藍(lán)牙v4.0技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)及如何將連接技術(shù)延伸到產(chǎn)品中

雖然藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（SIG）在很多事情上都備受指責(zé)，但是在消費(fèi)者中成功樹立藍(lán)牙品牌卻無可非議。早在2008年進(jìn)行的一項(xiàng)獨(dú)立調(diào)查發(fā)現(xiàn)，85%的消費(fèi)者“認(rèn)識(shí)了無線技術(shù)”， 今天這個(gè)數(shù)字很可能會(huì)更高。

隨著藍(lán)牙v4.0的推出，技術(shù)聯(lián)盟面臨著一個(gè)新的挑戰(zhàn)，就是準(zhǔn)確解釋這項(xiàng)技術(shù)是什么。 跟以往版本不一樣，藍(lán)牙v4.0架構(gòu)采用了兩類不同的無線電技術(shù)和協(xié)議。一種類型可以與以往版本通信，而另一種則不可以。

從用戶所關(guān)注的互操性到工程人員所需，技術(shù)聯(lián)盟的答案是，新品牌可幫助消費(fèi)者在市場(chǎng)上找到所需產(chǎn)品。藍(lán)牙Smart和藍(lán)牙Smart Ready品牌背后所采用的藍(lán)牙v4.0技術(shù)正在被廣泛應(yīng)用。例如，蘋果的iPhone 4S和新的iPad（參見圖1）就符合藍(lán)牙Smart Ready的要求，微軟已宣布Windows 8支持此項(xiàng)技術(shù)， 摩托羅拉也已宣布推出具有藍(lán)牙Smart Ready功能的手機(jī)。

圖1：蘋果最新的iPad符合藍(lán)牙Smart Ready設(shè)備的要求

藍(lán)牙Smart和藍(lán)牙Smart Ready品牌真正的重要性是什么？藍(lán)牙v4.0與以往版本的區(qū)別是什么？ 往下看你就會(huì)找到答案，但首先還是讓我們從歷史的角度稍作一些了解。

藍(lán)牙與專屬技術(shù)超低功耗對(duì)比

過去曾出現(xiàn)了兩類“低功耗”無線技術(shù)。

藍(lán)牙技術(shù)是愛立信貢獻(xiàn)給世界的一項(xiàng)2.4GHz短距離通訊技術(shù)，采用大容量電池供電（例如，AA或更大容量），可提供約1 Mbps的帶寬（隨后有很大提高），可用于手機(jī)到無線耳機(jī)之間的流媒體通信等應(yīng)用。

后來出現(xiàn)了一項(xiàng)功耗更低的無線技術(shù)，由Nordic Semiconductor等公司開發(fā)，并冠以“超低功耗” 一詞來描述此項(xiàng)技術(shù)，此項(xiàng)技術(shù)也在2.4GHz頻段下運(yùn)行，提供1 Mbps的帶寬。 后面這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)是非常低的負(fù)載循環(huán)運(yùn)行（0.1或更低），平均電流在微安培范圍內(nèi)，一塊紐扣電池可支持運(yùn)行數(shù)月以至數(shù)年。其應(yīng)用包括與運(yùn)動(dòng)手表進(jìn)行通信的心率帶、無線鼠標(biāo)和鍵盤。

這兩項(xiàng)技術(shù)有不同的市場(chǎng)定位，因使用不同協(xié)議而從未能相互通信。（藍(lán)牙采用開放的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議以確?；ゲ僮餍?，而超低功耗無線技術(shù)采用高效的專屬協(xié)議以保持低功耗。）

手機(jī)制造商諾基亞具有創(chuàng)新性的工程師團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到，如果他們實(shí)現(xiàn)與世界上百萬的超低功耗無線電設(shè)備通信，將為公司產(chǎn)品開拓一個(gè)龐大的新市場(chǎng)。例如，慢跑愛好者無需購(gòu)買一個(gè)昂貴的心率帶及與其相匹配的運(yùn)動(dòng)手表來追蹤他們的活動(dòng)，他們將可以購(gòu)買一個(gè)廉價(jià)的心率帶并將其與他們已經(jīng)擁有的手機(jī)鏈接。

基于這個(gè)來自于工程師的想法，諾基亞、超低功耗無線電專家Nordic Semiconductor和其他一些有共識(shí)的企業(yè)建立了聯(lián)盟。但是諾基亞顯然不希望在已經(jīng)配有三個(gè)或四個(gè)RF設(shè)備的手機(jī)上再添加另一個(gè)無線電芯片，而選擇采用已在其多數(shù)手機(jī)上裝配的藍(lán)牙芯片來完成這項(xiàng)工作。

