(9)-2.2.2 無線傳感技術(shù)之藍(lán)牙

藍(lán)牙技術(shù)學(xué)習(xí)內(nèi)容藍(lán)牙技術(shù)變遷Bluetooth的系統(tǒng)構(gòu)成藍(lán)牙協(xié)議體系Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用前景引言英特爾的工程師JimKardach在一次無線通訊行業(yè)會議上，提議將「Bluetooth」作為無線通訊技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的名稱。藍(lán)牙的LOGO來自后弗薩克文的符文組合，將哈拉爾國王名字的首字母H和B拼在一起，成為了今天大家熟知的藍(lán)色徽標(biāo)。圖1Bluetooth徽標(biāo)的來歷一、藍(lán)牙技術(shù)簡介藍(lán)牙是一種支持設(shè)備短距離通信的無線電技術(shù)，能在包括移動(dòng)電話、PDA、無線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換。利用“藍(lán)牙”技術(shù)，能夠有效地簡化移動(dòng)通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡化設(shè)備與Internet之間的通信，從而數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路。藍(lán)牙采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù)，支持點(diǎn)對點(diǎn)及點(diǎn)對多點(diǎn)通信，工作在全球通用的2.4GHzISM（即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段。其數(shù)據(jù)速率為最高可達(dá)24Mbps。采用時(shí)分雙工傳輸方案實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。起源1998年5月20日，愛立信聯(lián)合IBM、英特爾、諾基亞及東芝公司等5家著名廠商成立「特別興趣小組」（SpecialInterestGroup，SIG），即藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟的前身，目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)成本低、效益高、可以在短距離范圍內(nèi)隨意無線連接的藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。同年，藍(lán)牙0.7版本問世。2.藍(lán)牙技術(shù)發(fā)展歷程圖2藍(lán)牙技術(shù)變遷歷史版本規(guī)范發(fā)布時(shí)間增強(qiáng)功能0.71998.10.19Baseband、LMP0.81999.01.21HCI、L2CAP、RFCOMM0.91999.04.30OBEX與IrDA的互通性1.0Draft1999.07.05SDP、TCS1.0A1999.07.26第一個(gè)正式版本1.0B2000.10.01安全性，廠商設(shè)備之間連接兼容性1.12001.02.22IEEE802.15.11.22003.11.05快速連接、自適應(yīng)跳頻、錯(cuò)誤檢測、流程控制和同步能力2.0+EDR2004.11.09EDR傳輸率提升至2-3Mbps2.1+EDR2007.07.26擴(kuò)展査詢響應(yīng)、簡易安全配對、暫停與繼續(xù)加密、Sniff省電3.0+HS2009.04.21交替射頻技術(shù)、802.11協(xié)議適配層、電源管理、取消了UMB的應(yīng)用4.0+BLE2010.06.30低功耗物理層和鏈路層、AES加密、ATT、GATT和SM等4.12013.12.03與4G不構(gòu)成干擾，通過IPV6連接到網(wǎng)絡(luò)，可同時(shí)發(fā)射和接收數(shù)據(jù)4.22014.12.04數(shù)據(jù)傳輸更快、隱私功能更強(qiáng)大，支持6LOWPAN5.02016.06.16依賴更新的硬件設(shè)備，更快的傳輸速度，更遠(yuǎn)的傳輸距離，更低的功耗，更多的物聯(lián)網(wǎng)特性，更強(qiáng)的位置感知功能表1藍(lán)牙技術(shù)的演進(jìn)藍(lán)牙技術(shù)演進(jìn)過程中的典型產(chǎn)品圖3愛立信第一臺藍(lán)牙手機(jī)T39mc（藍(lán)牙1.0）圖4正在以藍(lán)牙與無線耳機(jī)溝通的SonyEricssonP910iPDA手機(jī)（藍(lán)牙2.1）藍(lán)牙技術(shù)演進(jìn)過程中的典型產(chǎn)品圖5藍(lán)牙適配器（藍(lán)牙3.0）圖6第一款支持藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)的智能手機(jī)iPhone4S圖7歷代藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)性能第五代藍(lán)牙：開啟「物聯(lián)網(wǎng)」時(shí)代大門藍(lán)牙5.0誕生于2016年6月。