藍牙5.4物聯網連接世界(1)

2023-06-26

Silicon Labs

隨著物聯網的快速發展，開發人員需要多種無線連接解決實際應用中的各種問題。對於點對點和點對多點連接而言，藍牙連接是一種多樣化、經濟且易於執行的解決方案，藍牙5.4更強化低功耗和遠距應用，延伸消費性、汽車、家庭、工業、健康等領域。

藍牙技術聯盟

最初，開發藍牙是為了創建一個RS-232傳輸線和點對點音訊的無線通訊替代版本。藍牙現在由藍牙技術聯盟(SIG)管理和指導，已經發展成為一種點對多點協定。通常支援同一區域中的幾個終端節點，頻段為2.4~2.485GHz，支援兩個或多個節點之間的直接連接，這些節點通常是指終端使用者以及受控終端或查詢終端。藍牙4.0協定標準擴展後，可支援Bluetooth，也可支援執行Bluetooth Classic且處於Bluetooth LE模式下的裝置。藍牙4.2資料速率更高、封包尺寸擴大、且支援TCP/IP連接，因此，要想透過行動電話之間的存取點無縫存取網路，藍牙就成為了理想選擇。

Bluetooth於2010年被納入藍牙主要協定標準，它採用了藍牙4.0核心規範(Bluetooth Core Specification Version 4.0)，與Classic Bluetooth的頻段相同，但使用方式略有不同。Bluetooth旨在大幅降低功耗和成本，同時又能夠確保相似的通訊範圍。Bluetooth支援40個2MHz頻道，這與Classic Bluetooth支援79個1MHz頻道大不相同。Bluetooth的位元速率最大為1Mbps，最大傳輸功率為+10dBm，而Bluetooth Classic的最大位元速率和最大傳輸功率分別為4Mbps和+20dBm。

雖然Bluetooth無法向下相容Bluetooth Classic，但藍牙4.0規範允許裝置執行Smart和Classic系統中的其一或兩個系統。關於Bluetooth是否允許+20dBm的傳輸輸出功率，藍牙技術聯盟成員曾各執己見。當此議論定案時，Silicon Labs最高支援+19.5dBm輸出功率的Bluetooth SoC和模組恰巧滿足此需求。Bluetooth仍在不斷發展，藍牙5.0規範大幅提高接收器的靈敏度，鏈路預算將增至約120dB，而Silicon Labs的SoC和模組的覆蓋範圍將超過半英里。

消費性/行動物聯網

在物聯網成為現今焦點前，藍牙立體聲音訊傳輸協定(A2DP)曾經且現在也還是使用高音質外接藍牙揚聲器傳輸音訊內容的業界標準。基於這樣的普遍性，無論是Bluetooth Classic還是Bluetooth目前都被廣泛應用於各種消費性物聯網應用，用於定位、投放廣告以及將搭載藍牙功能的智慧手機連接至外部信標。藍牙信標正在徹底改變人和物之間的互動，例如在大型零售商店和購物中心購物時，多數人在店內就已經可以透過智慧手機進行線上比價。

透過智慧手機的藍牙連接，消費者很快就能和他們想要在店內購買的東西直接互動。這些信標主要用於室內定位，而終端使用者的智慧手機應用程式可向區域內的使用者提供相關資訊。除作為信標之外，Bluetooth還是智慧手機和穿戴式物聯網裝置的主要無線連接方案之一。例如：智慧手表、健身追蹤器、自動調節腰帶、手勢追蹤指環、情緒追蹤器以及夾在或嵌入衣服中的個人裝置等。

藍牙物聯網開發

以智慧手機、人機互動為基礎的藍牙物聯網設計越來越多，其中一個原因就是有大量易用的軟體工具可供使用。對於智慧手機而言，Apple和Google等公司提供了常見且成熟易用的工具，用於開發軟體應用程式以存取外部藍牙物聯網裝置。對於物聯網裝置而言，藍牙技術聯盟成員積極提供各種工具，以加速能夠與智慧手機或其他支援藍牙的接收器進行通訊的軟體開發。這不僅包括智慧手機本身開發所需的相同語言和建構模組，還包括許多常見基於Web開發工具的程式設計工具。

此外，現在還可以使用藍牙腳本語言，其句法和語法與人類日常語言非常相似，如圖1所示。以智慧手機、人機互動為基礎的藍牙物聯網設計越來越多，其中一個原因就是有大量易用的軟體工具可供使用。

圖1　BGScript是一種類似於BASIC的解釋性腳本格式。開發人員可以透過BGScript快速對藍牙裝置進行程式設計以啟動一個計時器，以便後續作為應用程式的一部分使用，例如讀取類比數位轉換器的輸出資料

這種開發的便利性推動了藍牙在消費性穿戴式以外領域的廣泛應用，例如汽車自動化、家庭自動化、網路自動化、工廠和建築自動化以及各種醫療應用。

車用藍牙物聯網

在很多汽車的新設計中，藍牙已與資訊娛樂系統密不可分。在裝有藍牙的車輛中，資訊娛樂子系統可以連接各種可攜式裝置(例如DVD、CD、MP3播放器和揚聲器)，並且可以存取車輛車載診斷和控制系統。

藍牙支援的其他車用應用包括遠端啟動(以便在冬天預熱汽車或在夏天打開空調)、遠距停車、家用車庫門控制、支付加油站油費和收費道路費用、以及無線進入。藍牙也正在悄然進入引擎控制、車身電子裝置和防鎖死煞車安全子系統。

電池管理

藍牙物聯網被應用於油電混合和電動車的電池管理。對於油電混合車和電動車而言，集合多個單電池單元的電池組只有在所有單電池單元同時充電/放電的前提下才能確實運作。目前的技術仰賴數千個有線感測器連接來追蹤每個電池單元的溫度和電壓，並相應地調整充電和放電速率。這些有線連接容易出現故障。藍牙連接將故障點最小化，並使個別元件更容易更換，而無需重建整個電池。

線束替換

隨著車輛電子裝置和應用的數量不斷增加，連接感測器所需的布線數量也隨之增加。汽車製造商正在尋求藍牙等無線技術來降低布線成本和重量。通用汽車公司和卡內基梅隆大學最近的一項研究提出了以Bluetooth為基礎的新型無線架構來實現此目標。Bluetooth不僅可以幫助降低布線成本和重量，研究顯示，它還可以提供許多線束替換應用所需的吞吐量。

Bluetooth防鎖死煞車

汽車防鎖死煞車系統同時採用了藍牙和FlexRay車輛網路用於線傳控制系統。在該設計中，ABS監控應用程式透過Android智慧手機，從用於監控車輪速度和煞車打滑等情況的FlexRay系統中的藍牙發射器接收資訊。

藍牙家庭自動化

由於智慧手機普遍都整合了藍牙，因此藍牙常被用於以物聯網為基礎的家用網路和家庭自動化的無線連接。

家庭自動化分散網路

在一項近期基於智慧手機的Bluetooth家庭自動化設計中，藍牙轉接器能夠控制多個不支援網路連接的裝置的電源，例如：電燈、咖啡機及其他家用電器等。這些家電透過混合網狀網路與智慧手機進行互動或相互互動，該網路將多個藍牙點對點連接轉換為分散網路，每個藍牙集線器中的裝置在另一個微網路中還扮演輔助裝置的作用，這樣訊息便能夠在每個集線器及其裝置間傳遞。