽BR/EDR和雙模的方案，還可以採用HCI模組。HCI模組只是不帶藍芽協議棧，其他的和上述的模組是一樣的。所以，這樣的模組會更便宜。HCI模組只是提供了硬體介面，在這樣的方案中，藍芽協議棧需要第三方提供。這樣的第三方協議棧需要能在主裝置的處理器中運行，如斯圖曼提供的BlueCode+SR。使用HCI模組需要將軟體移植到最終的硬體中。

理論上來說，提供單模的HCI模組也是可以的。然而，所有的晶片公司都已經將GATT整合到他們的晶片中，所以市面上不會有HCI單模模組出現（見5.4章節）。

6.2 晶片

通過晶片來整合BLE是從物料角度最低成本的方式，但是，這需要很多的前期工作和花費大量的時間。雖然在軟體上只需要將協議棧移植到目標平台之中即可，但是，硬體方面則需要對RF的layout和天線的設計非常有經驗。這些公司提供BLE晶片：Broadcom、CSR、EM Microelectronic、Nordic和TI。

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