在低功耗模式下具備更快更遠(yuǎn)的傳輸能力，傳輸速率是藍(lán)牙4.2的兩倍（速度上限為2Mbps），有效傳輸距離是藍(lán)牙4.2的四倍（理論上可達(dá)300米），數(shù)據(jù)包容量是藍(lán)牙4.2的八倍。支持室內(nèi)定位導(dǎo)航功能，結(jié)合WiFi可以實(shí)現(xiàn)精度小于1米的室內(nèi)定位。針對物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行底層優(yōu)化，力求以更低的功耗和更高的性能為智能家居服務(wù)。圖8低功耗版藍(lán)牙與經(jīng)典版藍(lán)牙參數(shù)二、藍(lán)牙的系統(tǒng)構(gòu)成圖9Bluetooth的系統(tǒng)構(gòu)成1.無線射頻單元(Radio)：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)和語音的發(fā)送和接收，特點(diǎn)是短距離、低功耗。藍(lán)牙天線一般體積小、重量輕，屬于微帶天線。2.基帶或鏈路控制單元(LinkController)：進(jìn)行射頻信號與數(shù)字或語音信號的相互轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)基帶協(xié)議和其它的底層連接規(guī)程。3.鏈路管理單元(LinkManager)：負(fù)責(zé)管理藍(lán)牙設(shè)備之間的通信，實(shí)現(xiàn)鏈路的建立、驗(yàn)證、鏈路配置等操作。4.藍(lán)牙軟件協(xié)議實(shí)現(xiàn)：涉及到主機(jī)控制接口協(xié)議—HCI、高層協(xié)議和應(yīng)用程序。三、藍(lán)牙協(xié)議體系1.組成藍(lán)牙協(xié)議體系中的協(xié)議按SIG的關(guān)注程度分為四層：（1）核心協(xié)議：BaseBand、LMP、L2CAP、SDP；（2）電纜替代協(xié)議：RFCOMM；（3）電話傳送控制協(xié)議：TCS-Binary、AT命令集；（4）選用協(xié)議：PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard、vCal、IrMC、WAE。圖10藍(lán)牙協(xié)議體系除上述協(xié)議層外，規(guī)范還定義了主機(jī)控制器接口（HCI），它為基帶控制器、連接管理器、硬件狀態(tài)和控制寄存器提供命令連接，HCI位于L2CAP的下層，也可位于L2CAP上層。藍(lán)牙核心協(xié)議由SIG制定的藍(lán)牙專用協(xié)議組成。絕大部分藍(lán)牙設(shè)備都需要核心協(xié)議，而其他協(xié)議則根據(jù)應(yīng)用的需要而定?？傊?，電纜替代協(xié)議、電話控制協(xié)議和被采用的協(xié)議在核心協(xié)議基礎(chǔ)上構(gòu)成了面向應(yīng)用的協(xié)議。圖11藍(lán)牙協(xié)議棧四、Mesh網(wǎng)絡(luò)：實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵「鑰匙」Mesh網(wǎng)絡(luò)中，能夠?qū)⑺{(lán)牙設(shè)備作為信號中繼站，將數(shù)據(jù)覆蓋到非常大的物理區(qū)域，兼容藍(lán)牙4和5系列的協(xié)議。傳統(tǒng)的藍(lán)牙連接是通過一臺設(shè)備到另一臺設(shè)備的「配對」實(shí)現(xiàn)的，建立「一對一」或「一對多」的微型網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。Mesh網(wǎng)絡(luò)能夠使設(shè)備實(shí)現(xiàn)「多對多」的關(guān)系。Mesh網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)都能發(fā)送和接收信息，只要有一個(gè)設(shè)備連上網(wǎng)關(guān)，信息就能夠在節(jié)點(diǎn)之間被中繼，從而讓消息傳輸至比無線電波正常傳輸距離更遠(yuǎn)的位置。