藍(lán)牙4.0規(guī)范帶來了一種全新的藍(lán)牙技術(shù)——在直接面向消費(fèi)者的通信領(lǐng)域有不同的名稱:藍(lán)牙LE即低功耗藍(lán)牙(BluetoothLowEnergy)或者智能藍(lán)牙(BluetoothSmart)。開發(fā)這種新型藍(lán)牙技術(shù)的目的是為新型藍(lán)牙設(shè)備工作服務(wù)。之前，藍(lán)牙在這些領(lǐng)域未能得到廣泛的應(yīng)用，原因是其存在電池使用壽命或者成本問題。本文中，我將簡要為您介紹BluetoothLowEnergy技術(shù)的發(fā)展歷程，BluetoothSmart和BluetoothSmartReady的消費(fèi)類電子市場定位，以及如何確定哪種“口味”的藍(lán)牙技術(shù)最為適合您。
這種無線技術(shù)的許多名稱都沒有太長的歷史
2005年左右，諾基亞研究實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部最初把BluetoothLE稱作“Bluetoothlite”，并將其看作是標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)的補(bǔ)充，它更小、更輕，服務(wù)于標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)過于復(fù)雜或者功耗過高的應(yīng)用。諾基亞預(yù)見到了這種新技術(shù)的前景，同其他無線技術(shù)和半導(dǎo)體公司一起圍繞這種技術(shù)組建了一個(gè)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，并將它命名為Wibree。大約一年以后，人們清楚地意識(shí)到在BluetoothSIG內(nèi)部開發(fā)這種技術(shù)才是一種最為可行的方法，之后便將開發(fā)工作移交給該聯(lián)盟。
那時(shí)，這種技術(shù)被稱作超低功耗藍(lán)牙技術(shù)，并最終被重新命名為Bluetoothlowenergy。2010年發(fā)布藍(lán)牙4.0版規(guī)范時(shí)將這種技術(shù)包括在其中。對(duì)于消費(fèi)者而言，藍(lán)牙4.0版被稱作BluetoothSmart或者BluetoothSmartReady，具體取決于它應(yīng)用的具體形式。
智能藍(lán)牙技術(shù)的現(xiàn)狀
Bluetoothlowenergy已經(jīng)應(yīng)用于市場上相當(dāng)多的設(shè)備中，包括博能公司(Polar)的H7心率帶、佳明(Garmin)的Fenix運(yùn)動(dòng)表等等，BluetoothSIG的BluetoothSmart產(chǎn)品展示頁面對(duì)其中一些進(jìn)行了說明:http://www.Bluetooth.com/Pages/Bluetooth-Smart-Devices.aspx。同樣重要的是，蘋果、摩托羅拉和三星等公司的新型手機(jī)、平板電腦和PC均提供Bluetoothlowenergy支持。
那么，BluetoothSmart/Bluetoothlowenergy到底是什么呢?
