蓝牙低功耗（BLE）最适合物联网应用吗？
发布时间：2015-12-14 15:17
发布者：designapp
|
通向500亿个智能物的道路 1999年，著名记者Neil Gross曾经写道：(1)“在下个世纪，地球将披上一块电子皮肤。它将把互联网当作支撑和传送其感觉的骨架，这块皮肤正被缝合成一片。”不出Gross所料，我们今天已经迎来这块连续的皮肤：物联网。 物联网(IoT)通常被定义为这样一个场景：每个物体、动物和/或人被赋予唯一的标识以及在无需人人交互或人机交互的情况下通过网络传送数据的能力。据Cisco互联网业务解决方案事业部(IBSG)预测， (2)到2020年，将有500亿个“物”通过物联网互连。物联网由传感器、连接和互联网推动。所有连入网络的“物”都将配备传感器或致动器。传感器采用一种通俗易懂并可被主设备(如计算机、手机等)检测到的通信模式与后者通信。 物联网革命最著名的成就之一是由荷兰新创公司Sparked发明的“牛传感器”。这些传感器被安装在牛耳上，能够监测牛的生命体征，并在检测到牛生病或怀孕时向农场主发送信息，从而让后者能够更好地监控这些牲畜的健康状况。类似的突破还发生在医疗(无线心脏监测器)、服装(智能鞋)、消费电子(智能冰箱)等其它领域。 物联网理念直接引发了无数的可能性。人们可以将传感器/致动器安装在任何物上(让它们成为“智能物”)。传感器检测和测量某些参数(例如：心率、跑步/走路速度、宠物的行走方向等)。这些数据通过无线方式被传送到一个主设备(如手机或PC)。因此，物联网的过程就是检测、测量和通信。 为了让一个成功的物联网环境蓬勃发展，我们需要主从设备之间以及从设备之间实现经济高效的通信。有效的通信需要以下条件： 1. “物”处于活动状态，而且正在传送数据; 2. 主从设备在通信距离内; 3. 有互操作性(即接收器能读懂所传送的消息) 4. 数据与主设备相关。 与此同时，我们还必须确保通信能够快速完成，不会耗尽设备的电池电量。 无线通信系统 物联网中的连接通常利用无线通信。有很多无线通信系统可供选择。哪种通信技术最合适取决于应用的类型和要求。根据应用需求，我们可以将物联网通信要求分为以下几类： 1. 短距离和长距离：一个设备距离主设备或另一个设备多远仍能可靠地与其通信?上述的牛传感器是一个长距离应用。另一方面，很多生活方式、家庭自动化、PC外设和医疗应用只需要短距离通信。 2. 对低功耗通信的需求：对于工业应用而言，某些设备会连接电源(或使用大容量电池)，因此可能不需要低功耗通信。但是，可穿戴电子设备等应用通常使用纽扣电池，低功耗通信是一项迫切要求。未来几年，这类应用会是物联网的主要增长点。 3. 短突发或连续的数据传送：某些设备需要连续不断地通信，而另一些设备只需周期性地以短突发方式发送数据。用于描述这些传送方法的指标是占空比(单个周期内信号处于活动状态的占比(%))。因此，设备可以被分类为低占空比和高占空比设备。 4. 对专有或标准通信技术的需求： 有很多专有(由一家公司发明和拥有)和标准(由一个行业组织和多家厂商定义和遵守的规范)通信技术。专有通信技术的一个局限性是：双方(主设备-从设备、主设备-主设备或从设备-从设备)需要类似设备才能确认收到和读懂数据。通常而言，只有当发射和接收设备由同一家公司制造或由共同开发某个解决方案的多家公司制造时，这种情况才有可能发生(例如，X公司生产的PC能够与X公司生产的采用某种专有通信技术的鼠标通信)。 然而，随着越来越多的新型物联网设备涌入市场，专有通信技术开始限制这些设备的适销性。为了更好地理解这一点，让我们以可穿戴技术为例加以说明。很多公司都在专注于开发各种创新型智能可穿戴设备。它们之中的大多数并不生产PC、智能手机等主设备。因此，这些公司更愿意看到它们的设备能够与尽可能多的主设备通信。鉴于此，它们愿意采用大多数主设备都理解的标准通信技术。 蓝牙低功耗(BLE) 蓝牙低功耗(BLE)(被誉为“蓝牙智能”)是蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)设计和推出的一种无线通信技术。