物联网之蓝牙初识

物联网之蓝牙初识

  1、蓝牙简介

  1.1、 蓝牙技术的起源

  蓝牙的创始人是瑞典爱立信公司,爱立信早在 1994 年就已进行研发。1997 年爱立信与其他设备生产商联系,并激发了他们对该项技术的浓厚兴趣。1998 年 2 月,5 个跨国大公司,包括爱立信、诺基亚、IBM、东芝及 Intel 组成了一个特殊兴趣小组(SIG),他们共同的目标是建立一个全球性的小范围无线通信技术,即现在的蓝牙。

  蓝牙技术是以 10 世纪的一位丹麦国王命名的。“蓝牙(Bluetooth)”一词来源于 10 世纪的丹麦国王 Harald Bl?tand(英文姓名为 Harold Bluetooth)。这位国王将四分五裂的局面统一起来的行为,与这种传输技术将各种设备无线连接起来,有相似的地方。为了纪念他,SIG 将自己的无线技术取名“蓝牙”。

  1.2、什么是蓝牙低功耗

  BLE 是蓝牙低功耗的简称(Bluetooh Low Energy)。蓝牙低功耗(BLE)技术是低成本、短距离、可互操作的鲁棒性无线技术,工作在免许可的 2.4GHz ISM 射频频段。它从一开始就设计为超低功耗(ULP)无线技术。它利用许多智能手段最大限度地降低功耗。

  低成本,低功耗。

  快速启动,瞬间连接。最快 3ms 低延迟。

  传输距离的提高。

  高安全性,使用 AES-128 加密算法进行数据包加密认证。

  蓝牙低功耗在短距离无线通信领域占据着越来越重要的地位,在很多应用场合均可见到蓝牙低功耗的身影。

  医疗和健康设备,如血糖仪、数字血压计、血气计、心率监视器等。

  运动休闲,如心率监测仪、体温计、计步器等。

  鼠标、键盘、遥控器。

  Beacons 蓝牙信标。

  智能家居,如灯光控制、温湿度控制、安全锁控制等。

  1.3、蓝牙版本及 4.0 和 BLE 的关系

  蓝牙技术联盟 :(Bluetooth Special Interest Group, SIG),是蓝牙核心规格版本及蓝牙技术的管理者,本身不负责具体的蓝牙产品的设计和生产等。蓝牙技术的发展经历了下面几个主要的版本:

  1、蓝牙 1.0:基本码率,Basic Rate,BR。

  2、蓝牙 2.0:增强码率,Enhanced Data Rata,EDR。

  3、蓝牙 3.0:引入全新的交替射频技术(AMP: Alternate MAC/PHY),允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择正确射频,通过瞬间使用消费者设备中已存在的辅助无线电提供更快的吞吐量。

  4、蓝牙 4.0 是第一个综合性规范,其加入了全新的蓝牙低功耗技术BLE(Bluetooth Low Energy),即蓝牙 4.0 集三种规格于一体。

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  5、蓝牙 4.2 提升了 BLE 数据传输速度,支持长包传输,单个数据包最大可传输 255 个字节,同时改善了隐私保护程度。

  6、蓝牙 5.0 相对于蓝牙 4.2,具有 2 倍的数据速率、4 倍的覆盖范围和 8 倍的广播能力。

  高速模式:支持 2Mbps 数据速率,实现了数据吞吐量翻倍。

  远距模式:通过 500kbps 和 125kbps 速率的全新编码物理层 (PHY) 实现远距离覆盖。

  广播扩展:蓝牙 BLE 有 3 个广播信道(具体见2.1),之前的蓝牙 BLE 版本中广播载荷通过全部三个广播通道进行发送,蓝牙 5.0 中这三个通道仅用于发送指针,显示发送载荷的时间和地点,广播载荷仅在一个数据通道上传输一次。

  1.4、 蓝牙设备类型

  1.4.1 蓝牙的标志

  为了更好地区分蓝牙的版本,SIG 发布了三种标志Logo用于人们分辨这三个版本之间的区别和兼容性。

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  Bluetooth Smart Ready:适用于任何双模蓝牙 4.0 的电子产品,如苹果公司 iPhone 4S 及以后的产品和安装了安卓 4.3 以上的系统,并且蓝牙芯片支持 4.0 的手机。

  Bluetooth Smart:单模设备,如智能手环。

  标准Bluetooth:传统蓝牙设备,如用于传输语音的蓝牙耳机。

  1.4.2 设备类型

  低功耗蓝牙分为单模(Bluetooth Smart)和双模(Bluetooth Smart Ready)两种设备:单模设备:只支持蓝牙低功耗 (BLE),单模设备对低功耗的要求很高。双模设备:既支持经典蓝牙也支持蓝牙低功耗,这两种技术使用同一个射频前端和天线,双模设备一般都有足够的供电能力,对低功耗要求不高。

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  双模设备之间:可以通过 LE 通信,也可以通过传统蓝牙通信;双模设备和单模设备通 过 LE 通信;双模设备和传统蓝牙通过传统蓝牙通信。单模设备之间:通过 LE 通信。传统蓝牙:通过传统蓝牙通信。单模设备和传统蓝牙:不能通信。

  2、BLE 体系结构

  蓝牙低功耗包含三个部分:控制器、主机和应用程序。

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  2.1、 物理层(Physical Layer)

  调制方式:GFSK,高斯频移键控。

  工作在 2.4GHz ISM 频段。频率范围:2.400-2.4835 GHz

  ISM 频段:(Industrial Scientific Medical Band)主要是开放给工业、科学和医用 3 个主要机构使用的频段。ISM 频段属于无许可(Free License)频段。2.4G ISM 频段是唯一在所有国家都无需授权的频段,只需要遵守一定的发射功率即可。我们熟知的无线局域网、蓝牙、ZigBee 等无线网络,均可工作在 2.4GHz ISM 频段上。(子午物联网ziwuiot.com)

  2.4G 被划分为 40 个 RF 信道(f=2402+k*2 MHz, k=0, ? ,39),信道间隔 2MHz,其中:广播信道:3 个,固定;数据信道:37 个,自适应跳频。

  无线速率:1Mbps、2Mbps。

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