經(jīng)多年反復(fù)改良，該聯(lián)盟與藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟合并，該項(xiàng)技術(shù)演變成“超低功耗藍(lán)牙”。

Nordic的工程師和技術(shù)聯(lián)盟成員經(jīng)過六年的不懈努力，最終迎來了藍(lán)牙v4.0（其標(biāo)志性特點(diǎn)是融合 “藍(lán)牙低功耗”）。

關(guān)于兩個(gè)芯片

藍(lán)牙技術(shù)以往版本（例如v2.1和v3.0）與v4.0的根本區(qū)別在于最新版本使用兩個(gè)協(xié)議。

藍(lán)牙低功耗協(xié)議是藍(lán)牙規(guī)范中的新內(nèi)容，此項(xiàng)技術(shù)用于過去使用專屬技術(shù)的超低功耗應(yīng)用。（這并不表示專屬技術(shù)即將消失；而因?yàn)樗咻^低成本和性能優(yōu)化等原因被廣泛使用于不需藍(lán)牙互操性的產(chǎn)品上。） 該規(guī)范要求使用經(jīng)專門設(shè)計(jì)只用于運(yùn)行藍(lán)牙低功耗協(xié)議的無線電設(shè)備， 此類設(shè)備因此被稱為 “單模式”設(shè)備。

藍(lán)牙v4.0的硅晶無線電既可支持“傳統(tǒng)”藍(lán)牙協(xié)議（例如BR/EDR），還增加了一些額外電路， 因而還支持與藍(lán)牙低功耗（單模式）之間通信。由于這些芯片可處理兩個(gè)協(xié)議，因此被稱為“雙模式”設(shè)備。

雙模式芯片可用于以前使用傳統(tǒng)藍(lán)牙芯片的任何應(yīng)用中。包括手機(jī)、平板電腦、個(gè)人電腦、個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備（PND）、游戲機(jī)和智能電視以及其他眾多應(yīng)用。

藍(lán)牙品牌

藍(lán)牙Smart品牌的認(rèn)證產(chǎn)品必須符合三項(xiàng)要求：采用GATT為基礎(chǔ)架構(gòu)的藍(lán)牙4.0（或更高）核心規(guī)范；采用單模式無線電及使用以GATT為基礎(chǔ)的架構(gòu)以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的特定功能。

藍(lán)牙Smart Ready認(rèn)證產(chǎn)品必須符合三項(xiàng)相似要求：采用GATT為基礎(chǔ)架構(gòu)的藍(lán)牙4.0（或更高）核心規(guī)范；采用雙模式無線電（BR/EDR+藍(lán)牙低功耗），兩種無線電模式可分別或同時(shí)啟用， 提供在藍(lán)牙Smart Ready設(shè)備上更新藍(lán)牙Smart設(shè)備的方法供終端用戶選擇。

藍(lán)牙Smart Ready制造商還應(yīng)為第三方提供一種創(chuàng)建和分配應(yīng)用，用于接收藍(lán)牙Smart設(shè)備的數(shù)據(jù)。

對(duì)于消費(fèi)者，藍(lán)牙Smart Ready產(chǎn)品為終端用戶提供了一種更新藍(lán)牙Smart產(chǎn)品功能的方法。 用戶可下載并安裝新的配置文件（優(yōu)化的特定應(yīng)用軟件）來支持購(gòu)買的新設(shè)備，而無需借助帶有預(yù)安裝支持文件的集線器設(shè)備。

藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟的新品牌旨在滿足大眾的期待。經(jīng)過多年對(duì)藍(lán)牙技術(shù)互操性和兼容性的宣傳，情況已經(jīng)發(fā)生變化。

新品牌對(duì)消費(fèi)者很重要，因?yàn)樗蓭椭M(fèi)者為其活動(dòng)選擇正確的產(chǎn)品。例如，人們不可能購(gòu)買一個(gè)藍(lán)牙Smart心率帶而指望其與任何的藍(lán)牙芯片手機(jī)通信。還不如選擇支持藍(lán)牙 Smart Ready的手機(jī)， 因?yàn)檫@就意味著采用了藍(lán)牙v4.0芯片和藍(lán)牙Smart Ready所需的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和支持技術(shù)。表1對(duì)互操作性進(jìn)行了總結(jié)。