BLE瞄准的是具有以下要求的应用： 1. 通信距离长达100米。但在SIG的网站上，该规范并未限制通信距离。这意味着厂商可以生产通信距离大于100米的设备。 2. 大部分时间需要使用纽扣电池运行。很多物联网设备需要使用标准纽扣电池运行多年。BLE可实现超低的峰值、平均和空闲模式功耗。此外，低占空比设备还能节省更多电能。 3. 多厂商互操作性。作为一个标准，BLE与此前的蓝牙版本一样，也得到了主设备制造商的广泛采用。很多物联网从设备也支持BLE。安卓、iOS、Windows 8、Linux等主流操作系统均原生支持BLE。据SIG预测，到2018年，90%的智能手机将支持BLE。这个生态系统有助于实现多厂商互操作性。 4. 数据传送速率高达1Mbps BLE协议栈(图1：协议栈)包含3个小组： A. 控制器：对数据包进行编码并使用无线信号发送它们的实际设备。控制器还能接收无线信号，并将它们解码为数据。 B. 主机：软件栈，包含各种协议和规范(profile)(共同执行一个特定的最终应用的一组服务及它们的行为)，负责管理两个设备之间的通信。 C. 应用： 利用控制器和主机执行某个特定功能的用例。 应用层是蓝牙的一大优势。对于开发人员而言，这意味着除了一组通用的协议和服务之外，他们还能使用很多专用协议。蓝牙技术联盟为BLE设备定义了几个规范(profile) (即设备在某个特定应用中如何运行的规范)。以HRP(心率)规范为例。该规范可让一个采集器(如一部智能手机)连接用户身体上的一个心率传感器，并与其交互。SIF发布的这个规范描述了规范依赖关系(例如，HRP需要一个通用属性规范(GATT))、传感器角色要求、采集器(数据)角色要求、连接建立规程、安全事项等等。遵守这个规范能够无缝、轻松地让BLE适用于某个应用。SIG网站列出了所有可用规范。一个设备可以利用多个规范。 BLE它与其它技术的对比(对于物联网应用) 目前，BLE的最大竞争对手是ZigBee、Wi-Fi、Ant+以及一系列广泛的专有协议，在正式对比之前，让我们简要了解以下这些协议： ZigBee: ZigBee是ZigBee联盟制定的一个通信规范。ZigBee联盟是一个非盈利性协会，拥有近400个会员。ZigBee支持由多个低功耗、数据速率低于BLE的芯片组组成的大型网络。ZigBee主要瞄准的是家庭自动化和工业自动化系统。 Wi-Fi：Wi-Fi是一种无线网络技术，使用无线电波提供高速的互联网及网络连接。它基于IEEE 802.11标准，功耗远大于ZigBee或BLE。 ANT+：ANT+是ANT Wireless(2006年以后成为Garmin的子公司)设计和推出的一种具备互操作性的开放接入无线传感器网络技术。低功耗是 ANT的一个主要USP。通常而言，基于ANT的设备长时间处于睡眠模式，短暂醒来只为发送数据，然后回到睡眠模式。它瞄准的是运动和健身应用。 将BLE和专有协议进行对比有失公平。计划采用某种标准通信技术的任何应用都会放弃采用任何专有协议。因此，我们只对比四种标准通信技术：BLE、ZigBee、Wi-Fi和ANT+。 对比上述四种通信技术时，我们需要考虑的第一个参数是设备将要接入的网络的类型。物联网设备可能会连接一个PAN(个人局域网)或WLAN(无线局域网)。当设备连接WLAN时，从成本角度而言，Wi-Fi肯定是最佳选择。但是，Wi-Fi的功耗较大，因此，我们不能期望那些需要使用纽扣电池的设备通过Wi-Fi连接LAN(除非我们制定了一个定期更换电池的方案)。鉴于此，受电源限制的设备只能间接地连接LAN，即连接一个主设备(如一部智能手机或PC)，再让主设备连接LAN。此外，使用LAN还有一个优势，即资源共享(如共享企业打印机)。尽管如此，大多数物联网设备实际上并不需要这个优势，一个心率传感器只需连接一个主设备。 因此，需要与一个主设备进行通信的大多数电池供电型物联网设备的理想网络是PAN。