浅述蓝牙4.0技术及应用

浅述蓝牙4.0技术及应用蓝牙技术概述1.1诞生背景在WiFi和智能技术还未及现在的普及度的过去十年，计算机网络技术和移动电话技术的迅速发展，手机、笔记本、数码相机等电子设备已经遍及人们生活的角落，为人们的生活提高了极大的便利性。但是电子设备在方便人们生活的同时也来了麻烦，每台电脑的背面总是会有各种各样的借口，各种各样的线缆通过各种各样的设备连成一个系统。如果减免繁杂设备之间的连线过程，方便地实现数据、语音通讯与信息交换功能，成为当时人们最关心的问题之一，也是网络通讯发展最迅速的技术之一。目前，蓝牙技术仍在充满活力地持续发展。每年均有近20亿蓝牙设备进入市场，蓝牙技术已成为全球开发商、产品制造商和消费者对成熟无线解决方案的不二之选。拥有行业领先公司的支持以及超过16，000家成员公司，BluetoothSIG及成员公司共同合作、不断创新，引领着蓝牙无线技术的发展方向。1.2蓝牙技术概念1998年初，蓝牙(BlueToooth)技术由英特尔、爱立信、诺基亚、东芝、IBM五大世界知名公司联手推出的一种短距离无线通信技术。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化这些设备与Internet的通信，使这些现代通信设备与因特网的数据传输变得更加迅速高效。Bluetooth采用RF射频(RadioFrequency)技术的短距离、单点对多点的语音与数据信息传输交换标准；Bluetooth工作在全球通用的2.4GHz工业/科学/医学（ISM）频段，不受各个国家无线电管理部门的限制；它的通信距离为10cm—10m，没有传输角度如果增加信号放大装置,其通信的距离可以扩展到100m,并且可以绕过非金属障碍物体。1.3蓝牙技术优点（1）开放性由蓝牙特殊利益集团制定的蓝牙无线通信的规范完全是公开的和共享的。为鼓励该项技术的应用推广，蓝牙技术联盟（SIG）在其建立之初就奠定了真正地完全公开的基本方针。从蓝牙诞生开始，它就是一个由厂商们自己发起的技术协议，完全公开，而并非某一家独有和保密。只要是SIG的成员，都有权无偿使用蓝牙的新技术，而且蓝牙技术标准制订后，仟何厂商都可以无偿地利用，只要产品通过SIG组织的测试并符合此标淮后，品牌即可投入市场。2012年，蓝牙技术联盟（SIG）在温哥华举行的全员大会中推出了蓝牙开发者门户网站（BluetoothDeveloperPortal：）。这个新的资源将帮助开发者和工程师迅速学习蓝牙设备和应用设计的基础知识，帮助他们开拓运行蓝牙低耗能技术硬件相集成的应用软件的庞大新市场。（2）短距离蓝牙无线技术的通信距离较短(一般为10m)，消耗功率极低，所以更适合于小巧的、便携式的并由蓄电池供电的个人装置。（3）无线性最初，蓝牙技术是以取消连接各种电器之间的连线为目标的。蓝牙技术主要面向网络中的各种数据及语音设备如PC，拨号网络，笔记本电脑，HPC，PDA，打印机，传真机，数码相机，移动电活，高品质耳机等。蓝牙通过无线的方式将它们挂成一个围绕个人的网络，省去了用户接线的烦恼，在各种便携设备之间实现无缝的资源共享。（4）蓝牙产品的互操作性和兼容性蓝牙产品在满足蓝牙规范的前提下，还必须通过IG的认证程序，只有通过了认证程序，才能走向市场。这就保证了即使是不同公司的蓝牙产品，也可实现互操作和数据共享，达到完全兼容的目的。（5）可以同时支持语音和数据的传输计算终端和通信终端之间的传统界限已开始变得越来越模糊。现在治音通常是以数据形式进行传输和存储。语音设备，如移动电话，也可被用来传输数据，例如信息访问和浏览。通过语音识别，汁算机可交由语音控制，而通过语音合成，计算机除视频输出还产生音频输出。一些无线通信技术的设计要么只能传送语音，要么只能处理数据通信信号。蓝牙无线通信则同时支持话音和数据传输，以其中一种方式或两种方式同时使用，能使所商类型的设备产生通信连接，因此蓝牙是统一这一领域的理想技术。