(9)-2.2.2 无线传感技术之蓝牙

蓝牙技术学习内容蓝牙技术变迁Bluetooth的系统构成蓝牙协议体系Mesh网状网络蓝牙技术应用前景引言英特尔的工程师JimKardach在一次无线通讯行业会议上，提议将「Bluetooth」作为无线通讯技术标准的名称。蓝牙的LOGO来自后弗萨克文的符文组合，将哈拉尔国王名字的首字母H和B拼在一起，成为了今天大家熟知的蓝色徽标。图1Bluetooth徽标的来历一、蓝牙技术简介蓝牙是一种支持设备短距离通信的无线电技术，能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHzISM（即工业、科学、医学）频段。其数据速率为最高可达24Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。起源1998年5月20日，爱立信联合IBM、英特尔、诺基亚及东芝公司等5家著名厂商成立「特别兴趣小组」（SpecialInterestGroup，SIG），即蓝牙技术联盟的前身，目标是开发一个成本低、效益高、可以在短距离范围内随意无线连接的蓝牙技术标准。同年，蓝牙0.7版本问世。2.蓝牙技术发展历程图2蓝牙技术变迁历史版本规范发布时间增强功能0.71998.10.19Baseband、LMP0.81999.01.21HCI、L2CAP、RFCOMM0.91999.04.30OBEX与IrDA的互通性1.0Draft1999.07.05SDP、TCS1.0A1999.07.26第一个正式版本1.0B2000.10.01安全性，厂商设备之间连接兼容性1.12001.02.22IEEE802.15.11.22003.11.05快速连接、自适应跳频、错误检测、流程控制和同步能力2.0+EDR2004.11.09EDR传输率提升至2-3Mbps2.1+EDR2007.07.26扩展査询响应、简易安全配对、暂停与继续加密、Sniff省电3.0+HS2009.04.21交替射频技术、802.11协议适配层、电源管理、取消了UMB的应用4.0+BLE2010.06.30低功耗物理层和链路层、AES加密、ATT、GATT和SM等4.12013.12.03与4G不构成干扰，通过IPV6连接到网络，可同时发射和接收数据4.22014.12.04数据传输更快、隐私功能更强大，支持6LOWPAN5.02016.06.16依赖更新的硬件设备，更快的传输速度，更远的传输距离，更低的功耗，更多的物联网特性，更强的位置感知功能表1蓝牙技术的演进蓝牙技术演进过程中的典型产品图3爱立信第一台蓝牙手机T39mc（蓝牙1.0）图4正在以蓝牙与无线耳机沟通的SonyEricssonP910iPDA手机（蓝牙2.1）蓝牙技术演进过程中的典型产品图5蓝牙适配器（蓝牙3.0）图6第一款支持蓝牙4.0标准的智能手机iPhone4S图7历代蓝牙标准性能第五代蓝牙：开启「物联网」时代大门蓝牙5.0诞生于2016年6月。在低功耗模式下具备更快更远的传输能力，传输速率是蓝牙4.2的两倍（速度上限为2Mbps），有效传输距离是蓝牙4.2的四倍（理论上可达300米），数据包容量是蓝牙4.2的八倍。支持室内定位导航功能，结合WiFi可以实现精度小于1米的室内定位。针对物联网进行底层优化，力求以更低的功耗和更高的性能为智能家居服务。图8低功耗版蓝牙与经典版蓝牙参数二、蓝牙的系统构成图9Bluetooth的系统构成1.无线射频单元(Radio)：负责数据和语音的发送和接收，特点是短距离、低功耗。蓝牙天线一般体积小、重量轻，属于微带天线。2.基带或链路控制单元(LinkController)：进行射频信号与数字或语音信号的相互转化，实现基带协议和其它的底层连接规程。