低功耗藍牙技術(shù)及解決方案

藍牙通信協(xié)議 BTcommunication protocol

簡介 Introduction

●什么是藍牙？

藍牙是一種短距離無線技術(shù)標準，用于實現(xiàn)設(shè)備間的短距離數(shù)據(jù)交接，以及通過星型或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（mesh）拓撲結(jié)構(gòu)來組建個人局域網(wǎng)絡(luò)。藍牙使用ISM頻段的UHF無線電波，范圍從2.400 GHz到2.483 GHz。作為有線連接的替代品，藍牙技術(shù)廣泛應(yīng)用于移動電話、個人電腦、手持設(shè)備、音頻設(shè)備、無線鼠標和鍵盤等設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。近年來，藍牙m(xù)esh組網(wǎng)技術(shù)不斷成熟，在智能家居控制、工業(yè)自動化、商業(yè)照明、智能城市等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

藍牙技術(shù)由瑞典的愛立信公司在1994年提出，其初衷為設(shè)計一種無線協(xié)議以替換RS-232數(shù)據(jù)線，并拓展至移動電話和其他配件間進行低功耗、低成本的無線連接。之后，在1999年，由索尼愛立信、IBM、英特爾、諾基亞和東芝聯(lián)合組建了藍牙特別興趣小組（Bluetooth Special Interest Group, SIG），制定藍牙規(guī)范，推動藍牙技術(shù)的發(fā)展。在這個過程中，英特爾公司提議將該無線技術(shù)命名為“藍牙”。該命名源自10世紀丹麥和挪威國王藍牙哈拉爾，他致力于統(tǒng)一斯堪的納維亞半島的各個國家，這也表明了藍牙特別興趣小組希望用藍牙技術(shù)來“統(tǒng)一”各種應(yīng)用場景下的無線通信標準。

藍牙技術(shù)由藍牙特別興趣小組(SIG)管理，作為一個全球化的組織，在電信、計算機、網(wǎng)絡(luò)和消費電子領(lǐng)域，已擁有超過38,000家成員公司。目前藍牙技術(shù)的發(fā)展受SIG的監(jiān)督、管理和認證，且商標為SIG所有。所有藍牙設(shè)備必須符合藍牙技術(shù)聯(lián)盟標準，且通過相關(guān)認證，才可以作為藍牙設(shè)備，使用藍牙商標進行銷售。

經(jīng)典藍牙和低功耗藍牙是藍牙技術(shù)的兩個方向，在應(yīng)用場景、功耗、傳輸速率等方面有所區(qū)別。

經(jīng)典藍牙(BluetoothClassic):

■ 應(yīng)用場景：主要用于音頻和數(shù)據(jù)傳輸，例如連接耳機、打印機等。

■ 傳輸速率：典型傳輸速率為1-3 Mb。基本速率(BR)模式下，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為723.2kb，增強數(shù)據(jù)速率(EDR)模式下，其最大數(shù)據(jù)傳輸速率為2178.1kb。

■ 功耗：相對較高，適用于高速率數(shù)據(jù)傳輸場景。

■ 范圍：通常在10米左右。

低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy):

■ 應(yīng)用場景：專注于低功耗應(yīng)用，適用于連接傳感器、健康設(shè)備、智能家居設(shè)備等。同時，低功耗藍牙也拓展了mesh組網(wǎng)、藍牙定位、藍牙音頻等多種應(yīng)用領(lǐng)域。

■傳輸速率：支持1Mb、2Mb、500Kb、125Kb等不同傳輸速率，以滿足不同應(yīng)用場景下對于傳輸速率及傳輸距離的要求。

■功耗：低功耗設(shè)計，適用于需要長時間運行的設(shè)備。

■范圍：通常在100米左右。

現(xiàn)有經(jīng)典藍牙技術(shù)主要應(yīng)用于藍牙音頻數(shù)據(jù)傳輸，例如藍牙耳機、藍牙音箱等，且隨著藍牙5.2版本的發(fā)布，藍牙聯(lián)盟正式推動LE Audio標準，旨在提供更高質(zhì)量的音頻傳輸，支持多流音頻、廣播音頻和改進的低功耗性能，這也是目前藍牙解決方案商的重點研發(fā)方向之一。因此在后文中，我們主要討論低功耗藍牙技術(shù)。