（6）通用性由于蓝牙工作在全球通用的2.4GHz工业、科学、医学（ISM）免付费、免中请的无线电频段，所以无论身在何处，利用蓝牙无线通信的设备不用考虑频率受限制的问题。（7）安全性随着无线技术的发展与普及，辐射也成了消费者非常关心的问题。由世界卫生组织、IEEE等专家组成的小组表示，检测中并未发现蓝牙产品的辐射对人体有影响。蓝牙产品的输出功率仅为1mW，是微波炉使用功率的百万分之一。1.4蓝牙的发展（1）1998年6月26日这5家发起公司又联合发布了Bluetooth1.0技术标准,该标准有详细的产品设计规范,并有产品互操作性的要求。蓝牙1.0标准虽然定义了具体的功能，但缺乏严格的实施准则，使这个标准的要害部分—协同工作能力出现了隐患，阻止了其大量应用（2）1.1版本非常明确地定义了设备验证所需的各个步骤，彻底纠正了主从设备竞争矛盾的问题!并对数据格式的兼容问题进行了解决。（3）1.2版本在1.1版本的基础上加入要新增四项功能，采用AFH（适应性跳频）技术，主要的功能是自动选择合适的频段，用来减少蓝牙产品与其它无线通讯装置之间所产生的干扰问题；采用ESCO（延伸同步连结导向信道）技术用于提供具高度QoS的音讯传输，而能进一步满足更高阶语音与音讯产品的需求；采用FasterConnection（快速连接）技术，缩短重新搜索与再连接的时间，使连结的过程更为稳定、更快速、使蓝牙产品在使用上更为平顺；与蓝牙1.1版本产品兼容，确保其可向后兼容于1.1版本的产品。（4）蓝牙2.0是1.2的改良提升版，提高了数据传输速率，传输更稳定，并降低了功耗，大大改善蓝牙用户使用多个蓝牙设备协同工作及传输大型数据文件时的体验。2004年，蓝牙2.0+EDR版本问世，从而进行了五大改进，可以让手机、二级通过蓝牙无线听音乐。（5）2009年4月，蓝牙技术联盟正式颁布了蓝牙3.0版本，允许蓝牙协议针对任一人物动态地选择正确射频，数据传输速率大约24Mbps，可轻松用于录像机至高清电视、PC至PCM、UMPC至打印机之间的资料传输。（6）2009年12月17日，蓝牙技术联盟推出超低功耗版蓝牙4.0。2010年，7月，蓝牙技术联盟正式采纳蓝牙4.0核心规范，并启动对应的认证计划。同年，苹果将蓝牙4.0作为自己产品的标配。二、蓝牙4.0技术特点2.1蓝牙的技术特性 设备结构原理是把一块小且功耗低的无线电收发芯片嵌入到传统电子设备中。蓝牙芯片包括无线电收发器和链路控制器(LC)。无线收发器是蓝牙设备的核心，使用的无线电频段在ISM2.4GHZ到2.48GHZ之间。控制连接包括两部分：软件连接——链路管理器(LM)和硬件——链路控制器(LC)。LM执行链路设置、监权、配置；负责连接、建立和拆除链路并进行安全控制。LC实现数据发送和接受。逻辑LC和适应协议具有完成数据拆装、控制服务质量和复用协议的功能，该层协议是其它各层协议实现的基础。（1）射频特性 蓝牙设备的工作频段选在全世界范围内都可以自由使用的2.4GHz的ISM（工业、科学、医学）频段，这样用户不必经过申请便可以在2400~2500MHz范围内选用适当的蓝牙无线电收发器频段。频道采用23个或79个，频道间隔均为1MHz，采用时分双工方式。调制方式为时分双工方式。调制指数为04.210435。蓝牙的无线发射机采用FM调制方式，从而能降低设备的复杂性。最大发射功率分为三个等级，100mW（20dBm），2.5mW（4dBm），1mW（0dBm），在4~20dBm范围内要求采用功率控制。因此，蓝牙设备之间的有效通信距离大约为10~100m。（2）跳频技术 跳频技术是将整个频带分成若干跳频信道，即使在单一链接的情况下，蓝牙芯片所操控的收发器也会按照一定的码序列（即具有规律性的、技术上称为“伪随机码”的数码集）不断地从一个信道“跳”转到另一个信道。