人們對(duì)于藍(lán)牙4.0到底是什么存在一些疑惑。一些不熟悉藍(lán)牙技術(shù)內(nèi)部工作原理的人會(huì)認(rèn)為，BluetoothSmart可以降低所有藍(lán)牙工作設(shè)備的功耗，但事實(shí)卻并非如此。BluetoothSmart的好處僅適用于那些實(shí)際使用BluetoothSmart/Bluetoothlowenergy特性的設(shè)備，并且僅在某些使用情況下起作用。更多詳情，讓我們首先從一個(gè)消費(fèi)者的角度來看一下BluetoothSmart是如何被定義的。
BluetoothSmart和BluetoothSmartReady
從一個(gè)消費(fèi)者的角度來看，集成了Bluetoothlowenergy技術(shù)的藍(lán)牙設(shè)備都貼有BluetoothSmart和BluetoothSmartReady標(biāo)志。這些標(biāo)志并不必然地直接與我們后面將要討論的技術(shù)類別相對(duì)應(yīng)，但卻有其自己的消費(fèi)者體驗(yàn)定義。BluetoothSmartReady設(shè)備是一些“中心”設(shè)備，例如:計(jì)算機(jī)、平板電腦、手機(jī)等等，它們均支持BluetoothSmart(Bluetoothlowenergy)，并允許以后為設(shè)備添加其他屬性(通過下載應(yīng)用程序或驅(qū)動(dòng)程序，或者其他方法)。BluetoothSmart設(shè)備是一些基于Bluetoothlowenergy的設(shè)備，其與BluetoothSmartReady設(shè)備通信。需要注意的一點(diǎn)是，根據(jù)定義，BluetoothSmart設(shè)備無法與“經(jīng)典”藍(lán)牙設(shè)備通信，它們只與BluetoothSmartReady設(shè)備通信。
這樣做的目的是，當(dāng)消費(fèi)者購買一臺(tái)BluetoothSmart設(shè)備時(shí)，他(她)知道這臺(tái)設(shè)備可以同其他貼有BluetoothSmartReady標(biāo)志的設(shè)備一起協(xié)同工作，但卻不能與僅貼有標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙標(biāo)志的設(shè)備工作。
技術(shù)前景展望
從技術(shù)角度來看，基本可以分為三種不同類型的藍(lán)牙設(shè)備:“經(jīng)典”藍(lán)牙、藍(lán)牙雙模式和藍(lán)牙單模式。
如前所述，第一種為“經(jīng)典”藍(lán)牙設(shè)備。大多數(shù)藍(lán)牙設(shè)備客戶群都屬于這一類。盡管截止目前Bluetoothlowenergy支持硬件已出貨超過一年時(shí)間，但是仍然有許多設(shè)備沒有Bluetoothlowenergy所需的軟件支持。展望未來，我們有充分的理由相信，大多數(shù)設(shè)備都將包含Bluetoothlowenergy支持(大多數(shù)現(xiàn)代藍(lán)牙IC已經(jīng)這么做了)。但是，肯定會(huì)有一些Bluetoothlowenergy無法充分發(fā)揮其優(yōu)勢的設(shè)備類型(例如:藍(lán)牙立體聲耳機(jī))，在可以預(yù)見的未來，它們可能仍然是藍(lán)牙“經(jīng)典”設(shè)備的舞臺(tái)。
第二種類別是所謂的“雙模式”設(shè)備。這些設(shè)備同時(shí)支持“經(jīng)典”藍(lán)牙和Bluetoothlowenergy，并且可以與“經(jīng)典”藍(lán)牙和BluetoothSmart設(shè)備通信。雙模式IC存在于BluetoothSmartReady設(shè)備中。這些設(shè)備并未受益于Bluetoothlowenergy所帶來的低功耗，因?yàn)樗鼈內(nèi)匀恍枰獫M足傳統(tǒng)藍(lán)牙設(shè)備的要求，但它們是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。
第三種同時(shí)可能也是最為有趣的一個(gè)類別便是“單模式”設(shè)備，其支持Bluetoothlowenergy作為唯一的通信方式。這些設(shè)備不能直接與藍(lán)牙“經(jīng)典”設(shè)備通信，但在另一方面它們針對(duì)Bluetoothlowenergy技術(shù)經(jīng)過高度優(yōu)化，因此能夠充分利用這種新技術(shù)所帶來的好處。