低功耗藍牙通信 BLEcommunication

特征概述 Feature Profile

●低功耗藍牙技術(shù)的典型特征

1.低功耗：采用低功耗設(shè)計，設(shè)備在廣播或者連接間隔內(nèi)進入低功耗狀態(tài)，以減少系統(tǒng)功耗。適應(yīng)于長時間工作的電池供電設(shè)備。在合理的設(shè)置下，使用單顆鈕扣電池可以工作5年甚至是10年之久。

2.短距離通信：采用GFSK調(diào)制，適應(yīng)于中短距離設(shè)備間的通信。市面上藍牙設(shè)備所支持的發(fā)射功率一般在10dBm左右，部分芯片廠商提供有20dBm的產(chǎn)品，但是需要注意，根據(jù)ETSI EN 300 328，在自適應(yīng)跳頻（adaptive frequency hopping）不支持的情況下，所允許的最大發(fā)射功率僅為10dBm。

3.頻率跳變：使用頻率跳變的方式來避免干擾，藍牙連接建立之后，主機和從機間會協(xié)商相應(yīng)的channel map并在通訊過程中依次跳變，從而保證通信的可靠性。

4.高安全性：在無線通訊中，最為常見的安全風險有Passive eavesdropping，Active eavesdropping = Man in the Middle (MITM)，Privacy (tracking)，藍牙定義了5種安全特性來防范以上安全風險。分別是，Pairing，Bonding，Device authentication，Encryption和Data signing。

5.多連接：支持主從一體、多設(shè)備連接，即一個設(shè)備可以同時作為主機和從機，同一設(shè)備可以同時連接多個其他設(shè)備，實現(xiàn)多設(shè)備之間的數(shù)據(jù)共享。

6.Mesh組網(wǎng)技術(shù)：基于低功耗藍牙技術(shù)發(fā)展起來的藍牙m(xù)esh技術(shù)支持設(shè)備組網(wǎng)，以有效拓寬藍牙的通訊距離及應(yīng)用場景。同時，藍牙SIG還定義了完善的model來滿足不同設(shè)備類型的組網(wǎng)需求。

多種無線通信 Common wireless communication

協(xié)議比較 Protocol comparison

●Wi-Fi

常見的無線局域網(wǎng)技術(shù)，可以實現(xiàn)大范圍的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。優(yōu)點是通信速度快，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，適用于需要大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱鼍?，如辦公室、家庭網(wǎng)絡(luò)等。缺點是功耗較大，不適合用于小型設(shè)備，尤其是電池供電的設(shè)備。近幾年，低功耗Wi-Fi技術(shù)逐漸興起，在保持較高數(shù)據(jù)吞吐率的前提下，將功耗顯著降低，以滿足某一些需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a href="http://m.xsypw.cn/tags/iot/" target="_blank">IoT應(yīng)用，例如無線攝像頭。

●OpenThread

基于IPv6協(xié)議的低功耗網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，支持多個設(shè)備之間的通信和自動組網(wǎng)。它的優(yōu)點是可以通過路由器實現(xiàn)大范圍網(wǎng)絡(luò)覆蓋，同時功耗較低，適合用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的通信。OpenThread，IP網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi作為Matter協(xié)議的底層傳輸協(xié)議，隨著Matter協(xié)議的開發(fā)與發(fā)布，它在應(yīng)用層將智能家居產(chǎn)品作了統(tǒng)一，極大簡化了產(chǎn)品的開發(fā)，提升的產(chǎn)品的互操作性，可靠性和安全性。

●Zigbee

低功耗、短距離通信的協(xié)議，適用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的通信。優(yōu)點是功耗低、自組網(wǎng)、可靠性高，適用于需要長時間運行的設(shè)備，如傳感器、智能家居產(chǎn)品等。其通信速度相對較慢，不適合用于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱鼍啊?/p>