而接收方亦按照同样的跳转规律进行信道切换，这实际上属于一种硬件加密手段，除非第三方掌握了发收双方的切换信道规律，那么从理论上来讲是无法获得完整信息的。而对干扰来说不可能存在按同样的规律介入的干扰源，跳频的瞬时带宽很窄，但通过扩展频谱技术使这个窄带宽成百倍地扩展成宽频带，使被干扰的可能变得很小，如此便可以保证传送的完整性。跳频是蓝牙使用的关键技术之一。对应单时隙包，蓝牙的跳频速率为1600跳/秒；对于多时隙包，跳频速率有所降低；但在建链时则提高为.3200跳/秒。使用这样高的调频速率，蓝牙系统具有足够高的抗干扰能力，且硬件设备简单、性能优越。（3）微微网和散射网 当两个蓝牙设备成功建立连接后，一个微微网便形成了，两者之间的通讯通过无限电波在信道中随即跳转而完成，蓝牙给每个微微网提供特定的跳转模式，因此它允许大量的微微网同时存在，同一区域内多个微微网的互联相成的分散网。微微网包含一个共享的信道，其成员通过这个信道进行通信。这个信道由一个明确的跳频序列组成，微微网的成员以同步的方式跟踪跳频序列，跳频序列由主设备来控制。不同的微微网信道有不同的主单元，因而存在不同的跳转模式。为了连接8个以上的活跃的设备，必须建立多个微网，然后连接每个微网的主设备，这个联合结构就是散射网。散射网在空间和时间上交叠。一个微网中的从设备可以是多个微网的从设备，也可以是另一个微网的主设备，这样就使微网之间通信成为可能。因为只有79个频点，所以一个散射网最多只有10个微网。（4）软件的层次结构和许多通信系统一样，蓝牙的通信协议采用层次式结构，其程序写在一个8mm*8mm的微芯片中。其底层为各类应用所通用，高层则视具体应用而有所不同，大体分为计算机背景和非计算机背景两种方式，前者通过主机控制接口HCI（HostControlInterface）实现高、低层的连接。后者则不需要HCI。层次结构使其设备具有最大的通用性和灵活性。根据通信协议，各种蓝牙设备无论在任何地方，都可以通过人工或自动查询来发现其他蓝牙设备，从而构成主从网和分散网，实现系统提供的各种功能，使用起来十分方便。2.2蓝牙4.0的技术细节 2009年12月，蓝牙技术联盟(BluetoothSpecialInterestGroup,SIG)首度先行推出蓝牙4.0版本，并在2010年底，于西雅图正式公布蓝牙核心规格4.0版本的相关数据，蓝牙4.0版本将过去三种蓝牙规格，包括传统蓝牙技术、蓝牙低功耗技术及蓝牙高速技术等三种规格合而为一。除此之外，蓝牙4.0版本可以让设计者选择将距离优化至200英尺以上。（1）数据传输（DataTransfers）蓝牙4.0技术支持很短的资料封包（8octet～27octet），其传输速度高达1Mbps。所有连接均采用先进的嗅探性次额定功能模式，以实现超低的负载循环（dutycycle）。（2）2.跳频（FrequencyHopping）蓝牙4.0技术和其他版本的蓝牙技术一样都是使用调节性跳频，以尽量减少2.4GHzISM波段其他技术的干扰。此技术还允许高效的多路径优势增加链路预算，从而加大射程。（3）主机控制（HostControl）蓝牙4.0技术设计的高智能控制器，让主机长时间处于休眠状态，并只在主机需要运作时由控制器来启动。因主机较控制器消耗更多的能源，因此这样的设计也节省了最多的能源。（4）延迟（Latency）蓝牙4.0技术的联机建立仅需3毫秒（ms）即可完成；同时能以应用程序迅速启动链接器，并以数毫秒的传输速度完成经认可的数据传递后并立即关闭连结。（5）射程（Range）调变指数的增大可使低功耗无线技术的射程加大，射程将可超过100m。（6)稳定度（Robustness）蓝牙低功耗技术使用24位的循环重复检环（CRC），能确保所有封包在受干扰时的最大稳定度。（7）高度安全（StrongSecu-rity）使用CCM的AES-128完全加密，为数据封包提供高度加密性及认证度。