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深入理解網(wǎng)格網(wǎng)絡 藍牙5特性介紹

電子設計 ? 來源:Barry Manz ? 2019-01-03 09:02 ? 次閱讀

去年12月藍牙技術聯(lián)盟(Bluetooth Special Interest Group)發(fā)布了2822頁的藍牙5技術標準,很明顯藍牙技術聯(lián)盟的目的是讓藍牙5更加符合物聯(lián)網(wǎng)應用的需求。然而盡管網(wǎng)格網(wǎng)絡對于工業(yè)系統(tǒng)到預警系統(tǒng)以及家居自動化等物聯(lián)網(wǎng)應用不可缺少的重要部分,但是當時網(wǎng)格網(wǎng)絡支持并沒有在規(guī)范中出現(xiàn)。想弄明白為什么網(wǎng)格網(wǎng)絡如此的重要,我們不妨先了解藍牙5所提供的其他一些改進——更寬的范圍、更快的數(shù)據(jù)傳輸、與現(xiàn)有技術保持共存。

深入理解網(wǎng)格網(wǎng)絡

藍牙采用的是星型拓撲結構(如圖1a),所有設備都連接到中心節(jié)點。因為每個設備不能充當為一個節(jié)點,那么擴展網(wǎng)絡的唯一方式就是將更多的設備連接到中心節(jié)點上。這種方式能夠采用有線網(wǎng)絡方式實現(xiàn)(當然要用到很多網(wǎng)線),但是無線星型拓撲網(wǎng)絡的可擴展性則是非常有限的,最大傳輸距離是由最遠的連接設備所決定的。一個更好的解決方案就是網(wǎng)格網(wǎng)路(如圖1b),所有設備之間都能夠互相通信,這就使得網(wǎng)絡的大小和覆蓋的范圍變得幾乎無限大。

深入理解網(wǎng)格網(wǎng)絡 藍牙5特性介紹

圖1:星型(a)拓撲結構具有局限性,網(wǎng)格類型(b)則可以不斷擴展

藍牙技術不支持網(wǎng)格網(wǎng)絡是一個非常嚴重的缺點,物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的發(fā)展已經從原型進化到實際的系統(tǒng)。例如,在生產車間可能有成百上千個無線傳感器,它們之間也需要共享信息,通過有線或者無線的方式與外面的世界和互聯(lián)網(wǎng)進行通信,但是藍牙卻不支持這些。

實際上,藍牙對于網(wǎng)格網(wǎng)絡的需求是非常重要的,很多公司例如Cambridge Silicon Radio (CSR)公司在2015年被高通(Qualcomm)公司收購,設計了多種方式讓低功耗藍牙設備之間形成一個網(wǎng)格網(wǎng)絡,盡管藍牙標準中并不包含網(wǎng)格網(wǎng)絡特性。包括Nordic半導體在內的很多公司與藍牙技術聯(lián)盟展開合作,推進藍牙5具備網(wǎng)格網(wǎng)絡的能力。

既然網(wǎng)格網(wǎng)絡會在藍牙5進行標準化,那我們可以想到僅憑這一個因素就能讓這項技術成為各種物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應用的選擇。與其他技術不一樣的是藍牙主要集成到智能手機、平板電腦和筆記本電腦中,所以藍牙5網(wǎng)絡可以通過app進行可重配置,用戶可以在設備旁邊也可以在千里之外。這大大降低了藍牙5網(wǎng)絡控制的成本和復雜度。對于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)這真是太棒了。

網(wǎng)格網(wǎng)絡有力的支持了藍牙5的一些新的特性,比如擴展了使用范圍,藍牙5理論的最大傳輸距離是200米,是藍牙4.0的兩倍。為了擴大范圍藍牙5提高了最大輸出功率從10dBm(10mW)到20dBm(100mW)。

使用范圍,速度和共存性的作用

范圍的擴大對于任何通信類應用都是期望的,對于家居自動化則尤其的重要。藍牙5更廣的范圍和網(wǎng)格網(wǎng)絡拓撲能夠非常好的支持這類應用,能夠讓更大空間房屋內的設備實現(xiàn)互連通信,甚至支持位于兩個建筑之間的設備進行通信。這在以前是很難想象的,其他技術如WiFi和Zigbee才因此具有一定的優(yōu)勢。

擴大了覆蓋范圍以及增加了網(wǎng)格網(wǎng)絡拓撲也會對藍牙的Beacon(廣播捕獲)功能帶來一些影響,雖然自2013年推出以來并沒有獲得廣泛應用,但是這是事實,盡管Beacon技術的很多屬性對于很多應用都很有幫助。