●Z-Wave

專門用于智能家居設(shè)備之間通信的協(xié)議，優(yōu)點是通信距離長、可靠性高。通過Z-Wave協(xié)議，可以實現(xiàn)智能家居設(shè)備之間的通信和協(xié)同工作。

●BLE

一種低功耗、短距離通信的協(xié)議，適用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的通信。優(yōu)點是功耗低、支持多點連接，適合用于小型設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，如智能手表、血糖儀等。在智能家居場景中，低功耗藍牙技術(shù)，特別是藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)有著極其廣泛的應(yīng)用。通過藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)，可以將各種智能家居設(shè)備，例如，燈、開關(guān)、各種傳感器設(shè)備等連接在一起，并相互通信，實現(xiàn)控制命令及狀態(tài)數(shù)據(jù)的交互。

多種無線通信 Common wireless communication

組網(wǎng)功能Networking function

除了協(xié)議層存在差異，各種無線通訊協(xié)議在組網(wǎng)或應(yīng)用層面的實現(xiàn)也有所不同。下面簡要介紹各種協(xié)議在組網(wǎng)及智能家居等領(lǐng)域的應(yīng)用情況。

Zigbee、Matter和Bluetooth Mesh等無線通信協(xié)議，可用于構(gòu)建低功耗、低帶寬、廣范圍的無線網(wǎng)絡(luò)，它們都提供了組網(wǎng)和應(yīng)用層的實現(xiàn)方式，以滿足不同的應(yīng)用需求。

Zigbee是一種基于IEEE 802.15.4標準的低功耗無線個人局域網(wǎng)（WPAN）協(xié)議，主要用于家庭自動化、工業(yè)控制、醫(yī)療保健等應(yīng)用領(lǐng)域。組網(wǎng)方式包括星型、樹型和網(wǎng)狀型，其中網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)最為常用，可以實現(xiàn)多跳通信，具有較強的抗干擾性和可靠性。Zigbee的應(yīng)用層使用了標準化的Zigbee Cluster Library（ZCL），并提供豐富的應(yīng)用場景和服務(wù)，如燈光控制、電源管理、安防監(jiān)控等。

Matter（原名CHIP）是一個智能家居通訊協(xié)議標準，由蘋果，亞馬遜，谷歌和CSA等共同推出，旨在實現(xiàn)不同品牌、不同技術(shù)的智能家居設(shè)備間的互操作性。Matter采用了IP網(wǎng)絡(luò)和Thread網(wǎng)絡(luò)作為底層通信協(xié)議，具有高度的靈活性和可擴展性。組網(wǎng)方式包括星型和網(wǎng)狀型，可以實現(xiàn)多跳通信和容錯機制。Matter的應(yīng)用層基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）和開放連接性基礎(chǔ)架構(gòu)（OCI），提供了燈光、安全、能源管理等多個領(lǐng)域的應(yīng)用服務(wù)。

Bluetooth Mesh是基于藍牙低功耗（BLE）技術(shù)的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，多應(yīng)用于家庭自動化、商業(yè)照明、工業(yè)控制等領(lǐng)域，采用網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式，實現(xiàn)多跳通信和動態(tài)路由，具有高度的靈活性和可擴展性。應(yīng)用層使用了標準化的Generic Attribute Profile（GATT）和Mesh Model，支持燈光控制、安全監(jiān)控、室內(nèi)導航等多種應(yīng)用場景。

總的來說，無線通訊協(xié)議是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間進行通信的基礎(chǔ)，不同的協(xié)議有著不同的優(yōu)點和適用場景。在實際應(yīng)用中，需綜合考慮包括通信距離、功耗、帶寬、可靠性、安全性、互操作性等因素，在應(yīng)用層面進行合理的組網(wǎng)和管理，來實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的遠程控制和智能化管理。

藍牙標準的演進 Bluetooth standard evolution

和未來趨勢 And future trends

自2010年所發(fā)布Bluetooth 4.0規(guī)范中首次引入低功耗藍牙技術(shù)，之后的十多年間，藍牙技術(shù)不斷迭代，以適應(yīng)和滿足日益豐富的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求。