（8）拓墣（Topology）蓝牙低功耗技术在每个从装置及每个封包上，使用32位的存取地址，让数十亿个装置能被同时链接。此技术不但将一对一的连结优化，同时也利用星状拓朴来完成一对多点的连结。在联机和断线切换迅速的情况下，数据能够在网状拓朴之间移动，但不至于为了维持此网络而显得过于复杂。2.3蓝牙4.0的突破——低耗能 蓝牙的低功耗技术是蓝牙4.0的重大突破，具备超低峰值(Peak)、平均值与待机功耗，透过标准钮扣电池足以使用数年，支持多种设备之间的兼容性，并加强射程。支持很短的数据封包，8octet至27octet，其传输速度高达1Mbps。蓝牙低功耗设计主要提供3种应用方案：独立运作模式、(Stand-alone)、双模工作模式(DualMode)及整合模式。在双模应用中，蓝牙低功耗的功能会整合至现有的传统蓝牙控制器中，共享传统蓝牙技术既有的射频和功能，相较于传统的蓝牙技术增加的成本更小。除此之外，制造商可利用升级版蓝牙低功耗技术的堆栈，整合目前的蓝牙3.0高速版本、或2.1+EDR等传统蓝牙芯片组，增进传统蓝牙装置的新效能。2.4蓝牙规格版本的比较蓝牙4.0技术的应用截至2012今年，市场上出产的蓝牙产品设备已达90亿部，而光是2012年就有超过20亿部之多。目前，蓝牙技术出原有的手机、平板电脑等消费类应用外，还扩展到智能家居、智能运动、智能保健、智能护理等领域。目前的蓝牙技术设备可用三个品牌商标来涵盖所有应用，即Bluetooth、BluetoothSMART、BluetoothSMARTREADY，其中Bluetooth指传统点对点的一些应用，包括蓝牙耳机等，这些应用可充分体现蓝牙高保真的数据流特性；BluetoothSMART则指用来收集特定类型的信息，也是一些智能生活的应用，如智能牙刷、智能球杆、智能球鞋等；BluetoothSMARTREADY是指那些可实现更多蓝牙设备互联的终端产品，包括手机、平板等。3.1BluetoothSMARTREADY（1）YeelightBlue，蓝牙4.0情景照明灯YeelightBlue是一款情境照明灯，内置了TI高性能调光芯片、蓝牙4.0模块以及CREE公司高亮度高显色指数的灯珠。这款灯泡采用蓝牙4.0技术，使用者可以直接通过移动设备对YeelightBlue的灯具进行设置和操作。而配合各款移动设备、开发板以及硬件模块，利用YeelightBlue开放的蓝牙接口协议也令其成为DIYer手上的可玩性很高的玩具。如果仅仅从外形上看，YeelightBlue就是一个普通的螺口灯泡。但与一般的灯泡不同的是，YeelightBlue主体部分都是有源的硬件，在第一眼看上去就会发现这个灯泡“发光”的部分不足整个体积的三分之一。 其中蓝牙4.0令到YeelightBlue在连接移动设备时的过程步骤大大简化了，仅需要给灯泡接通电源然后通过直接通过手机蓝牙连接即可。连接上YeelightBlue后，通过Yeelight提供的应用，用户可以使用开关定时、照片色彩渲染以及音乐节奏去控制YeelightBlue的灯光。“Delayturnonandoff”顾名思义就是对灯泡的开关进行定时。“Flowingcolor”则是选择一张自己想要的照片去渲染灯光的色彩和亮度。“Musicrainbow”虽然可以展现一个随音乐让灯泡呼吸闪动的效果，但目前只支持令灯泡以蓝色为基调根据音乐节拍跳动，仍不能选择其他的色彩环境。（2）Kevo，iPhone搭配蓝牙，智能门锁 Kevo是由锁芯控制部分（花个5分钟把你原先的锁芯换下来吧）和手机app两部分组成。只要用手指触碰一下门锁，锁芯控制电路的蓝牙模块就会联接4英尺（1.2米）内的其他蓝牙设备进行匹配，若匹配成功门就会自动开启或者锁闭。锁芯外围的一圈LED会根据状态显示不同颜色：绿色是打开，黄色是锁闭，红色是“你丫是谁啊？”，蓝色表示处理中。 