这将我们的通信标准选择范围缩小到BLE、Ant+和ZigBee。 ANT+和BLE之间的对比非常有趣。ANT+将BLE视为竞争对手，但BLE并不把ANT+视为竞争对手 !ANT对BLE的单方面偏执源于这样一个事实：BLE瞄准的几乎是ANT的整个市场。ANT+和BLE在空中数据速率、应用吞吐量、通信距离(50-100米)等关键规格上不相上下，但BLE在实际行业普及率方面完胜ANT+。请注意，BLE和ANT自身而言只是协议。它们真正的成功取决于各自的行业普及率。行业普及率取决于愿意设计和生产支持某个协议的芯片厂商的数量、原生支持该协议的主设备的数量以及愿意下注该技术的从设备厂商的数量。 迄今为止，仅有三家厂商供应ANT+芯片：DynastreamInnovation、Nordic Semiconductor和德州仪器。而在BLE方面，Broadcom、Freescale、赛普拉斯、Microchip、Bluegiga、StMicro、Dialog Semiconductor以及其它众多厂商(包括德州仪器和Nordic)均计划生产和正在生产BLE芯片。事实上， 德州仪器和Nordic是仅有的两家能够提供基于ANT的芯片、基于BLE的芯片以及同时支持这两种技术的芯片的厂商。 目前，所有的主流移动操作系统(iOS、安卓、Windows和蓝莓)均原生支持BLE，而对ANT+的原生支持则很有限。Windows 8和iOS均不提供对ANT+的原生支持，因此，需要使用一个ANT+ USB盘或适配器才能将一个ANT+设备与一部Windows手机或iPhone配对。对于安卓而言，提供用于运行ANT+的插件，但需要厂商支持它们。迄今为止，三星和索尼是支持ANT+的主要厂商。但是，支持ANT+并不排除支持BLE。事实上，让三星设备支持ANT+的更新是安卓4.3更新的一部分，此次更新也让这些设备全面兼容蓝牙智能协议。 ANT+主要瞄准的是运动、健身和生活方式市场。该技术的最终目标是确保尽可能多的此类智能设备厂商选择它作为通信技术。ANT+在BLE问世之前的确很成功，但在BLE问世之后，大多数此类厂商拥有了了另一个低功耗通信协议。由于BLE得到了更多主设备的支持，它被证明是一个更加保险的选择。因此，Fitbit、Jawbone、Tom-tom等主流可穿戴设备厂商都选择了BLE。当然，声名显赫的苹果手表也将使用BLE与iPhone配对。由于BLE有望在不远的将来成为几乎所有智能手机的一个标准，智能设备也将跟进。尽管如此，ANT+可能会作为一个小众协议继续存在，面向那些BLE无法实现的应用(例如，BLE无法实现点对多点通信或单个从设备对多个主设备通信，但ANT+可以实现)。 BLE和ZigBee之间的争斗是在另一个战场 – 家庭和工业自动化。BLE无法完全取代ZigBee，这是因为ZigBee支持网状网，而BLE仅限于星形网络拓扑结构(即多个从设备连接一个主设备)。此外，ZigBee允许连接的设备的数量多于BLE。当需要搭建一个较大的网络时，这些特点让ZigBee成为更好的选择。另一方面，凭借其现有的庞大装机量，BLE更加便于将多个简单的设备连接至一部手机。此外，BLE的数据速率和吞吐量高于ZigBee。搭建一个ZigBee网络还需要将一个额外的ZigBee调制解调器连接至主机设备(最好是一台PC)，因此，与搭建一个BLE网络相比，不太方便，而且成本更高。 总之，BLE是搭建个人网络的最佳选择，可通过无线方式将电池供电型智能设备连接至手机或计算机。因此，越来越多的智能可穿戴设备、PC/手机外设和医疗监测设备将BLE视为了首选通信协议。蓝牙技术联盟的网站上列出了多种不同的支持蓝牙智能协议的产品(支持BLE的主机设备) 和蓝牙智能产品(使用BLE与主机通信的独立设备)。该列表还在不断扩展之中，表明了BLE在物联网应用领域的光明前景。 欲进一步了解BLE，开启您自己的设计，请参阅以下应用指南： http://www.cypress.com/?docID=51385 |
网友评论