●藍牙4.0至5.4各版本重要特征介紹

■ Bluetooth4.0

Bluetooth 4.0規(guī)范于2010年發(fā)布，該規(guī)范引入了低功耗藍牙技術(shù)，使得藍牙的應(yīng)用領(lǐng)域得到極大擴展，尤其是對于需要長時間運行并對能耗有著更高要求的設(shè)備。

■ Bluetooth4.1

Bluetooth 4.1規(guī)范于2013年發(fā)布，加入多連接支持和數(shù)據(jù)傳輸機制優(yōu)化，實現(xiàn)更快的連接速度和更高的穩(wěn)定性。還引入隱私權(quán)模式（Privacy 1.2），有效提高設(shè)備安全性，防止設(shè)備被跟蹤。

■ Bluetooth4.2

Bluetooth 4.2規(guī)范于2014年發(fā)布，大大增加了藍牙數(shù)據(jù)包的有效載荷，PDU最大可支持251 byte。同時，還增加了低功耗無線個域網(wǎng)IPv6（6LoWPAN）支持。此外，Bluetooth 4.2引入了低功耗藍牙安全連接功能，提高了設(shè)備連接的安全性。

■ Bluetooth5.0

Bluetooth 5.0規(guī)范于2016年發(fā)布，新增了2M/125K速度PHY的支持，傳輸速度提升一倍，通信范圍理論上擴大到以前的四倍。同時，該規(guī)范中增加了擴展廣播功能，允許設(shè)備發(fā)送更大的廣播包，提高廣播數(shù)據(jù)的傳輸效率。

■ Bluetooth5.1

Bluetooth 5.1規(guī)范于2019年初發(fā)布，相比于前一個版本新增了AoA (Angle of Arrival)和 AoD(Angle of Departure)支持，實現(xiàn)室內(nèi)定位功能。同時，還新增了周期性廣播，實現(xiàn)廣播端與掃描端的時間同步，有效減小掃描端的系統(tǒng)功耗。

■ Bluetooth5.2

同一年，SIG發(fā)布了Bluetooth 5.2規(guī)范，新增了LE Power Contrl功能，實現(xiàn)藍牙連接過程中的動態(tài)功率控制，以進一步降低連接雙方的系統(tǒng)功耗。作為低功耗藍牙發(fā)展過程中最為重大的更新之一，Bluetooth 5.2引入了LE audio，開創(chuàng)了低功耗藍牙音頻應(yīng)用的新領(lǐng)域。

■ Bluetooth5.3

Bluetooth 5.3規(guī)范于2021年發(fā)布，加強了藍牙通訊的抗干擾能力，提高了在復雜環(huán)境下的信號穩(wěn)定性。在周期性廣播中新增AdvDataInfo，有效識別重復數(shù)據(jù)，提高周期性廣播效率并降低設(shè)備功耗。

■ Bluetooth5.4

Bluetooth 5.4規(guī)范于2023年初發(fā)布，新增了加密廣播數(shù)據(jù)支持，作為一種標準化的廣播數(shù)據(jù)加密方法，可以選擇對廣播數(shù)據(jù)進行部分或全部加密。同時，還新增了帶響應(yīng)的周期性廣播（PAwR）支持，以適應(yīng)高容量、大量設(shè)備信息同步的場景，如零售電子貨架標簽（ESL）等應(yīng)用。

●藍牙未來發(fā)展的趨勢

隨著藍牙SIG成員不斷開發(fā)創(chuàng)新特性，未來藍牙技術(shù)的發(fā)展趨勢朝著更高效、更智能的方法邁進。目前SIG正在開發(fā)中的新功能有以下幾項：

■高頻段低功耗藍牙

藍牙SIG目前正在進行一個規(guī)范開發(fā)項目，以定義低功耗藍牙在除2.4GHz以外的未經(jīng)授權(quán)頻譜中的操作，包括6 GHz頻段。新的頻譜擴展將有助于確保藍牙性能的持續(xù)增強，實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)吞吐量，更低的延遲，并為下一代藍牙創(chuàng)新鋪平道路。