在app端，户主可以把其它手机加为“钥匙”，设定权限或者是取消权限（比如手机丢了的情况）。户主还能查看大家的出入记录，设定某个用户进出时发提醒。这项功能主要是为了上班的父母能知道孩子安全回家了。目前暂时还只支持ios。（3）FindMyCarSmart，讯停车位置 "FindMyCarSmart"是一款支持蓝牙4.0的应用，可以帮助用户找到自己的停车位置。虽然市面上已经有好几款类似的程序，但它们都需要手动启动和标记用户的车辆。"FindMyCarSmart"应用利用蓝牙4.0和汽车上的发射器配对，并自动跟踪其最后的停放位置。用户需要在车上安装一个小型USB蓝牙接近适配器，并与iPhone配对。接近适配器可以与在iPhone后台运行的“FindMyCarSmart”应用进行通话。当用户离开车之后，它会自动记忆最后的GPS位置，无需人工干预。唯一的缺点就是由于后台操作，iPhone的续航时间将会缩短，特别是用户一天停好几次车的情况下。目前暂支持ios。（4）BluetoothSmartTrigger，智能手机操控单反机BluetoothSmartTrigger是Satechi公司推出的一种无线遥控设备，旨在解决用智能手机操控单反机的问题。BluetoothSmartTrigger安装在单反的热靴上，用一根很小的缆线连接到镜头，就能和手机上的软件配对，实施无线操控。因为用的蓝牙4.0，所以这个触发器的感应范围可以达到15米左右。3.2BluetoothSMART（1）BeamBrush，可监视测健康的蓝牙牙刷BeamTechnologies公司推出了他们的嵌入传感器和蓝牙收音机的手动牙刷，内置兼容Android或AppleiOS系统的app程序，用于追踪刷牙习惯，包括刷牙频率和持续时间，以及在口腔任一部位的停留时间。用户只需按一下牙刷柄上的按钮即可共享智能手机app程序的数据。蓝牙4.0技术的展望蓝牙4.0的低功耗技术和高速传输技术，为蓝牙在短距应用开拓了更广阔的空间。例如，使蓝牙技术凭借低功耗特性进入物联网和医疗保健、运动与健身、保安与家庭娱乐等应用,而且因在手机中的高占有率,使其在那些以手机为核心的物联网应用中或将更具优势。4.1蓝牙在物联网中的应用 物联网的英文称呼是“TheInternetofthings”，可理解为将物品连接到互联网虽。随着移动互联网时代的到来，手机将成为最重要的移动互联网设备。目前超过90%的手机都具备了蓝牙功能，因此将蓝牙手机作为帮助物品接入互联网的终端设备具有先天优势。这时需要被连接的物品相应也应具备蓝牙通信功能，而且由于需要长时间通信，蓝牙4.0低功耗特性非常关键，是蓝牙4.0能被用于物联网应用的内在动因之一。4.2蓝牙在物联网中的应用 传统医院的心电图机具有体积庞大和检测场所受限的缺点,市面上已有的便携式心电监护仪是软硬一体的电子设备,需要较强计算能力的处理器、液晶显示器、存储模块,这些无疑增大了体积且提高了成本,它们都不适合普及到家庭和个人的移动应用中。智能手机的普及可让心电采集设备更加轻巧,在Android和iOS上开发心电数据处理的客户端程序也将带来更加炫酷的视觉体验,还能使用云服务,而新一代蓝牙4.0协议大大降低了功耗,又是智能手机上的标配,未来的心电监护系统将具有低成本、低耗能、软件灵活性、网络服务可扩展等创新点。这也将成为移动医疗产品的设计趋势。参考文献：[1]杨悦,刘超,陈永泰.蓝牙技术及其原理[J].电信快报,2002,02:17-20.[2]时和平,何根宏,马秀芳.蓝牙技术讲座第5讲蓝牙技术的发展与展望[J].中国数据通信,2002,05:88-94.[3]曹冲.蓝牙技术的发展现状和应用前景[J].无线电工程,2001,03:1-6.[4]王建锋.蓝牙技术的应用及发展前景[J].郑州航空工业管理学院学报,2003,02:107-109.[5]于进才,马岚,任晓明.蓝牙技术的现状及发展[J].电子技术应用,2004,