請(qǐng)注意，Bluetoothlowenergy專為占空比相對(duì)較低的使用情況而設(shè)計(jì)和優(yōu)化。例如，在長時(shí)間鍛煉時(shí)，一條心率帶可以保持連接數(shù)小時(shí)，但它只需每秒發(fā)送幾個(gè)字節(jié)，因此使用經(jīng)過優(yōu)化的協(xié)議時(shí)無線傳輸?shù)拈_啟時(shí)間可能不到一毫秒。與此形成對(duì)比的是，耳機(jī)或者無線揚(yáng)聲器的數(shù)據(jù)傳輸量為每秒數(shù)百kB，并且無線傳輸開啟時(shí)間百分比達(dá)到兩位數(shù)。原始藍(lán)牙規(guī)范為通用無線數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計(jì)，經(jīng)過改進(jìn)已成功應(yīng)用于輸入設(shè)備和無線音頻等其他用途。Bluetoothlowenergy專為滿足原始藍(lán)牙規(guī)范受限的一些應(yīng)用需求，從而拓展了藍(lán)牙技術(shù)的整個(gè)目標(biāo)市場。
BluetoothSmart的市場
截止目前，BluetoothSmart在運(yùn)動(dòng)和健身領(lǐng)域已獲得了良好的應(yīng)用。另外，它在醫(yī)療保健和一些新穎的新興應(yīng)用領(lǐng)域(例如:接近距離標(biāo)簽、“配件飾品”和遠(yuǎn)程用戶界面等)擁有巨大的應(yīng)用前景。
接近距離標(biāo)簽為一些小型電池供電的標(biāo)簽，其與中心設(shè)備通信，讓中心設(shè)備知道該標(biāo)簽是否進(jìn)入規(guī)定范圍。在結(jié)合其他信息以后，它便可以有效地服務(wù)于我們的日常生活。利用這種技術(shù)，我們可以追蹤到鑰匙放在哪兒，提醒您不會(huì)在離開家的時(shí)候忘記帶上手機(jī)，也可以幫您找到孩子們丟在沙發(fā)下面的電視遙控器。
“配件飾品”是一種無線連接至您的手機(jī)或者平板電腦的設(shè)備，它能夠以一種通過移動(dòng)設(shè)備內(nèi)置傳感器無法實(shí)現(xiàn)的方法擴(kuò)展應(yīng)用程序的功能。例如，一條心率監(jiān)測帶與運(yùn)動(dòng)追蹤應(yīng)用程序一起使用(目前，還沒有一種好的辦法讓手機(jī)直接測量您的心率)。就我個(gè)人而言，我樂于見到人們利用這種技術(shù)發(fā)明出更多讓人吃驚的新型設(shè)備。
遠(yuǎn)程用戶界面是指，各種設(shè)備在一部手機(jī)或者計(jì)算機(jī)上呈現(xiàn)一個(gè)用戶界面，而非通過按鈕、屏幕等實(shí)現(xiàn)的物理用戶界面。這在一些更加復(fù)雜的設(shè)備中已經(jīng)十分常見，這些設(shè)備以某種方式接入互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(例如，我的路由器便使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器進(jìn)行配置)，而BluetoothSmart讓這項(xiàng)工作變得更加輕松容易，讓其擴(kuò)展至一些電池供電或者非持續(xù)連接網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。我最喜歡的一個(gè)例子是，我家兒童房的取暖器使用了一個(gè)自動(dòng)調(diào)溫器，通過對(duì)它進(jìn)行編程，我可以為每周的每一天設(shè)置單獨(dú)的夜間和白天溫度。它擁有一個(gè)由兩個(gè)7段顯示器、3個(gè)LED和5個(gè)按鈕組成的用戶界面。我發(fā)現(xiàn)，就算手里拿著使用手冊(cè)，想要知道它是如何工作的也顯然不可能。但是，如果用一個(gè)單模式BluetoothlowenergyIC代替硬件，您便能夠通過觸摸屏進(jìn)行編程。這樣可以極大地改善用戶體驗(yàn)，甚至還可以為自動(dòng)調(diào)溫器制造廠商節(jié)省一部分成本(組件成本以及更少的返修/客戶服務(wù)電話!)
