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          物聯網

          | 已獲21項物聯網國家專利


          [科普]藍牙技術:從經典藍牙到低功耗藍牙

          作者:深圳藍奧聲科技有限公司 瀏覽: 發表時間:2020-12-12 16:41:27

          藍牙,作為一種短距離無線通信方式,在我們的生活中并不陌生。不僅有藍牙耳機,藍牙音箱,藍牙燈光,藍牙遙控器,這些人們熟知的藍牙產品,還有一些,例如iBeacon, 智能手環,藍牙定位,藍牙組網等你感到陌生的藍牙產品或技術??傊?,相比過去幾十年,藍牙的應用更加廣泛,也慢慢融入了我們生活的每個場景之中。下面帶大家了解一些藍牙的誕生,發展。

          藍牙的誕生

          藍牙的名字來源于10世紀丹麥國王Harald  Blatand-英譯為Harold  Bluetooth。在行業協會籌備階段,需要一個極具有表現力的名字來命名這項高新技術。行業組織人員,在經過一夜關于歐洲歷史和未來無限技術發展的討論后,有些人認為用Blatand國王的名字命名再合適不過了。Blatand國王將現在的挪威,瑞典和丹麥統一起來;就如同這項即將面世的技術,技術將被定義為允許不同工業領域之間的協調工作,例如計算,手機和汽車行業之間的工作。名字于是就這么定下來了。


          藍牙技術是世界著名的5家大公司一愛立信(Ericsson)、諾基亞(Nokia)、東芝(Toshiba)、國際商用機器公司(IBM)和英特爾(Intel),于1998年5月聯合宣布的一種無線通信新技術。這5 家著名廠商成立“特別興趣小組”(Special Interest Group,SIG),即藍牙技術聯盟的前身,目標是開發一個成本低、效益高、可以在短距離范圍內隨意無線連接的藍牙技術標準。


          1999 年 7 月 26 日正式公布 1.0A 版,確定使用 2.4GHz 頻段。和當時流行的紅外線技術相比,藍牙有著更高的傳輸速度,而且不需要像紅外線那樣進行接口對接口的連接,所有藍牙設備基本上只要在有效通訊范圍內使用,就可以進行隨時連接。


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           經典藍牙(BT)

          藍牙4.0版本之前都可以稱作經典藍牙,它一般被用于較大數據量的傳輸,例如:音樂,視頻等。所以,一般功耗都比較大,需要充電電池。而且傳輸距離比較近,一般在10m左右。


          經典藍牙模塊又可細分為:傳統藍牙和高速藍牙模塊。傳統藍牙模塊在2004年推出,主要代表是支持藍牙2.1協議的模塊,在智能手機爆發的時期得到了廣泛的使用。高速藍牙模塊在2009年推出,速率提高到約24Mbps,傳輸速率是經典藍牙的八倍。

          藍牙1.0

          1.傳輸速率748~810kbit/s。

          2.基本支持立體聲,只能單工傳輸。

          3.通信加密方式致使不同廠家模塊難以正常通信。

          4.主輻設備難以區分。

          5.通訊易干擾。

          6.Bluetooth技術將2.4GHz的頻帶劃分為79個子頻段,而為了適應一些國家的軍用需要,Bluetooth 1.0重新定義了另一套子頻段劃分標準,將整個頻帶劃分為23個子頻段作為副標準。

          藍牙2.0(Bluetooth 2.0 +EDR)

          1.傳輸速率約在 1.8Mbit/s~2.1Mbit/s。

          2.使用了 EDR,可以增加帶寬。EDR 即Enhanced data rate,是藍牙技術中增強速率的縮寫,其特點是大大提高了藍牙技術的數據傳輸速率,最大可達3Mbps。EDR可以100%和藍牙1.2版兼容。

          3.數據傳輸速率為原V1.2的3倍,并降低了功耗,從而延長了電池的使用時間。由于帶寬增加,新規范提高了設備同時進行多項任務處理或同時連接多個藍牙設備的能力,并使傳輸范圍可達100米。

          4.開始支持雙工模式——即一面作語音通訊,同時亦可以傳輸檔案或者高質素圖片。

          該版本已作廢,作廢時間:2014.11.13。

           

          藍牙3.0(通常寫成 Bluetooth 3.0 +HS,發布日期2009.4.21)

          1.藍牙3.0的核心是“Generic Alternate MAC/PHY”(AMP),這是一種全新的交替射頻技術,允許藍牙協議棧針對任一任務動態地選擇正確的射頻,允許消費類設備使用標準藍牙射頻和無線局域網射頻(WIFI)多重傳輸。