Mesh網(wǎng)絡(luò)就可以分布在制造工廠、辦公樓、購物中心、商業(yè)園區(qū)以及更廣的場景中，為照明設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備、安防攝像機(jī)、煙霧探測器和環(huán)境傳感器提供更穩(wěn)定的控制方案。圖12Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D13辦公樓里的Mesh網(wǎng)絡(luò)五、藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用前景自1998年來，藍(lán)牙協(xié)議已經(jīng)進(jìn)行了多次更新，從音頻傳輸、圖文傳輸、視頻傳輸，再到以低功耗為主打的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。一方面維持著藍(lán)牙設(shè)備向下兼容性，另一方面藍(lán)牙也正應(yīng)用于越來越多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。未來的藍(lán)牙技術(shù)發(fā)展會針對設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)、位置服務(wù)、數(shù)據(jù)傳輸和音頻播放等四個(gè)領(lǐng)域有的放矢地發(fā)展。1.設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙m(xù)esh的推出加速了設(shè)備網(wǎng)絡(luò)解決方案的發(fā)展。“照明控制系統(tǒng)”與“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”是推動(dòng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用增長的兩大用例，并迅速成為許多控制系統(tǒng)的首選無線通信平臺。預(yù)計(jì)至2022年，藍(lán)牙設(shè)備網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品年出貨量將增長5倍，達(dá)到5.2億。2.位置服務(wù)低功耗藍(lán)牙的廣播拓?fù)溆绕溥m用于實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位和基于位置的服務(wù)，基于藍(lán)牙Beacon的室內(nèi)導(dǎo)航解決方案已迅速成為一種能夠應(yīng)對GPS無法解決的室內(nèi)覆蓋的標(biāo)準(zhǔn)方法，其解決方案正在辦公樓、機(jī)場、會展中心、甚至世界各地的城市街道中得以部署，幫助樓宇業(yè)主和城市規(guī)劃者更好地了解空間的使用方式。預(yù)計(jì)至2022年，基于位置服務(wù)的藍(lán)牙設(shè)備年出貨量將增長10倍，達(dá)到4億。3.數(shù)據(jù)傳輸?shù)凸乃{(lán)牙的點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)溽槍O低功耗的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行了優(yōu)化，使其成為互聯(lián)設(shè)備產(chǎn)品的理想選擇。藍(lán)牙賦力可穿戴設(shè)備，健身追蹤器和智能手表，監(jiān)測步數(shù)、鍛煉、活動(dòng)和睡眠。從血壓監(jiān)測儀到便攜式超聲波和X光成像系統(tǒng)，藍(lán)牙技術(shù)可幫助人跟蹤并改善整體健康狀況，使醫(yī)療專業(yè)人士能夠更輕松地提供優(yōu)質(zhì)的護(hù)理服務(wù)。2018年的設(shè)備出貨量是5.5億。4.音頻傳輸藍(lán)牙基礎(chǔ)速率/增強(qiáng)速率(BR/EDR)的點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)湟厌槍σ纛l傳輸進(jìn)行了優(yōu)化，使其成為無線音頻的標(biāo)準(zhǔn)載體。藍(lán)牙耳機(jī)如今已成為手機(jī)的必備配件。藍(lán)牙車載信息娛樂系統(tǒng)可與駕駛員的智能手機(jī)配合使用，讓駕駛員能夠?qū)Ｗ⒂谧钪匾牡缆沸旭?。按照預(yù)測，相關(guān)設(shè)備的年出貨量將會達(dá)到8.8億，預(yù)計(jì)至2022年，音頻傳輸和數(shù)據(jù)傳