在物联网应用中使用蓝牙低能耗的用例可能性

1 蓝牙低功耗技术概述



1.1 综述

2011年，蓝牙低功耗概念引入，成为Bluetooth v4.0的标志性特征。蓝牙低功耗是适合应用的少量数据定期或不定期转存的理想解决方案。因此，蓝牙低功耗尤其适用于传感器、执行器等要求极低功耗的小型设备。基于有限的延迟需求，能够较好地处理大量通信节点

• 功耗极低
• 稳健性相当于传统蓝牙
• 唤醒和连接时间短
• 良好的智能手机和平板电脑支持

1.2 无线电

图1：在 2.4 Ghz 频段内，蓝牙低功耗利用40个频道，而传统蓝牙则利用79个频道

蓝牙低功耗具备传统蓝牙的诸多功能，包括自适应跳频技术（AFH）。这些功能使蓝牙低功耗不仅易于设置，而且足够稳健可靠，适应苛刻的工作环境。为了支持较简单、成本较低的无线芯片组，蓝牙低功耗采用40 2 Mhz 频道，而传统蓝牙采用79 1 Mhz 频道。

1.3 双模蓝牙（Bluetooth Smart Ready）和单模蓝牙低功耗（Bluetooth Smart）蓝牙间的差异

图2示例了u-blox蓝牙模块和采用了单模蓝牙低功耗解决方案或双模解决方案的终端产品。在该示例中，Bluetooth Smart Ready（双模）设备包括双模蓝牙模块 OBS421 和智能手机。Bluetooth Smart（单模）设备包括蓝牙低功耗模块 OLS425 和温度传感器。







图2：单模和双模模块以及产品实例

单模设备是独立式蓝牙低功耗设备（又“Bluetooth Smart”设备），以低成本、低功耗为核心，针对小型电池供电设备优化。典型
单模设备即传感器（心率传感器、温度传感器等）或其他电池供电设备等。



双模设备（又“Bluetooth Smart Ready”设备）兼具蓝牙低功耗和传统蓝牙的优点。典型的双模设备即手机、平板电脑、计算机或本文中的网关设备。

1.4 蓝牙低功耗中的客户端和服务器概念



图3：客户端/服务器概念

蓝牙低功耗采用客户端/服务器模型。（需要数据的）客户端连接并访问一到多个（提供数据的）服务器。客户端通常扮演核心角色，服务器通常扮演外围角色。通常，一个传感器或一个配件就是服务器/外围设备，一台计算机、手机或平板电脑就是客户端/中央设备。涉及网关时，网关通常发挥客户端/核心作用。

1.5 “广告”是使设备处于蓝牙低功耗的方式

由于在广告开始前设备处于休眠模式，广告功能能够使蓝牙低功耗保持最低的功耗。






图4：蓝牙低功耗的广告功能。

当需要连接时，从设备（现在发挥广播作用）即“广告”。客户端扫描新设备（充当监测器）。当监测器发现目标连接设备时，它会发起连接。广告可能包含广播数据。

1.6 蓝牙低功耗连接



图5：连接设备

连接成功后，客户端/中央设备通过定期（称为连接时间间隔）发送数据并“轮询”服务器/外围设备数据对通信进行控制。时间间隔的选择取决于具体应用，可具体设置。

1.7 蓝牙低功耗软件栈



图6：蓝牙低功耗软件栈

• L2CAP（逻辑链路控制和适配协议）该层负责对不同更高级别层协议间的数据多路处理以及数据包的分割和重组。
• GAP（通用访问协议）：该配置文件定义了连接蓝牙设备时与设备搜寻和链路管理相关的通用程序。
• GAP（通用属性协议）为蓝牙低功耗提供配置文件和服务搜寻。过程描述了如何利用ATT（属性协议）搜寻服务，以及如何进行属性（数据）读写。服务和配置文件基于GATT开发。
• 6LoWPAN（基于IPv6的低速无线个域网标准）GATT的一种替代方案是结合使用基于TCP/IP的通信和6LoWPAN。6LoWPAN 技术可用于压缩通过蓝牙低功耗发送的IP信息，以节约内存，减少功耗。

 

2 物联网（IoT）概述

随着每年百亿以上能够本地或通过互联网交换信息的微控制器的运送，出现了大量种类各异的“智能设备”。这些设备包括运动
传感器、水池水泵、气表/电表、路灯等各类设备。由于基础设施覆盖和物联网接入的迅速增加，这些设备均能通过互联网访问。这种
科技进步通常称为物联网（IoT）。还有万物联网（IoE）、物联网、嵌入式网站和工业4.0等名称。目标是建立一切小“物体”之间的互联网连接
包括随身携带或工厂、医院、城市或家用小“物体”。未来10年，爱立信和Cisco等公司有望推出500多亿连接设备。



图7：物联网（IoT）

物联网愿景的一个关键要求是易于部署、经济高效的低功耗无线解决方案。将所有小设备和传感器直接连接至固定网络或蜂窝网络的代价过高。一个易于部署
、经济高效且功耗低的解决方案是物联网的核心要求。蓝牙、蓝牙低功耗、802.15.4/无线个域网等类似无线技术可广泛应用于各种小设备的连接。传感器
连接至网关，然后网关再连接至互联网服务（见上图7）。网关可以是具有高运算能力的基于Linux的系统。当需要小巧、经济却功能强大的无线网关时，网关也可以基于 RTOS 平台。

3 蓝牙低功耗在IoT中的应用

以下是几个IoT应用蓝牙低功耗的实例。所有的用例均假设网关通过 TCP/IP 相关协议连接至互联网。



3.1 基于GATT的设备和服务/配置文件网关