藍牙信標支持基于鄰近的上下文感知，但在產品上實施信標可能會帶來一些有趣的設計和開發挑戰。首先，沒有官方的藍牙特別興趣組(SIG)信標標準;相反，一些偽標準正在出現。然后是范圍確定、對整體功率預算的影響以及確保安全性的問題。

在定義了信標并簡要介紹了來自 Apple、Google 和 Radius Networks 的競爭信標方法之后，我們將討論如何最好地實施信標以應對這些設計挑戰。

什么是信標?

信標是一種小型、電池供電的無線設備，它使用低功耗藍牙 (BLE) 來宣傳其存在和服務。它通過向其附近的兼容設備(例如智能手機)廣播(廣告)信標標識符來做到這一點。該標識符還包含少量可自定義的嵌入數據。例如，智能手機上的 BLE 掃描儀會定期掃描廣告數據包，然后對其進行解碼以確定信標設備的位置和服務并進行相應的交互。

新興的偽標準利用了 BLE 的一些原生設施和藍牙的廣泛使用。比較突出的是 Apple 的 iBeacon、Google 的開源 Eddystone 和 Radius Networks 的 AltBeacon(參見表 1)。

表 1：操作系統對 BLE 技術和信標偽標準的支持。

接近感知應用程序依賴于知道哪些信標在附近。但是信標的 RF 范圍可以從 <1 米到 500 m 不等，具體取決于發射功率，因此僅根據接收信標標識符數據包來確定接近度是不切實際的。在實踐中，通過將信標的廣告數據包中校準的發射功率數字與接收信號強度指示器 (RSSI) 進行比較來近似距離。環境和其他因素會影響信號強度，但對于接近應用來說，大致距離通常就足夠了。藍牙規范的未來版本可能會包含多天線到達角 (AoA) 和出發角 (AoD) 功能，以準確確定另一個藍牙設備的空間位置。 信標服務和數據包結構 一個信標可以包括多個服務。當需要廣告服務時，其通用唯一標識符 (UUID) 會在設備的廣告數據包中廣播。隨后，當藍牙掃描儀接收到廣告數據包時，操作系統會將 UUID 注冊到特定的應用程序，該應用程序會執行后續操作。

廣告和數據包的格式相同(圖1)。信標遵循標準的廣告數據包格式，并將數據有效負載嵌入到偽標準的預定義結構中。這允許操作系統將信標的廣告數據包與其他藍牙廣告數據包區別對待。

圖 1：數據包和廣告包的 BLE 包格式相同。

BLE 設備以可選的時間間隔傳輸廣告數據包，從 20 毫秒到幾分鐘不等。每次設備發布廣告時，都會在所有三個廣告通道上發送相同的數據包，這使得掃描儀更有可能將其拾取。

在廣告包中，數據有效載荷被構造為一個或多個(長度、類型、數據)三元組。長度字段定義后續類型和數據字段的組合大小。其后是類型字段，它指定數據是名稱、服務 UUID、通用資源標識符 (URI) 還是許多其他已定義數據類型之一。接下來是數據包。

傳輸單個信標數據包最多可能需要 376 μs，但可能會更短，具體取決于偽標準，并且發生這種情況的頻率是功耗和可接受的應用程序延遲之間的權衡。

設計信標產品的注意事項

在其最基本的形式中，信標可以使用無線片上系統 (SoC) 設備或模塊以及電池和機械外殼來實現。更典型地，信標將包括提供功能性用戶交互的其他組件以及傳感器。預先認證的模塊方法提供了最快的上市時間，避免了大量的前期工程投資和 RF 合規性測試，而分立 SoC 設計可以節省尺寸或成本(圖 2)。

圖 2：典型的預認證 BLE 信標模塊和藍牙 SoC 參考設計。

出于電源管理的原因，選擇一個經過現場驗證的、主動管理睡眠模式的 BLE 堆棧至關重要：每 100 毫秒僅廣播 1 毫秒意味著，在 99% 的時間里，它應該處于睡眠狀態。此外，最好使用可以定義多種信標幀類型(iBeacon、Eddystone-URL 等)及其時序參數的堆棧。然后堆棧可以自主地交錯這些，而無需運行更耗電的應用程序代碼。

其他重要的軟件功能包括作為故障安全機制的看門狗定時器、用于設置信標開/關周期以保持電力的實時時鐘，以及支持固件更新的能力。

信標應用程序代碼可以相對簡單，并使用高級編程語言(如 BGScript)實現(圖 3)。這種方法的好處是開發人員可以專注于應用程序，而不是底層協議棧的時間和復雜性。

圖 3：BGM111 BLE 模塊的 BGScript iBeacon 示例代碼。

此示例代碼支持 BGM111 模塊。代碼的廣告包被構造為使用 Apple AirLocate Service UUID 74278bda-b644-4520-8f0c-720eaf059935，主要和次要字段為 0x00，這意味著它們未設置。0xD0 的校準 Tx 功率值與一米處的 –48 dBm 相關。

信標的發射功率和信標間隔在電池壽命和權衡所需范圍和接近精度方面發揮著重要作用(圖 4)。更高的發射功率提供更遠的范圍和更廣的覆蓋范圍，但發射器會隨著每個信標事件更快地消耗電池電量。

圖 4：信標的平均電池壽命由發射功率及其發射/睡眠占空比決定。

在性能方面，較短的信標間隔意味著有更多的信標事件要捕獲，提供更多的運動分辨率，因此，更好的定位精度。更長的間隔意味著信標的電池壽命更長，但被捕獲的機會更少，尤其是被移動的智能手機捕獲。

安全信標僅廣播，因此它們不收集數據。然后，范圍內的智能手機通常通過 Wi-Fi 或其蜂窩網絡訪問廣播服務。因此，信標不會構成任何額外的安全威脅或攻擊面。對于信標提供者，當附加到信標具有貨幣價值時，例如通過獎勵積分，必須注意拒絕來自同一設備的持續請求。這是使用時間戳和其他技術完成的。這同樣適用于信標的設備管理功能，其中使用標準 BLE 安全功能(例如配對和身份驗證)來限制對內部功能的訪問。

結論

很難想象在不久的將來我們都不會被信標應用所觸動。事實上，它們可能是下一個殺手級應用。數百個行業的產品設計師在采用無線技術時將面臨許多新挑戰。選擇具有創新技術、經過市場驗證的堆棧和出色的客戶支持的合適供應商將有助于確保開發人員擁有流暢的體驗和卓越的最終產品。

　　審核編輯：湯梓紅