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低功耗蓝牙BLE的具体表现


作为万物互联的无线连接方式,蓝牙低功耗(Bluetooth® Low Energy,或称Bluetooth® LE、BLE)是蓝牙技术联盟设计和销售的一种个人局域网络技术,旨在用于医疗保健、运动健身、信标(Beacon)、安防、家庭娱乐等领域的新兴应用。相较经典蓝牙,蓝牙低功耗技术旨在保持同等通信范围的同时显著降低功耗和成本,由于低功耗的关系,所以经常用在各种常见的可穿戴装置与物联网装置上,使用钮扣电池就可执行数月至数年,小体积、低成本,并与现有的大部分手机、平板和电脑兼容。

一、待机功耗的减少

传统蓝牙设备的待机耗电量大一直是为人所诟病的缺陷之一,这与传统蓝牙技术采用16~32个频道进行广播不无关系,而低功耗蓝牙仅使用3个广播通道,且每次广播时射频的开启时间也由22.5ms减少到0.6~1.2ms,这两个规范上的改变显然大大降低了广播数据导致的功耗。

此外低功耗蓝牙设计了用深度睡眠状态来替换传统蓝牙的空闲状态,因此这样的设计也节省了最多的能源。

在深度睡眠状态下,协议也针对此通讯模式进行了优化,数据发送间隔时间也增加到0.5~4s,传感器类应用程序发送的数据量较平常要少很多,而且所有连接均采用先进的嗅探性(Sniff-Subrating)功能模式,因此此时的射频能耗几乎可以忽略不计,综合以上因素,低功耗蓝牙的待机功耗较传统蓝牙大大减少。

二、快速连接的实现

低功耗蓝牙的机制和理念在于连接是瞬态实现的,需要发送命令或传送状态时,可以极快的建立连接,完成后迅速断开连接。

通过连接机制的改善,低功耗蓝牙下的设备连接建立过程已可控制在3ms内完成,几乎瞬间即可完成,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。而传统蓝牙协议下,即使只是建立链路层连接都需要花费100ms,建立L2CAP(逻辑链路控制与适应协议)层的连接建立时间则更长,通常需要几秒钟的时间。

快速连接对于许多低功耗设备而言是一个极大的福音,可以显著大幅度降低功耗,并大大降低低功耗产品开发的门槛。甚至于在一些特定的应用场景,可以无需电池供电,而采用能量回收的方式提供能量。(能量回收是近年来出现的为低功耗设备提供供电的方式,包括光能,机械能,以及温差等)。

按照传统蓝牙协议规范,若某一蓝牙设备正在进行广播,则它不会响应当前正在进行的设备扫描。低功耗蓝牙协议规范允许正在进行广播的设备连接到正在扫描的设备上,这就有效避免了重复扫描。

三、峰值功耗的降低

射频物理层进行了低功耗设计优化,使得在发射和接收时的峰值电流与经典蓝牙相比,大为降低。

调制方式传统蓝牙和低功耗蓝牙都使用高斯频移键控(GFSK)调制。但是低功耗蓝牙使用的调制系数为0.5(接近高斯最小频移键控GMSK方案),而传统蓝牙技术的调制系数为0.35。这种调制方式的变化有利于降低功耗和提高BLE的通信距离。

四、以时间来换取能量

时间的使用对于低功耗蓝牙来说是实现低功耗的关键,由于无线电处于发射及接收状态时对于能量的使用和消耗是较多的,因此通过以下几个方面减少无线电部分的活动时间:

(1)高效率编码

高效率的编码方式可以用更少的时间发送同等数量的数据。

(2)短数据包格式

与经典蓝牙相比,低功耗蓝牙支持超短数据包(8~27Byte),这使得发送时所需的时间更少。

(3)较快的发射和接收启动时间

较快的启动时间缩短发射和接收的等待时间。

(4)占用较少的资源

协议越复杂,相应占用的资源就会多,在同等情况下对于功耗的需要就会增加。低功耗蓝牙仅采用一个协议来实现服务器发现,名称发现,信息的读取和写入,这比采用多个协议的经典蓝牙所需的开销少得多,从而也对降低功耗作出了贡献。

(5)非对称架构的设计

低功耗蓝牙在架构采用了非对称设计,这对于低功耗来说是十分重要的,即从设备主要从事一些简单的操作,而无需进行复杂的处理,这样可以有效的降低功耗并降低成本;主设备端要负责加密,系统同步定时等复杂的操作及任务。

(6)客户端-服务器架构

低功耗蓝牙协议中采用了大家所熟知的客户端-服务器架构,它是软件系统体系结构,通过它可以充分利用两端环境的优势,将任务合理分配到客户端和服务器端来实现,降低了系统的通信开销。

ST17H66蓝牙BLE5.2芯片是伦茨科技最新推出的16脚蓝牙BLE芯片, 具有512KB Flash +(96KB ROM)+64KB SRAM,蓝牙协议栈固化,不再占用Flash空间。64KB的SRAM,分区使用,可以在待机时保存更多用户数据,可以设置大容量缓冲区,支持更加复杂的功能。符合SIG规范的自组网应用。包括多节点的控制,以及2主4从的同时工作。

ST17H66有10 x GPIO,-103dBm @BLE 125Kbps。单端天线输出,可以无匹配电路。支持天线矩阵切换,支持外挂LNA信号放大。

最大的优势是功耗降低。上一代产品蓝牙接收峰值电流>13mA; MCU的功耗~0.5mA/MHz;低功耗模式下平均电流>40uA。新产品的蓝牙接收峰值电流8.6mA,MCU的功耗<90uA/MHz。低功耗模式下平均电流可降低到20uA~30uA。BLE5的广播数据包更加灵活,最多可包含200Byte数据,BLE4只有32Byte。传输速率更快,BLE5可以达到20~30KB/s;BLE4一般在4~5KB/s。

应用场景:

对功耗控制要求比较严格的应用,比如高档的防丢器,电子标签等。
对数据传输有一定要求的客户,比如用于云台自拍的透传模块,希望蓝牙OTA更加可靠的客户。
方便灵活的电子标签应用。如商品标签,资产防盗,生物追踪。
(文章部分内容来源于:千家网,转载请注明)


伦茨科技拥有自主研发数传应用芯片BLE 5.0和高速传输芯片BLE 5.2并具有全球知识产权 ,针对企业用户和个人消费者,提供智能音频类全套量产产品的解决方案,配套全方位APP软件平台定制开发。随着物联网基础设施逐渐布局,伦茨科技已在共享经济、人脸识别,美颜/美妆,直播云台、智慧医疗、个人洗护,人机交互等多个领域独具优势。

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