表1：藍(lán)牙Smart和藍(lán)牙Smart Ready兼容性

v4.0有什么新特點(diǎn)？

除非新版本可帶來一些具有根本差別的新功能，藍(lán)牙不會(huì)浪費(fèi)時(shí)間開發(fā)新版本。但是設(shè)計(jì)工程師乃至最終的消費(fèi)者究竟能從藍(lán)牙v4.0中獲得什么？ 要回答這一問題，我們需要更深入地了解此項(xiàng)技術(shù)。

傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)以“定向連接”無線電為特點(diǎn)，采用用于高頻活動(dòng)通信的固定連接間隔。雙模式芯片將繼續(xù)執(zhí)行該項(xiàng)任務(wù)。

重要的是要知道在運(yùn)行BR/EDR模式時(shí)，雙模式芯片的功耗與該技術(shù)原來的版本并無差別。 設(shè)備在使用其低功耗功能時(shí)可節(jié)省一些功耗，但因?yàn)樾酒⒎浅凸脑O(shè)備，芯片的功能、尺寸、成本和合規(guī)性都與原來的版本相似。

換言之，如果工程師正在設(shè)計(jì)一款要求高負(fù)載循環(huán)、短距離、融合2.4GHz無線電技術(shù)的產(chǎn)品， 他會(huì)像以前選擇v2.1或v3.0芯片一樣，從偏愛的供應(yīng)商處選擇藍(lán)牙v4.0雙模式芯片。

話雖如此，工程師確實(shí)會(huì)獲得一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)，我們會(huì)在下文對(duì)其進(jìn)行討論。

藍(lán)牙低功耗技術(shù)采用可變連接間隔，可根據(jù)應(yīng)用從數(shù)毫秒設(shè)置到數(shù)秒。此外，由于非?？焖俚倪B接，藍(lán)牙低功耗技術(shù)經(jīng)常保持“未連接”狀態(tài)（節(jié)約功耗）。在此狀態(tài)中，鏈接的兩端知道雙方存在，但只會(huì)在絕對(duì)必要時(shí)進(jìn)行盡可能短時(shí)間的鏈接。

藍(lán)牙低功耗芯片可用3V、220mAh CR2032之類的紐扣電池運(yùn)行數(shù)月乃至數(shù)年。 但是這些設(shè)備只可支持非常低的負(fù)載循環(huán)操作。

如果工程師要求一種具有互操作性的2.4GHz無線電技術(shù)，用于發(fā)送少量數(shù)據(jù)如幾個(gè)字節(jié)的異步傳輸， 且數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)并不頻繁（例如，從每秒數(shù)次到每分鐘一次，或更少），那么藍(lán)牙低功耗是最佳選擇。心率監(jiān)視器、自行車速度和距離檢測(cè)器或血糖檢測(cè)器等緊湊型無線傳感器都是此類裝置。

藍(lán)牙低功耗技術(shù)采用特別的技巧來降低功耗。此技術(shù)只采用三個(gè)“宣傳”信道來搜索其他設(shè)備，或?qū)⑵涑诗I(xiàn)給可能正在搜索連接的設(shè)備，以此減少連接時(shí)間。相反，傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)則采用32個(gè)信道。

這代表藍(lán)牙低功耗技術(shù)只需“開啟” 0.6至1.2ms來掃描其他設(shè)備，而傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)則需要22.5ms來掃描其32個(gè)信道。因此，藍(lán)牙低功耗技術(shù)用于定位其他設(shè)備的功耗降低了10至 20倍。

一旦連接，藍(lán)牙低功耗技術(shù)將切換至37個(gè)數(shù)據(jù)信道中的一個(gè)，然后通過使用偽隨模式適配跳頻（AFH）。

藍(lán)牙低功耗技術(shù)采用1Mbps的總數(shù)據(jù)帶寬來快速發(fā)送信息，并快速返回至超低功耗休眠狀態(tài)。 連接（即掃描其他設(shè)備、鏈接、發(fā)送數(shù)據(jù)、驗(yàn)證和“自如地”中止）只需3毫秒。 對(duì)比傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行相似的連接循環(huán)則需要數(shù)百毫秒。要知道，連接時(shí)間越長(zhǎng)，電池功耗越大。

