如何利用蓝牙4.1为物联网构建低功耗无线链路

　　不仅在最新的可穿戴和健身设备方面，而且在将物联网 （IoT） 中的设备与传感器互连方面，最新蓝牙技术都带来不小的震动。

　　在提升蓝牙直接链路的电源能效、简化其使用方面，蓝牙 4.0 实现了大跨越，而蓝牙 4.1 则为该链路增加了更多的组网能力。 这使得用一部标准智能手机将许多设备连接在一起成为可能。

　　凭一块电池就能让嵌入式链路运行数年，这一功能自 2010 年以来一直推动者智能蓝牙 4.0 的普及，而组网能力又使该功能在蓝牙 4.1 于 2013 年批准以来对 IoT 开发人员更具吸引力。 不过，这需要在设计过程中了解软硬件方面的一些关键注意事项。 SIG 建议制造商在产品中立即采用蓝牙 4.1，以充分利用新特性。 这样，系统开发人员就会放心地采用由 Laird Wireless、BlueGiga Technologies、Panasonic 和 ConnectBlue 等制造商提供的现有 4.0 模块，并在固件稳定时升级至 4.1 版，实现鱼和熊掌兼得。

　　使用蓝牙 4.1 规范时，已没有必要发布强制性特性声明，这在蓝牙 2.0 + EDR 被采用以来还属首次。 但是，需要制造商们执行有关蓝牙 4.1 的全部勘误，从而符合该规范要求。 仅具有低功耗特性的设备（智能蓝牙品牌）会向后兼容同样具有低功耗特性的蓝牙 4.0 设备。

　　低功耗蓝牙（4.0 版，也称作智能蓝牙）采用与前代“传统蓝牙”相同的 2.4 GHz ISM 频带，但采用了更简单的高斯频移协议来降低功耗。 此外，还采用了较小的 2 MHz 信道和直接序列扩频 （DSSS） 调制功能。

　　这种不同信道和不同调制功能的组合意味着无法直接兼容 LE 和传统规范。 然而，这对开发人员来说不是问题，因为获得蓝牙兼容性认证的所有芯片和模块都能在适用于旧设备的传统蓝牙模式或具有 DSSS 功能的智能蓝牙模式下工作。

　　蓝牙 4.0 和 4.1 通过采用四十个 2 MHz 信道获得低功耗优势，达到 1 Mbit/s 链路比特率和 270 kbit/s 应用吞吐率。 尽管这些指标低于传统蓝牙，但将延迟由 100 ms 缩短至 6 ms，弥补了应用比特率方面的不足，因为这样能更快地响应数据请求或者发送控制信号，故而对于组网和实施 IoT 显得更为重要。

　　最大传输功耗也降至 10 mW，覆盖距离缩短至 50 m 以内，因此适合许多 IoT 应用。 蓝牙 4.1 能让设备同时支持多种功能角色，这样，智能蓝牙型产品可同时作为集线器和外设。 蓝牙技术可与其它无线技术共存，值得注意的便是同在 2.4 GHz 频段的 Wi-Fi 技术，这种共存性已经得到改进并增加了专用信道，也正是这些技术使得 IoT 应用成为现实。

　　这种共存性源自逻辑链路控制及自适应架构 （L2CAP），它利用 64 KB 信息包支持 IoT 所需的更高级别协议多路复用、信息包分割和重新组合、信息服务质量。 这一架构基于每个终端均具有信道识别符 （CID） 的多个信道。 CID 分配与特定设备有关，一个设备能够独立地从其它设备分配 CID，因而易于在网络中添加设备。 于是，我们可以把多个设备添加到菊花链中，简化了设置。

　　图 1：用于智能蓝牙 4.1 的 L2CAP 信道架构可实现设备网络控制，扩大物联网范围。

　　还有更多针对用户的支持功能。 蓝牙 4.1 支持自动重新连接，因此用户进入房间时会重新连接。 此外，蓝牙 4.1 还支持数据批量传输、链路设置和下载大型文件，而不再是保持稳定连接。

　　通用属性配置规范 （GATT） 是将利用蓝牙 4.1 扩展的其中之一。 这些属性规范在 *** 作系统中提供了一个客户服务器应用编程接口 （API），以及服务、特性和描述符。

　　这些 GATT 用于处理当前应用的数据，如血压、心率、体温计、接近和找到我 （Find Me） 功能。 IoT 应用的新规范将会采用不同的方式汇集数据。

　　服务属性、特性和描述符将由通用识别符 （UUID） 集中识别。 蓝牙 SIG 为标准属性预留了一些列 UUID（其格式为 xxxxxxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB），这些通用识别符在规范中采用 16 位或 32 位短格式值表示，而非 128 位，以保持较小代码长度并减少复杂性。

　　GATT 规范为客户提供了大量命令，用于发现与服务器有关的信息。 具体包括，发现所有主要服务的 UUID，用已知 UUID 查找服务，然后发现辅助服务，以及为已知服务查找全部特性。 所有这些均属于 IoT 应用规范。

　　指令通过 GATT 发出，用于将有关特性的数据从服务器传输至客户端（“读取”），以及从客户端传输至服务器（“写入”）。 读取某个值时，可通过指定该特性的 UUID 或者由一个句柄值完成，该值来自信息发现指令。 写 *** 作始终会通过句柄识别特性，但都可以选择是否需要服务器做出响应。

　　GATT 也发出这种通知和指示，这是 IoT 链路的关键部分。 客户端可为来自服务器的特定特性请求一个通知，然后，只要相关的值进入有效状态，服务器就会将其发送至客户端。 例如，一台设备上的温度传感器服务器会在每次测量时通知其客户端。 这样可避免客户端对服务器进行轮询，从而省去了常规无线链路。 除需要客户端做出响应，用于确认客户端收到该信息外，指示和通知类似。

　　芯片和模块制造商正在 GATT 顶端增加多个层级，让系统开发人员利用这些规范开发自己的软件。 这样，在使用蓝牙 4.0 和蓝牙 4.1 的现有全部芯片和模块升级系统后，软件还能与之兼容。

　　Laird Wireless 等模块制造商正在消除这种复杂性，它们在使用如 BT800 等蓝牙 4.0 模块，并开发能在这些模块上支持蓝牙 4.1 的固件。 BT800 采用由 CSR 提供、带有天线和接口的收发器，输出功率为 8 dBm，在 8.5 mm x 13 mm 的紧凑基底面内集成了全部功能。 该模块包含了支持 BLE 应用开发所需的全部硬件和固件，包括用于连接外设和传感器的 UART、SPI、I²C、ADC 和 GPIO 接口。 利用这些接口连接单线、双线或者多线链路会相对简单。