低功耗蓝牙不只是功耗低，BLE的其它特性与技术你也需要认识

如今，科技发展迅猛，各种设备让世界变得更加智能。新技术的不断出现，不仅改进了现有技术，还创造了新的细分市场。蓝牙技术的进步使得智能蓝牙(低功耗蓝牙BLE)应运而生。按照蓝牙技术联盟(SIG)的定义，BLE是一种低功率、短距离、低数据速率的无线通信协议。BLE的分层协议栈能以低功耗高效传输少量数据，使其成为电池供电应用的首选无线协议，如需要定期提取和处理数据的低功耗传感器网络接口等。本文将重点介绍如何在数据变化不频繁的传感器应用中，有效地利用BLE维持低功耗无线运行。

 

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目前，全球正进入一个各种系统都需要采集和交换数据的物联网(IoT)时代。在传感器以无线方式连接，形成网络并实现设备间数据交换的物联网中，BLE发挥着至关重要的角色。主机设备可以是能够监测和控制所有网络节点的智能手机。此类物联网(IoT)应用包括日常活动追踪以及家庭自动化功能，如高效住宅照明、温度和湿度监测与控制、远程控制消费类电子设备等。

 

低功耗蓝牙的功率模式

 

如果传感器采用电池供电，功耗受限且必须持续很长时间的话， BLE将成为最佳连接选择。比如，一个测量温度及湿度的低功耗传感器， 其参数是缓慢变化的，此类传感器可以与能够处理并将数据传输到主机设备的BLE集成型处理器连接。BLE子系统的操作频率不高，例如每百毫秒一次，而且在其他时间处于低功耗模式。赛普拉斯PSoC 4 BLE等BLE型器件可提供多用户可配置的功耗模式，从而优化独立于处理器工作模式的BLE子系统(BLESS)的运行。使开发人员能够降低功耗，并使单块电池的使用寿命达到数年之久。

 

这五种系统功率模式分别为：主动、睡眠、深度睡眠、休眠和停止模式。三种BLESS功耗模式分别为主动、睡眠和深度睡眠模式。BLESS模式在系统功率为1.3微安的深度睡眠模式下始终启用。BLE子系统可以在BLESS Active模式下发送和接收数据。它能保持空闲状态，并在BLESS睡眠模式和深度睡眠模式下维持连接。这些功耗模式独立于系统的功耗模式，因此开发人员能够灵活地为系统和BLESS分别选择最高效的配置。在此基础上，我们可以建立一个电流需求极低、通常由纽扣电池供电的完整系统。

 

例如，1秒广播间隔的平均耗电量只有26微安。而1秒连接间隔的平均耗电量更低，只有17微安。更多有关功耗数值的详细信息以及如何配置和降低功耗，参见低功耗蓝牙应用的低功率设计与电池寿命估算。

 

传感器和低功耗蓝牙

 

传感器可以大致分为模拟和数字两种。典型的模拟传感器包括用于监测烟雾、气体、环境光线、人员感应等的传感器。数字传感器包括监测温度、湿度、压力、加速度等的传感器。当BLE子系统与应用处理器集成时，传感器可以采用多种不同的方式进行连接。例如，可以将模拟传感器馈送到前端具有电压输出器的SAR ADC。数字传感器无需进行模拟转换，因此可以通过任何通信接口(如I2C、SPI或单线接口)采集数据。集成的定时器、计数器、脉宽调制器和通用数字模块(UDB)均可用于实现自定义逻辑以进一步处理传感器数据。最终，经处理或所接收的数字数据可以通过BLE接口发送，并由内置BLE功能的手机或任何其他客户端设备进行监测。随着资源可用性和成本的不断变化，可选择不同系列的BLE集成处理器(如PSoC 4 BLE)以适应各种应用。

 

其他特性

 

1、高成本效益与兼容性

 

为了兼容传统蓝牙技术并实现小型电池供电设备的成本效益，通常有两种芯片组可供选择：

 

(1)具备低功耗蓝牙技术与传统蓝牙功能的双模技术。(2)纯低功耗蓝牙技术。

 

2、广播功能

 

相比传统蓝牙技术，低功耗蓝牙技术所增加的一项新功能就是“广播”功能。通过这项功能，从设备可以告知其需要向主设备发送数据。

 

3、稳定性、安全性与可靠性

 

低功耗蓝牙技术使用与传统蓝牙技术相同的自适应跳频技术，因而能确保低功耗蓝牙在“复杂”的射频环境下维持稳定的传输，比如在工业、医疗等应用中。值得一提的是，为了为了最大程度地减少使用AFH的成本与功耗，低功耗蓝牙技术已将通道数量从传统蓝牙技术的79个1兆赫兹宽通道减少至40个2兆赫兹的宽通道。

 

4、连接范围

 

低功耗蓝牙技术的调制与传统蓝牙技术略有不同，低功耗蓝牙的最大功率为10mwdb，它可以实现最远300米的连接范围。也就是说整个家居及楼宇范围都能覆盖，实现更加稳健且可靠的连接。

 

5、无线共存

 

蓝牙、WiFi、无线LAN、IEEE等无线技术均使用的是2.4GHz ISM频段，因此无线技术之间可能会因干扰而引起错误或重复传送（例如延迟时间增加和吞吐量减少等）的情形，所以在一些要求比较严格的环境下，可通过频率规划与特殊的的天线设计来减小干扰。由于传统蓝牙与低功耗蓝牙均使用AFH这项可以最大程度减少其他无线电技术干扰的技术，因此蓝牙传输具有出色的稳定性与可靠性，比如昇润科技的蓝牙4.2模块：HY-40R201I、HY-40R204I，均采用的是IPEX外接天线设计，这种天线设计优点是信号的方向指向性好，效率高，抗干扰能力强，能远离主板上的干扰，而且不用过多的进行调试匹配。

 

距离——调制指数的增加使低功耗蓝牙的最远距离可达到300米以上。

 

数据传输——低功耗蓝牙支持以1Mbps速度传输的极小数据包（蓝牙5通讯速度最高为2Mbps），在8个八位字节到27个八位字节之间。

 

跳频——低功耗蓝牙使用蓝牙技术通用的自适应跳频技术，将2.4GHz ISM频带内的其他技术干扰减至最小。高效的多路径优势增加了链路预算和有效的运行范围，同时也优化了功耗。

 

智能控制——低功耗蓝牙具有极具智能化的控制功能。主机可以长时间处于睡眠模式，并且只在主机需要执行时才会被唤醒。由于主机处理器的功耗一般高于低功耗蓝牙控制器，因而实现了最大程度的节能。

 

时延——低功耗蓝牙支持3毫秒内的连接设置与数据传输。因此，在短时突发通信中，应用可以在数毫秒内建立连接并且传输经过验证的数据，然后迅速断开连接。

 

拓扑结构——低功耗蓝牙在从属设备的每个数据包上使用32位访问地址，从而可以连接数十亿台设备。

 

稳定性——低功耗蓝牙在所有数据包上使用强大的24位CRC保证最佳的抗干扰能力。

 

安全性——使用CCM的完整AES－128加密技术提供强大的数据包加密与验证，确保通信的安全。