藍(lán)牙低功耗技術(shù)還通過兩種其他方式來限制峰值功耗：即采用相對(duì)“寬松”的RF參數(shù)， 以及發(fā)送非常短的數(shù)據(jù)包。較短的數(shù)據(jù)包可進(jìn)一步減少通信時(shí)間，并使硅晶保持較低的溫度，以此避免對(duì)功耗重新校準(zhǔn)和對(duì)閉環(huán)結(jié)構(gòu)的需求。

擴(kuò)大藍(lán)牙生態(tài)系統(tǒng)

藍(lán)牙低功耗技術(shù)適用于因傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)功耗限制而無法實(shí)現(xiàn)的各種應(yīng)用。這是第一次提供給電子裝置設(shè)計(jì)師的具有可靠互操作性的ULP無線技術(shù)，并承諾將推出數(shù)百項(xiàng)新應(yīng)用。

但究竟是什么類型的應(yīng)用呢？ 藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟在未來數(shù)月即將發(fā)布的系列配置文件會(huì)帶來一些提示： 這些配置文件可為個(gè)人用戶界面設(shè)備（PUID）（例如，手表）、遠(yuǎn)程控制、感應(yīng)警報(bào)、 電池狀態(tài)和心率監(jiān)控器等特定應(yīng)用。隨后還會(huì)推出用于血糖和血壓、循環(huán)Cadence和循環(huán)曲柄功率等醫(yī)療保健監(jiān)控的配置文件。

Nordic Semiconductor作為專業(yè)的超低功耗無線連接技術(shù)公司， 是眾多推出藍(lán)牙低功耗解決方案的供應(yīng)商中的一個(gè)。了解一下他們的產(chǎn)品有助于了解一些早期應(yīng)用，了解將藍(lán)牙v4.0融合到其產(chǎn)品中的設(shè)計(jì)師們是如何將連接技術(shù)延伸到超乎他們想象的更多產(chǎn)品中的。

Nordic Semiconductor的μBlue藍(lán)牙低功耗產(chǎn)品系列目前包含兩款芯片，nRF8001和最新推出的nRF8002。這兩款芯片都包含了完全符合藍(lán)牙v4.0低功耗協(xié)議堆棧。

Nordic μBlue藍(lán)牙低功耗芯片系列中的第一款設(shè)備nRF8001和軟件開發(fā)組件于2011年1月推出。憑借實(shí)現(xiàn)sub 12.5mA的峰值電流和低至sub 12μA的連接模式平均電流（連接間隔為 1s），Nordic宣稱nRF8001是行業(yè)內(nèi)功耗最低的藍(lán)牙低功耗解決方案。

該芯片將無線電、鏈接層和主機(jī)堆棧結(jié)合到了一個(gè)最終產(chǎn)品列表（EPL）中，使設(shè)計(jì)師們可以輕松開發(fā)新的藍(lán)牙終端產(chǎn)品，而無需額外的列表費(fèi)用。

對(duì)于希望快速開發(fā)藍(lán)牙Smart產(chǎn)品而無需花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間來學(xué)習(xí)如何使用該項(xiàng)技術(shù)的設(shè)計(jì)師們，nRF8002系統(tǒng)芯片（SoC）是很好的選擇。該芯片是一個(gè)易于使用的SoC解決方案，可用于無線標(biāo)簽和手鐲、 掛件、鑰匙扣、小玩具和臂章等其他附件（參見圖2）。

圖2：nRF8002是一款用于無線標(biāo)簽和其他附件的便于集成的獨(dú)立解決方案

使用nRF8002不需了解藍(lán)牙低功耗技術(shù)或其他嵌入式固件的開發(fā)。利用Nordic nRF8002開發(fā)組件，開發(fā)人員們可以使用具有簡(jiǎn)單圖形用戶界面的開發(fā)工具來設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的藍(lán)牙 Smart 產(chǎn)品，因此他們只需配置內(nèi)置式應(yīng)用程并將輸入和輸出映射到按鈕、LED和蜂鳴器等外部組件，而無需進(jìn)行更深入的操作。nRF8002采用了內(nèi)置支持技術(shù)，用于一系列藍(lán)牙v4.0 配置文檔，包括：Find Me、感應(yīng)、警報(bào)通知和電池狀態(tài)。

可靠的互操作性

數(shù)家主要公司已將nRF8001融入到其產(chǎn)品中。例如， 日本的消費(fèi)電子產(chǎn)品公司卡西歐已經(jīng)開發(fā)出可以與兼容手機(jī)通信的G-SHOCK藍(lán)牙低功耗手表（參見圖3）。