“物聯(lián)網(wǎng)”實(shí)現(xiàn)者
BluetoothSmart的另一個(gè)應(yīng)用方面是所謂的“物聯(lián)網(wǎng)”實(shí)現(xiàn)者。BluetoothSmart設(shè)備通過普遍的BluetoothSmartReady設(shè)備(例如:智能手機(jī)、平板電腦或者PC)連接互聯(lián)網(wǎng)，而非直接連接。這樣做的主要好處是，相比那些直接連接互聯(lián)網(wǎng)(通過GSM/3G/LTE或者Wi-Fi連接)的設(shè)備，無線設(shè)備可以更加簡單、低成本和低功耗。另外，無需額外增加基礎(chǔ)設(shè)備;用戶已經(jīng)擁有連接BluetoothSmart設(shè)備至互聯(lián)網(wǎng)所需的設(shè)備。
該如何選擇藍(lán)牙 - 哪種“口味”的藍(lán)牙技術(shù)最適合你
那么Bluetoothlowenergy與“經(jīng)典”藍(lán)牙技術(shù)的區(qū)別到底在哪里呢?我們要從更低層說起，BluetoothlowenergyPHY是BluetoothBRPHY的瘦身和優(yōu)化版(PHY意思是實(shí)際傳輸，即物理RF傳輸如何完成，BR和EDR指基本速率和增強(qiáng)數(shù)據(jù)速率，其為用于涵蓋“經(jīng)典”藍(lán)牙1Mbps和2/3Mbps模式的技術(shù)術(shù)語)。盡管BRPHY跳過79通道(通過自適應(yīng)跳頻可減至最少20條通道)，并完成32通道發(fā)現(xiàn)，但是BluetoothlowenergyPHY僅有37條通道并完成3通道發(fā)現(xiàn)。由于在發(fā)現(xiàn)通道時(shí)Bluetoothlowenergy經(jīng)過的通道少得多，其過程更加迅速，因此可在數(shù)ms內(nèi)便建立起連接，而非“經(jīng)典”藍(lán)牙所要求的數(shù)秒。Bluetoothlowenergy的通道間隔為2MHz，而BR為1MHz，這降低了RF濾波需求。
向前移動(dòng)一個(gè)比特位時(shí)，Bluetoothlowenergy連接基本與BR所謂的嗅探性次額定(低耗電監(jiān)聽，sniffsub-rating)模式類似。這種方法為Bluetoothlowenergy提供一種在盡可能地讓無線傳輸關(guān)閉的同時(shí)保持連接方法的高能效方法。這種藍(lán)牙規(guī)范隱含的內(nèi)容是，要求的放寬允許IC廠商完成許多“經(jīng)典”藍(lán)牙技術(shù)難以或者無法實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化工作，從而降低睡眠和活躍電流，并縮短開關(guān)時(shí)間。相比雙模式或者典型芯片，這些優(yōu)化讓單模式芯片變得更加低功耗、更簡單和更低成本。
在屬性層也存在諸多差異。截止目前Bluetoothlowenergy屬性層疊加在GATT上，其使用GATT/ATT協(xié)議來交換數(shù)據(jù)。在“經(jīng)典”藍(lán)牙中，屬性通常定義了其自有協(xié)議。這種方法更加靈活，但使實(shí)現(xiàn)起來更加復(fù)雜，并且增加了需要運(yùn)行的代碼數(shù)量。
那么，您的設(shè)計(jì)應(yīng)該選擇哪一種呢?