          2.藍牙3.0的傳輸速率更高,而秘密就在“802.11”無線協議上。通過集成“802.11 PAL”(協議適應層),藍牙3.0的數據傳輸速率提高到了大約24Mbps(即可在需要的時候調用“802.11 WI-FI”用于實現高速數據傳輸)。在傳輸速度上,藍牙3.0是藍牙2.0的八倍;3.0版本的藍牙的有效傳輸距離為10米。

          3.功耗方面,通過藍牙3.0高速傳送大量數據自然會消耗更多能量,但由于引入了增強電源控制(EPC)機制,再輔以“802.11”,實際空閑時功耗會明顯降低。

          低功耗藍牙(BLE)

          從藍牙4.0開始,藍牙技術有了質的飛躍,最主要的來說就是傳輸距離的提升和功耗的降低。Ble傳輸距離50~100米。功耗更是達到了uA級別。這也導致了它應用場景的變化,它不在適用于大量的數據傳輸,而是更廣泛應用于實時性和低功耗要求的設備,如傳感器,智能手環,酒店鎖等;

          藍牙4.0

          1  速度:支持1Mbps數據傳輸率下的超短數據包,最少8個八組位,最多27個。所有連接都使用藍牙2.1加入的減速呼吸模式(sniff subrating)來達到超低工作循環。

          2 跳頻:使用所有藍牙規范版本通用的自適應跳頻,最大程度地減少和其他2.4GHz ISM頻段無線技術的串擾。

          3 主控制:更加智能,可以休眠更長時間,只在需要執行動作的時候才喚醒。

          4 延遲:最短可在3毫秒內完成連接設置并開始傳輸數據。

          5 范圍:提高調制指數,最大范圍可超過100米。

          6 健壯性:所有數據包都使用24-bitCRC校驗,確保最大程度抵御干擾。

          7 安全:使用AES-128 CCM加密算法進行數據包加密和認證。

          8 低功耗:待機時間和通話時都很低。

           

          新時代--藍牙 5.0

          藍牙5.0是在藍牙 4.2 基礎上進化而來,那么與藍牙 4.2 相比,它有什么特點了?


          藍牙 5.0 的特色是它能在現有(藍牙 4.2)的省電模式下,提供超過 4 倍的通訊范圍(300 米)和 2 倍的傳輸速度(2Mbps),8 倍的數據量;藍牙 5.0 在低功耗方面的表現依舊有著無可匹敵的特性。物聯網設備(比如傳感器和可穿戴設備)體積一個比一個小,所能容納的電池容量更是有限。因此,能做到超迷你級別的藍牙芯片(接收器),而且能比 Wi-Fi 節省 25%到一倍電力的藍牙 5.0,自然更受小型物聯網設備青睞了。而且能快速啟動,瞬間連接,而且成本更低

           

          藍牙的主要功耗
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          藍牙的主要功耗產生就是廣播時射頻開啟的時間內。尖刺的波就是連接事件(Connection events),剩下的Sleeping是睡眠時間,設備在建立連接之后的大多數時間都是處于Sleeping,這種情況下耗電量比較低,而在連接事件(Connection events)中,耗電量就相對高很多,這也是BLE為什么省電的原因之一。


          藍奧聲科技擁有自主核心專利技術的“邊緣協同感知網絡系統技術ECS”就是基于藍牙技術開發二次,廣泛應用于智能家居、智慧工廠等物聯網領域。


          如何實現低功耗?

          1 更短的廣播時間

          BLE有40個信道,其中只有37,38,39這三個廣播信道,也叫作主廣播信道。主廣播信道最大廣播字節31個。其余37個是數據信道也叫作次廣播信道,當廣播發送大數據包時,就要通過次廣播信道,發送長度介于 0-255 字節。當然,為了實現低功耗,藍牙廣播一般在3個主廣播信道上各廣播一次,每次廣播時射頻的開啟時間也由傳統的 22.5ms 減少到 0.6~1.2ms。而傳統藍牙的廣播信道有16~32個,所以廣播時間比較長。

          2 更低的待機功耗

          低功耗藍牙設計了用深度睡眠狀態來替換傳統藍牙的空閑狀態,在深度睡眠狀態下,主機(Host)長時間處于超低的負載循環(Duty Cycle)狀態,同時睡眠狀態關閉了很多接口,只在需要運作時由控制器來啟動,由于主機較控制器消耗的能源更多,因此這樣的設計也節省了最多的能源,實現了深度睡眠時,電流3~5uA。

          雙模藍牙

          市場的需求總是能推動技術的發展,技術又反作用于需求。雙模藍牙就是應運而生的產物。為了滿足人們既要傳輸大數據,又要低功耗的要求,考慮到傳統藍牙和低功耗藍牙的優劣,我們在一個芯片上運行兩種協議棧,或是在PCB板上安裝兩個藍牙模塊;不同的類型藍牙處理不同的任務,這樣我們既可以近距離傳輸大數據,也可以遠距離發送藍牙廣播,而且能做到低功耗。


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