連接性是任何物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要支柱。選擇用于應用的正確無線協(xié)議的最重要決定因素包括速度、傳輸范圍、安全性、兼容性和功耗。我們在本專欄系列的第2 部分中概述了不同的無線技術。在本期中，我們將重點介紹低功耗藍牙 （BLE），并探討使其成為許多物聯(lián)網(wǎng)設計人員首選技術的關鍵特性。

藍牙在具有PC和手機連接的無線人機接口設備和音頻外圍設備中找到了利基市場，催化了市場。盡管低功耗Wi-Fi設備的進步為某些應用提供了替代連接，但對藍牙的需求仍然強勁。另一方面，BLE由于其外形靈活性，易于與手機一起使用以及超低功耗特性，發(fā)展成為連接的瑞士軍刀。BLE正在取代ZigBee等專有協(xié)議，成為低功耗、低成本物聯(lián)網(wǎng)設備中連接的事實標準。

這種增長是由最近的更新推動的 BLE 5.0 和 BLE 5.1 改進了 BLE 的規(guī)范。例如，改進的范圍可確保任何BLE設備（如智能傳感器，智能鎖或燈泡）都可以從房屋中的任何地方完美連接。這是實現(xiàn)真正智能家居的關鍵一步。改進的范圍也有利于智能手表等設備，因此它們可以從不同房間的智能手機接收即時通知。

另一個實質(zhì)性的改進是數(shù)據(jù)速率的顯著提高，使信息傳輸更豐富，更智能。提供上下文感知的信標等無連接服務將能夠傳輸更多信息。例如， 信標將能夠傳輸實際內(nèi)容，而不僅僅是通過 URL 指向內(nèi)容。這有可能通過轉(zhuǎn)向無連接物聯(lián)網(wǎng)而不是當前的藍牙配對設備模型來重新定義當今藍牙設備傳輸信息的方式。這也可以使BLE應用（如資產(chǎn)跟蹤和智能廢物管理）使用BLE網(wǎng)狀網(wǎng)絡更加智能。

然而，這些改進的功能也需要在DMIP和內(nèi)存方面改進處理器。底層硬件（即 SoC 或 MCU）必須更改以支持這些功能。安全性是大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應用必不可少的、不可協(xié)商的功能。所有級別都需要數(shù)據(jù)保護，包括存儲、處理和通信期間，以確保系統(tǒng)可靠性。物聯(lián)網(wǎng)設計人員更喜歡選擇具有內(nèi)置 BLE、傳感器接口、安全功能和靈活外設的 SoC。這也有助于他們減少物聯(lián)網(wǎng)設備的BOM和PCB空間。有關芯片上完全集成的無線系統(tǒng)的詳細討論，請參閱本系列的第4 部分。

讓我們看一下使BLE靈活且易于用于物聯(lián)網(wǎng)應用的一些功能。

關貿(mào)總協(xié)定配置文件 – 易于使用

BLE為典型應用提供了多個通用屬性（GATT）配置文件，簡化了固件和兼容性標準。示例包括當前時間服務 （CTS）、聯(lián)系我配置文件 （FMP）、心率服務 （HRS）、無線照明控制（網(wǎng)狀配置文件）等。這些配置文件允許外圍設備和服務器使用預定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相互通信，開銷很小。這允許BLE使用比Wi-Fi等連接選項更簡單的協(xié)議。它還產(chǎn)生了非常高的數(shù)據(jù)傳輸效率。如果您的應用程序適合現(xiàn)有的 GATT 配置文件，那么使用它很容易，因為它減少了固件開發(fā)時間并為現(xiàn)有應用程序兼容性打開了大門。標準關貿(mào)總協(xié)定概況列表可在BLE SIG網(wǎng)站上找到。

為了進一步簡化固件創(chuàng)建過程，諸如Cypress的ModusToolbox之類的IDE為BLE提供了易于使用的圖形界面。這些配置器提供了添加標準 GATT 服務并在創(chuàng)建固件之前對其進行配置的選項，以便堆棧本身可以處理特定于服務的事件。這意味著應用程序固件只需要處理高級事件。

自定義配置文件 – 靈活性

在特定應用程序中，可能需要創(chuàng)建不符合現(xiàn)有標準 GATT 服務的自定義配置文件。示例包括自定義傳感器接口、電容式觸摸感應和 RGB LED 照明。這些創(chuàng)新接口有助于使用一個SoC集成許多功能，從而提供更好的功耗和成本優(yōu)勢。

基于 GUI 的固件設計方法也有助于自定義配置文件。圖 3 顯示了自定義用戶界面示例的配置。

盡管 BLE 提供了用于配對和鏈路層的安全選項，但如果 SoC 支持加密塊，則可以使用自定義配置文件實現(xiàn)其他安全措施。這些 SoC 需要在硬件中提供完整的安全鏈。與等效的固件實現(xiàn)相比，這些硬件 SoC 安全功能花費的時間和精力更少。

功耗

BLE是低功耗連接的理想解決方案。可以通過調(diào)整連接間隔和MTU（最大傳輸單元）大小來換取更低的功率，以犧牲數(shù)據(jù)速率。片上系統(tǒng)中的集成BLE還允許SoC有效地使用深度睡眠電源模式，正如我們在本專欄系列的第5部分中所討論的那樣。SoC 可以從 BLE 事件的深度睡眠電源模式喚醒并處理數(shù)據(jù)。即使在高數(shù)據(jù)速率（高達 2Mbps）下，BLE在低數(shù)據(jù)速率連接方面也比Wi-Fi具有相當大的功率優(yōu)勢。雙核 SoC 通過使用配套內(nèi)核進行 BLE 堆棧操作，從而提供了更大的靈活性，而主 MCU 可以自由運行應用固件，從而使系統(tǒng)在深度睡眠模式下花費更多時間。

廣播

BLE是一種基于數(shù)據(jù)包的協(xié)議，具有主/從架構(gòu)。但是，它提供了一種無需配對的無憂廣播模式。“信標”可以使用廣播器模式將消息傳輸?shù)蕉鄠€聽眾。該技術使智能設備能夠在靠近信標時執(zhí)行特定操作。設計用于支持信標的設備應該是超低的，因為功率是廣播的主要要求之一.BLE信標還可以實現(xiàn)室內(nèi)位置跟蹤功能。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡

網(wǎng)狀網(wǎng)絡通過支持多個互連節(jié)點，使BLE超越了簡單的主/從架構(gòu)。這允許大量低功耗物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點（高達32767！）相互通信，并消除了對集線器/路由器的需求。BLE Mesh 通過加密和經(jīng)過身份驗證的消息實現(xiàn)受控的泛洪網(wǎng)絡。基本消息段大小為 11 字節(jié)，但使用分段和重新組裝，可以擴展到 384 字節(jié)。消息具有操作碼、序列號、生存時間 （TTL） 以及源地址和目標地址。尋址是靈活的，可用于表示單個節(jié)點或一組節(jié)點。BLE Mesh 還為網(wǎng)絡和特定應用功能提供具有不同類型的密鑰的精細身份驗證。使用 BLE Mesh， 網(wǎng)絡可以通過智能手機或低成本橋接設備（如智能揚聲器）或使用 Wi-Fi/BT 組合橋接到互聯(lián)網(wǎng)。與專有網(wǎng)狀協(xié)議ZigBee相比，BLE Mesh協(xié)議提供低成本硬件和基于熟悉藍牙的輕量級協(xié)議棧，帶來與手機，PC和現(xiàn)有BLE，BT和WiFi / BT設備的互操作性。

審核編輯：郭婷