更新型的IC一般都為雙模式而非“經(jīng)典”藍(lán)牙，因此從硬件的角度來看，您通常沒有選擇的空間。如果目標(biāo)應(yīng)用不使用Bluetoothlowenergy，則某些應(yīng)用指定設(shè)備可能會(huì)仍僅為BR或者BR/EDR。從軟件角度來看，許多常見藍(lán)牙堆棧均包括了低能耗支持，因此不用您選擇。
當(dāng)在雙模式和單模式IC或者系統(tǒng)片上(SoC)之間進(jìn)行選擇時(shí)，其取決于您的目標(biāo)應(yīng)用。如果您需要與“經(jīng)典”藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行通信，則選擇很簡單—您需要使用一個(gè)雙模式設(shè)備。如果您在鏈路的兩端都有靈活性，則您通過無線鏈路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型和多少是最為重要的決定標(biāo)準(zhǔn)。如果您傳輸大量的數(shù)據(jù)或者流媒體，則您應(yīng)該使用BR/EDR解決方案。這種IC的例子是TI的CC2564。這種IC包含了HCI級(jí)別的藍(lán)牙4.0版堆棧，其余堆棧則運(yùn)行在主微控制器(MCU)上。
如果您只傳輸少量的數(shù)據(jù)，則Bluetoothlowenergy或許是更好的選擇。在其目標(biāo)設(shè)計(jì)應(yīng)用中，Bluetoothlowenergy可以提供非常長的電池使用時(shí)間。例如，每周七天每天24小時(shí)每隔一秒與電話通信一次的某個(gè)傳感器，使用一枚CR2032鈕扣電池可以持續(xù)工作超過1年的時(shí)間。功耗(以及其帶來的電池使用時(shí)間)隨通信時(shí)間的長短而調(diào)節(jié)。BLE的最短支持時(shí)間為7.5ms，最長為16秒。16秒的時(shí)間極限與通信超時(shí)有關(guān);如果需要更長的時(shí)間，則連接可能斷開，然后再根據(jù)需要每次重新連接。如前所述，僅3條通道用于重新連接意味著重新連接遠(yuǎn)比“經(jīng)典”藍(lán)牙要迅速，其為毫秒級(jí)而非秒。
這個(gè)行業(yè)正轉(zhuǎn)向使用一些能夠在一個(gè)傳感器型器件中實(shí)現(xiàn)所有功能的IC，而不是傳感組件本身。TI的CC2541便是一款單模式BluetoothlowenergySoC解決方案的例子，它包含了無線電組件、MCU與外圍器件以及片上可再編程閃存。
其他因素也可能起作用。例如，如果您想要您的設(shè)備能夠與IOS型設(shè)備通信，則Bluetoothlowenergy是實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的簡單方法。目前，蘋果公司要求提供預(yù)定義屬性以外支持的所有BR/EDR設(shè)備都必須獲得MFI計(jì)劃的認(rèn)證。對(duì)于那些沒有這種限制的Bluetoothlowenergy設(shè)備來說，運(yùn)行在iPhone4S、iPhone5、iPodtouch(第5代)或者iPad3(使用iOS5以上版本)的IOS應(yīng)用程序可以使用GATT型API與BLE設(shè)備通信。
至于其他操作系統(tǒng)，一些安卓手機(jī)已經(jīng)支持藍(lán)牙4.0版，我們希望看到更多的類似設(shè)備。Windows8將提供完整的藍(lán)牙4.0版支持，并且API已經(jīng)在微軟公司開發(fā)者大會(huì)上發(fā)布。
另一個(gè)需要考慮的因素是，開發(fā)工具與文檔的發(fā)展和推出。一些單模式Bluetoothlowenergy廠商提供免版稅軟件棧，并且所有文檔均在網(wǎng)站上開放提供。在“經(jīng)典”藍(lán)牙領(lǐng)域，征收協(xié)議棧版稅和根據(jù)保密協(xié)議不得泄露數(shù)據(jù)表單和其他技術(shù)文檔是一種更為常見的做法。
結(jié)論
藍(lán)牙4.0出現(xiàn)以后，藍(lán)牙設(shè)備設(shè)計(jì)人員在其工具箱中又多了一件工具。盡管都是藍(lán)牙4.0，但卻有不同的名稱:BluetoothSmart、BluetoothSmartReady或者Bluetoothlowenergy。不管您叫它什么名稱，這種新技術(shù)都以短距離無線市場中藍(lán)牙技術(shù)的大規(guī)模成功應(yīng)用為基礎(chǔ)，并通過降低功耗、復(fù)雜度和成本拓展藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。