圖3：G-SHOCK藍(lán)牙低功耗手表可以與任何藍(lán)牙Smart Ready手機(jī)通信

該手表帶有停止手機(jī)鈴聲等功能，還帶有Finder功能， 支持用戶通過啟用手表的警報(bào)和振動(dòng)功能 來定位找不到的手機(jī)。

Dayton Industrial在其稱為世界第一個(gè)可生產(chǎn)的藍(lán)牙低功耗心率帶中采用了nRF8001， 已經(jīng)準(zhǔn)備進(jìn)入批量生產(chǎn)。對(duì)于已經(jīng)采用藍(lán)牙v4.0芯片的手機(jī)， 其用戶可以在數(shù)秒內(nèi)設(shè)置并使用心率帶和一系列醫(yī)療保健應(yīng)用，這些應(yīng)用可帶來采集、解析和顯示培訓(xùn)數(shù)據(jù)的新方式。

Nordic為工程師們提供了iOS演示應(yīng)用程序來說明這是如何實(shí)現(xiàn)的，該程序可用于廣泛的現(xiàn)行藍(lán)牙Smart（和 ANT+）附件，例如無線心率帶、足部周邊檢測(cè)裝置、自行車速度航程、Cadence、 功率傳感器、溫度、感應(yīng)標(biāo)簽、稱量臺(tái)和血壓監(jiān)控器（參見圖4）。

圖4：Nordic的iOS演示程序可用于廣泛的最受歡迎的藍(lán)牙Smart（和ANT+）附件

最新開發(fā)的采用nRF8001的產(chǎn)品可能能夠最好地說明藍(lán)牙低功耗技術(shù)是如何顯著擴(kuò)大本已龐大的藍(lán)牙生態(tài)系統(tǒng)的。

總部設(shè)在香港的IDT公司剛推出了家用藍(lán)牙低功耗血壓監(jiān)控器（參見圖5）。 該監(jiān)控器是世界上此類設(shè)備中首款利用藍(lán)牙低功耗的設(shè)備，并在最近采用了血壓配置文件。監(jiān)控器可與藍(lán)牙Smart Ready手機(jī)通信，然后手機(jī)可將數(shù)據(jù)發(fā)送至醫(yī)療機(jī)構(gòu)中的遠(yuǎn)程服務(wù)器。 采用此類超低功耗無線技術(shù)，病人可以待在自己舒適的家中，減少見醫(yī)生的時(shí)間，醫(yī)療人員可以對(duì)開處方的時(shí)間做出明智的決定，這可為衛(wèi)生當(dāng)局節(jié)省一筆開支！

圖5：IDT的血壓監(jiān)控器是世界上此類設(shè)備中首款利用藍(lán)牙低功耗的設(shè)備， 并在最近采用了血壓配置文件

許多應(yīng)用非常要依賴可靠的互操作性。技術(shù)聯(lián)盟會(huì)安排定期的“藍(lán)牙測(cè)試活動(dòng)”，以確保各制造商生產(chǎn)的設(shè)備能夠正常通信。Nordic和藍(lán)牙芯片領(lǐng)先制造商Broadcom通力合作，以確保在實(shí)際操作中實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙v4.0的互操作性。

Nordic宣布藍(lán)牙低功耗感應(yīng)卡的原版設(shè)計(jì)和行業(yè)首款藍(lán)牙v4.0標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證整合芯片解決方案Broadcom的BCM4330之間的無線通信測(cè)試成功。

盡管Nordic從未懷疑過其芯片與其他制造商的芯片之間互操作性測(cè)試的結(jié)果， 但結(jié)果仍讓人感到滿意，同時(shí)還驗(yàn)證了藍(lán)牙規(guī)范，證明建立無線鏈接毫無問題，可以流暢運(yùn)行。

這用了很長(zhǎng)時(shí)間，但是藍(lán)牙v4.0和藍(lán)牙低功耗芯片、協(xié)議、配置文件和支持技術(shù)現(xiàn)在都已推出， 這是六年不懈努力的最高峰。許多領(lǐng)軍企業(yè)已經(jīng)將芯片融入到其產(chǎn)品中，隨后有望迎來藍(lán)牙Smart和藍(lán)牙Smart Ready認(rèn)證產(chǎn)品的爆發(fā)時(shí)期。例如，IMS分析家預(yù)計(jì)， 每年將有十億臺(tái)藍(lán)牙低功耗設(shè)備售出。這是迄今采用無線技術(shù)最快的時(shí)期。