■ 更高的數(shù)據(jù)吞吐率

LE 2M PHY于2016在藍牙5.0中被引入，使低功耗藍牙設(shè)備之間的數(shù)據(jù)速率比原來的LE 1M PHY提高了一倍。如今，越來越多的藍牙連接設(shè)備正在尋求更高的性能，以支持流媒體等傳輸。為了滿足不斷增長的市場需求，藍牙SIG計劃支持高達8Mbps的數(shù)據(jù)速率，以滿足更高效的數(shù)據(jù)傳輸性能需求，使設(shè)備間通信更為快捷高效。

■ 高精度距離測量

在藍牙5.1規(guī)范中引入了AoA/AoD技術(shù)用于高精度方向測量，而設(shè)備間的距離測量，則還是多采用基于信號強度（RSSI）的測試方法。藍牙SIG目前正在進行一個開發(fā)項目，以實現(xiàn)兩個藍牙設(shè)備之間的高精度距離測量，該功能有望提供更高的測距精度，使藍牙定位系統(tǒng)更為精準高效。

■ 超低延遲HID設(shè)備

超低延遲（ULL）HID設(shè)備項目旨在使藍牙游戲控制器的響應(yīng)速度與使用USB有線或?qū)Ｓ袩o線通信的控制器一樣快。這一增強旨在提供高達1000hz的輪詢速率，以用于改善對于延遲敏感設(shè)備的用戶體驗，例如用于增強、虛擬或混合現(xiàn)實(AR/VR/MR)場景的控制器和傳感器。

華普微藍牙 HOPERF BLE

解決方案 solution

華普微擁有專業(yè)且完備的藍牙產(chǎn)品研發(fā)團隊，專注于藍牙芯片和模組的設(shè)計與量產(chǎn)。自主研發(fā)的藍牙產(chǎn)品不僅擁有卓越的性能和穩(wěn)定的連接性，更注重定制化服務(wù)，以滿足不同客戶，不同應(yīng)用領(lǐng)域的特有需求。

●Bluetooth LE 芯片

■ CMT4531

CMT4531采用32位ARM Cortex-M0內(nèi)核，最高工作主頻為64MHz，片上集成有256KB Flash和48KB SRAM。芯片集成有先進的BLE 5.2射頻收發(fā)器，符合BLE 5.2規(guī)范，可配置為標準的1Mbps BLE模式，2Mbps增強BLE模式，125kbps BLE長距離模式。可同時支持主從模式，支持多連接，支持藍牙m(xù)esh組網(wǎng)。

芯片集成有豐富的外設(shè)單元，支持按鍵掃描，紅外發(fā)射控制，高精度ADC，支持基本、通用、高級定時器，RTC，看門狗，LPUART，USART，SPI，I2C等外設(shè)。

CMT4531具有卓越的射頻及系統(tǒng)功耗性能，其最大發(fā)射功率為+6dBm，在0dBm發(fā)射功率下，其功耗僅為4.2mA@3.3v，接收電流為3.8mA@3.3V。在休眠模式下，保持全部48KB RAM內(nèi)容，其系統(tǒng)功耗僅為1.4uA。

■ CMT4502

CMT4502是一款低功耗藍牙無線通信芯片，搭載32位ARM Cortex-M0 CPU，片上包含最大512KB Flash，138KB SRAM。CMT4502支持BLE 5.0高速數(shù)據(jù)傳輸，包括BLE 2Mbps和數(shù)據(jù)包長度擴展；支持藍牙SIG-Mesh協(xié)議的Friend, LPN, Proxy, Relay等多種節(jié)點。其豐富的外圍設(shè)備接口和集成應(yīng)用程序?qū)榭蛻魩沓杀緝?yōu)勢。

CMT4502具有極低的系統(tǒng)功耗、優(yōu)異的射頻性能，其最大發(fā)射功率為+10dBm，在0dBm發(fā)射功率下，其功耗為6.7mA@3.3v。接收電流為6.7mA@3.3V。