Beacon技術定義

從基礎層面來將,beaconing技術是在短距離范圍內發(fā)送很短的信息并且跟蹤藍牙設備,不需要beacon與設備之間進行配對。唯一的要求就是這個設備一般是蘋果或者安卓智能手機、平板電腦事先已經安裝了beacon專用app。零售行業(yè)目前是beacon技術采用的主要用戶,因此下文我們以這個為例進行介紹。

在大型購物商場中,商家會在店內不同位置安裝beacon設備,比如商店入口、柜臺前和收銀柜臺等(如圖2所示)。一般這些設備都非常小(尺寸1x5x0.75英寸),在固定的間隔內廣播信號,每個信號都會包含一些數(shù)據(jù)。因為數(shù)據(jù)量非常小,RF輸出功率也就非常低,功耗也大大降低了,一個小的紐扣電池就能夠保持beacon設備工作數(shù)年之久。而且這些設備價格也不貴,零售商能夠在很多位置安裝這些設備。

當顧客進入到店內就會收到beacon設備發(fā)出的一個通知,會彈出顯示一個URL網(wǎng)址或者其他信息。一般是優(yōu)惠券、老顧客回饋或者其他一些形式的推廣。顧客會查看通知,進入某個零售店的網(wǎng)址,這樣顧客會看到更多的商品信息。

深入理解網(wǎng)格網(wǎng)絡 藍牙5特性介紹

圖2:傳統(tǒng)零售行業(yè)采用beacon技術的場景是beacon設備可以放置在任何位置,能夠跟蹤顧客的去向

零售商和其它機構如博物館可以向用戶發(fā)送通知,從鏈接到內容豐富的網(wǎng)站,我們很容易想到這給商家?guī)淼闹卮髢r值。當著beacon技術也可以用來進行定位和導航,跟蹤任何東西(包括人),自動注冊交易會參加者以及擴展其他很多應用。因為beacon技術只是發(fā)射短信息數(shù)據(jù)包,不會收集用戶的私人信息,因此不存在安全問題。

Beacon技術的作用還主要依賴零售商或者其他機構選擇向用戶發(fā)送的信息,例如零售商能夠確定顧客對哪些產品有更大的興趣,顧客會在商店內哪些位置停留以及他們是否會買哪些商品(如圖3所示)。

深入理解網(wǎng)格網(wǎng)絡 藍牙5特性介紹

圖3:beacon設備向智能手機上的app發(fā)送通知,如果用戶查看通知會向服務器發(fā)送反饋,進而給用戶發(fā)送網(wǎng)站鏈接查看更多的產品信息。

然而有一些遺憾的是在藍牙4標準中,允許發(fā)送的最大數(shù)據(jù)長度是31字節(jié),因此數(shù)據(jù)太短不能涵蓋大多數(shù)URL的全部信息或者發(fā)送的文本信息也不能傳達什么有用的信息。藍牙5解決了這個問題,將最大數(shù)據(jù)長度增加到255字節(jié),因此我們可以發(fā)送更多數(shù)據(jù)信息。藍牙5同時也具備更快的數(shù)據(jù)傳輸速率,這不僅給beaconing技術帶來好處,同時也大大方便了其他應用。

更快的數(shù)據(jù)傳輸

藍牙5提升了最大數(shù)據(jù)傳輸速率,從藍牙4.0的1Mb/s提升到2Mb/s。盡管提升的幅度不是很大,但是這樣已經能夠在更短的時間內發(fā)送更多的數(shù)據(jù)信息了。速率提升的一大驅動者就是來自物聯(lián)網(wǎng)(IoT)這樣的應用,它們需要即時的雙向通信,例如在醫(yī)療上需要控制機器人手術設備,生產車間內需要控制一些大型機器。同時也能夠讓物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設備存儲一定量的數(shù)據(jù),然后在幾秒鐘內發(fā)送出去。這樣會降低物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設備的功耗,對于保持電池的壽命是很重要的。

藍牙5帶來速度上提升對于物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的另一個好處是能夠更快更頻繁的對傳感器進行更新,這對于確保系統(tǒng)網(wǎng)絡中的每個設備都具備最新的安全特性和最新的系統(tǒng)固件非常重要。尤其安全問題尤其受到人們關注,因為有些不法之徒已經找到如何破解物聯(lián)網(wǎng)設備和網(wǎng)絡的方法,而且物聯(lián)網(wǎng)設備的增加他們的破壞活動也會不斷增加,因此即使的系統(tǒng)更新會有效的防御各種破壞活動。