3.链路管理单元(LinkManager)：负责管理蓝牙设备之间的通信，实现链路的建立、验证、链路配置等操作。4.蓝牙软件协议实现：涉及到主机控制接口协议—HCI、高层协议和应用程序。三、蓝牙协议体系1.组成蓝牙协议体系中的协议按SIG的关注程度分为四层：（1）核心协议：BaseBand、LMP、L2CAP、SDP；（2）电缆替代协议：RFCOMM；（3）电话传送控制协议：TCS-Binary、AT命令集；（4）选用协议：PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard、vCal、IrMC、WAE。图10蓝牙协议体系除上述协议层外，规范还定义了主机控制器接口（HCI），它为基带控制器、连接管理器、硬件状态和控制寄存器提供命令连接，HCI位于L2CAP的下层，也可位于L2CAP上层。蓝牙核心协议由SIG制定的蓝牙专用协议组成。绝大部分蓝牙设备都需要核心协议，而其他协议则根据应用的需要而定。总之，电缆替代协议、电话控制协议和被采用的协议在核心协议基础上构成了面向应用的协议。图11蓝牙协议栈四、Mesh网络：实现物联网的关键「钥匙」Mesh网络中，能够将蓝牙设备作为信号中继站，将数据覆盖到非常大的物理区域，兼容蓝牙4和5系列的协议。传统的蓝牙连接是通过一台设备到另一台设备的「配对」实现的，建立「一对一」或「一对多」的微型网络关系。Mesh网络能够使设备实现「多对多」的关系。Mesh网络中每个设备节点都能发送和接收信息，只要有一个设备连上网关，信息就能够在节点之间被中继，从而让消息传输至比无线电波正常传输距离更远的位置。Mesh网络就可以分布在制造工厂、办公楼、购物中心、商业园区以及更广的场景中，为照明设备、工业自动化设备、安防摄像机、烟雾探测器和环境传感器提供更稳定的控制方案。图12Mesh网络拓扑图13办公楼里的Mesh网络五、蓝牙技术应用前景自1998年来，蓝牙协议已经进行了多次更新，从音频传输、图文传输、视频传输，再到以低功耗为主打的物联网数据传输。一方面维持着蓝牙设备向下兼容性，另一方面蓝牙也正应用于越来越多的物联网设备。未来的蓝牙技术发展会针对设备层网络、位置服务、数据传输和音频播放等四个领域有的放矢地发展。1.设备层网络蓝牙mesh的推出加速了设备网络解决方案的发展。“照明控制系统”与“无线传感器网络”是推动设备网络应用增长的两大用例，并迅速成为许多控制系统的首选无线通信平台。预计至2022年，蓝牙设备网络产品年出货量将增长5倍，达到5.2亿。2.位置服务低功耗蓝牙的广播拓扑尤其适用于实现室内定位和基于位置的服务，基于蓝牙Beacon的室内导航解决方案已迅速成为一种能够应对GPS无法解决的室内覆盖的标准方法，其解决方案正在办公楼、机场、会展中心、甚至世界各地的城市街道中得以部署，帮助楼宇业主和城市规划者更好地了解空间的使用方式。预计至2022年，基于位置服务的蓝牙设备年出货量将增长10倍，达到4亿。3.数据传输低功耗蓝牙的点对点拓扑针对极低功耗的数据传输进行了优化，使其成为互联设备产品的理想选择。蓝牙赋力可穿戴设备，健身追踪器和智能手表，监测步数、锻炼、活动和睡眠。从血压监测仪到便携式超声波和X光成像系统，蓝牙技术可帮助人跟踪并改善整体健康状况，使医疗专业人士能够更轻松地提供优质的护理服务。2018年的设备出货量是5.5亿。4.音频传输蓝牙基础速率/增强速率(BR/EDR)的点对点拓扑已针对音频传输进行了优化，使其成为无线音频的标准载体。蓝牙耳机如今已成为手机的必备配件。蓝牙车载信息娱乐系统可与驾驶员的智能手机配合使用，让驾驶员能够专注于最重要的道路行驶。按照预测，相关设备的年出货量将会达到8.8亿，预计至2022年，音频传输和数据传