●BLE模組

■ HM-BT4531

HM-BT4531是?款基于CMT4531低功耗藍牙5.2芯片實現(xiàn)的?線數(shù)據(jù)透傳模塊，通過與設(shè)備MCU配合，可快速實現(xiàn)BLE從設(shè)備與?機、平板等BLE主設(shè)備的連接和數(shù)據(jù)通信，MCU資源占?低，開發(fā)簡單。

HM-BT4531數(shù)據(jù)透傳模塊?戶接?使?通?串?設(shè)計，全雙?雙向通訊，最低波特率?持9600bps。?持2M速率數(shù)據(jù)傳輸，?持豐富的AT指令集?于藍牙設(shè)備名稱修改，?播及連接參數(shù)修改，安全密碼設(shè)置等功能。模組集成有PCB天線，具有優(yōu)越的射頻性能，其最?發(fā)射功率為+6dBm，在0dBm發(fā)射功率下，其功耗僅為4.2mA@3.3v，接收電流為3.8mA@3.3V。在休眠模式下，保持全部48kBRAM內(nèi)容，其系統(tǒng)功耗性僅為1.4uA。在待機模式下，功耗僅為130nA。

模組通過完整的BQB/FCC/CE/IC/SRRC認證，符合ROHS/REACH/CA Prop 65標準要求。

■ HM-BT4502

HM-BT4502 / HM-BT4502A是一款基于CMT4502低功耗藍牙5.0芯片實現(xiàn)的無線數(shù)據(jù)透傳模塊，通過與設(shè)備MCU配合，可快速實現(xiàn)BLE從設(shè)備與手機、平板等BLE主設(shè)備的連接和數(shù)據(jù)通信，MCU資源占用低，開發(fā)簡單。

模塊通過完整的BQB/FCC/CE/IC/SRRC認證，符合ROHS/REACH/CA Prop 65標準要求。

■ HM-BT220X

HM-BT2204是一款低功耗藍牙 5.2 模塊，采用32位ARM Cortex-M33 處理器內(nèi)核，最高頻率76.8MHz，內(nèi)嵌2.4 GHz射頻收發(fā)器，搭載集成PCB天線，支持無線數(shù)據(jù)透傳功能，通過與外部MCU進行通信，可以快速實現(xiàn)BLE從設(shè)備與手機、平板等BLE主設(shè)備的無線連接和數(shù)據(jù)通信，外部MCU的資源占用低，開發(fā)過程簡單。

HM-BT220X模組擁有卓越的射頻性能，其最大發(fā)射功率為+8dBm，接收靈敏度為-98.9dBm。同時，經(jīng)過優(yōu)化的芯片及模組設(shè)計，使得其具有優(yōu)異的功耗表現(xiàn)。其休眠電流為1.4uA，0dBm發(fā)射功率僅為4.2mA，接收模式下功耗為3.6mA。

模塊通過完整的BQB/FCC/CE/IC/SRRC認證，符合ROHS/REACH/CA Prop 65標準要求。

■ HM-BT210X

HM-BT210X模塊是實現(xiàn)IoT設(shè)備上低功耗藍牙連接的理想之選，該模組采用ARM Cortex-M33 32位處理器內(nèi)核，最高頻率80MHz，內(nèi)嵌高性能2.4 GHz射頻電路，旨在為 IoT 連接應(yīng)用提供行業(yè)領(lǐng)先的解決方案。HM-BT210X模塊搭載PCB天線及可外接天線接口，支持無線數(shù)據(jù)透傳功能，可以支持同時最多32個連接，非常適用于星型組網(wǎng)模式下的多節(jié)點數(shù)據(jù)采集。同時，模塊支持藍牙SIG-Mesh協(xié)議的所有節(jié)點類型。

HM-BT210X模組最大發(fā)射功率可達+20dBm，作為業(yè)界少有的單芯片高發(fā)射功率模組方案，其卓越的射頻性能極大拓展了藍牙的通信距離，非常適應(yīng)于復雜電磁環(huán)境下或者超遠距離的藍牙數(shù)據(jù)采集。

審核編輯 黃宇