與其他技術共存

除了之前我們討論過的,藍牙5還有一些其他提升特性也給它帶來了強大的功能,其中最重要的一個就是在2.4GHz工業(yè)科學與醫(yī)療(ISM)頻帶上與其他技術保持良好的共存特性。

在藍牙支持的頻率范圍內不僅僅只有這一項技術,只有通過特性集成以及有效的其他技術區(qū)分開來例如Wi-Fi,它們才不會在同一頻帶運行的同時產生互相干擾。舉個例子,在藍牙5規(guī)范制定和開發(fā)的過程中,藍牙技術聯(lián)盟(SIG)就考慮到在很多地方,包括物聯(lián)網(wǎng)(IoT)使用的領域,藍牙也不僅僅是唯一的一項技術。

為了確保在這些情況下保持最小的影響,因此在標準的制定上有很多約束,例如避免占用Wi-Fi使用的通道,同時增加了“slot availability masks”特性,能夠檢測和自動阻止蜂窩網(wǎng)絡帶來的干擾。現(xiàn)在蜂窩網(wǎng)絡正在不斷的擴張,它們使用的頻率與藍牙的非常接近,因此有效的避免干擾顯得尤為重要。

當然并不是只用藍牙技術聯(lián)盟(SIG)一家機構意識到在很多情況下不僅只有一種連接解決方案可以采用,芯片供應商也意識到這個問題,因此它們會在設計SoC器件時集成更多的互連協(xié)議。

簡化解決方案

盡管很多系統(tǒng)只采用一種互連解決方案,但是也有應用采用多種方案。從設計者的角度來看,這可能需要不同的SoC器件,大大增加了系統(tǒng)成本以及復雜度,而且會增加產品面市的時間。當然如果由芯片供應商來解決這個問題則會方便很多,比如讓更多的SoC器件集成多種通信協(xié)議。

第一家這樣做的芯片廠商是Nordic半導體公司,在去年12月份推出了nRF52840 SoC器件以及相關開發(fā)套件原型(如圖4所示),之后不久推出了正式完整的套件產品。提供了藍牙5開發(fā)的單板開發(fā)工具,并且這款低功耗處理器集成了ANT無線傳輸協(xié)議(IEEE 802.15.4m 低功耗無線網(wǎng)絡標準),適用于2.4GHz無線應用開發(fā)。

圖4:Nordic半導體公司推出的nRF52840 SoC開發(fā)板卡,單板解決方案提升了產品開發(fā)進度,支持藍牙5、IEEE 802.15.4m以及專用的互連標準。

Arduino Uno 3兼容nRF52840 SoC器件,它集成了64MHz、32位ARM Cortex M4F處理器,全新的無線電架構設計、RF功率放大器、1Mbyte flash存儲、256Kbytes RAMUSB2.0接口一起其他特性。采用5V直流(DC)供電,與ARM CryptoCell-310密碼加速器共同解決系統(tǒng)安全防御問題。

另一個例子是Skyworks公司推出的解決方案SKY66112-11前端模塊(如圖5所示),支持藍牙5.0技術、多線程、ZigBee,輸出5倍以上的RF發(fā)射功率(100mW,+20dBm),這解決了更大規(guī)模功放類應用的需求,并且提升了接收敏感度7dB,是接收頻率范圍的2倍以上。

圖5:Skyworks公司推出的SKY66112-11前端模塊,兼容藍牙5.0技術

TI德州儀器)公司的CC26XX SimpleLink無線微控制器也是為多個通信協(xié)議標準而設計的,它集成了藍牙、ZigBee和6loWPAN標準。該系列器件采用ARM Cortex-M3處理器、超大的存儲空間以及控制器,與外圍的傳感器連接,能夠自動收集收據(jù)同時還能夠讓系統(tǒng)復位進入休眠狀態(tài)。它的功耗非常低,集成了廣泛的功能和接口,支持AES-128加密機制。

總結

本篇文章介紹的關于藍牙5特性的一些主要方面,當然還有很多其他微小的調整和提升,集成的這么多特性讓藍牙5.0成為更低功耗的藍牙技術,在物聯(lián)網(wǎng)(IoT)系統(tǒng)應用中相比其他技術標準具有明顯的競爭力。網(wǎng)格(mesh)網(wǎng)絡帶來的好處是廣泛的,這使得該標準第一次支持在更小的范圍內搭建個人網(wǎng)絡。然而更多的優(yōu)勢包括提升了beacon技術支持、更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、每次傳輸更大的數(shù)據(jù)長度以及其它方面的提升,同時又具有更低的系統(tǒng)功耗、更低的系統(tǒng)實現(xiàn)成本、更大市場潛力,因此藍牙5.0在未來幾年的發(fā)展中將保持更強的競爭力。


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