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低功耗蓝牙(BLE)技术 - 解决低功耗无线连接应用挑战

已有 137 次阅读  2019-01-05 09:19

根据ABI Research公司的调研报告显示,自2007年开始蓝牙设备的出货量快速递增,预计到2016年蓝牙设备累计总出货量将飙增至209亿套,市场增幅巨大。

蓝牙设备增长主要集中在汽车电子、消费类电子产品、健康医疗、移动电话、个人电脑及周边设备、体育和运动等领域。这些应用领域对于电池续航能力都有很高要求,因此采用BLE技术的蓝牙设备的市场最大。 

   低功耗蓝牙(BLE)是低耗能、低成本的绿色近距离无线通信技术,最初来自于诺基亚的Wibree2007年,为进一步将这种技术推广到全球,诺基亚将这项技术移到蓝牙技术联盟(SIG),2008年这项技术被重新命名为BLE,成为下一代蓝牙核心规范4.0版的关键组成部分,相较之前版本,新标准最大的特色是其低功耗性能,解决了蓝牙设备功耗较高的难题。

与此前的蓝牙版本一样,BLE工作于2.4GHz ISM频段。与传统蓝牙技术不同,BLE用深度睡眠状态来替换传统蓝牙的空闲状态,而当有数据传输需求时醒来,这种设计能够大大减少功耗,实现10-20倍低于传统蓝牙的功耗。低功耗蓝牙设备使用一粒纽扣电池就可连续工作数年之久。

BLE的低功耗主要通过以下几个方面来实现:

1. 广播频段和广播时射频开启时间减少:传统蓝牙使用16~32个频段进行广播,而BLE仅使用3个广播频段;每次广播时的射频开启时间由传统蓝牙的22ms减少为0.6~1.2ms

2. 2. BLE设计了深度睡眠状态(Duty-Cycle)来替代传统蓝牙的空闲时间,并且在Duty-Cycle时,发送数据间隔也被增大。

3. BLE 的连接采用先进的Sniffer-Subrating模式。

4. 4. 传统蓝牙规范规定,若某一设备正在进行广播,则它不会响应当前正在进行的设备扫描,而BLE允许正在进行广播的设备连接正在扫描的设备,这有效避免了重复连接。通过对连接机制的改进,BLE连接建立过程可控制在3ms内完成。

5. 5. BLE在每个从设备和每个数据包上使用32位的存取地址,优化了传统蓝牙一对一的连接,实现一对多。

6. 6. BLE增加了GSFK调制,降低了峰值功耗。

然而,设计低功耗BLE设备并不容易。射频电路设计比较复杂。从天线到匹配电路到芯片,加上复杂的无线通信规范,工程师需要使用多种开发工具才能完成一个无线物联网系统的设计。采用多个ICAFE、数字控制逻辑、BLE射频和MCU)的系统也会增加物料成本。另外,系统的功耗优化也是个问题。低功耗模式需要谨慎使用才能既保证纽扣电池的长寿命又保证可靠的无线连接。

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