华普微低功耗蓝牙技术及解决方案

低功耗蓝牙技术及解决方案

蓝牙通信协议 BT communication protocol

简介 Introduction

● 什么是蓝牙？

蓝牙是一种短距离无线技术标准，用于实现设备间的短距离数据交接，以及通过星型或网状网络（mesh）拓扑结构来组建个人局域网络。蓝牙使用ISM频段的UHF无线电波，范围从2.400 GHz到2.483 GHz。作为有线连接的替代品，蓝牙技术广泛应用于移动电话、个人电脑、手持设备、音频设备、无线鼠标和键盘等设备之间的数据传输。近年来，蓝牙mesh组网技术不断成熟，在智能家居控制、工业自动化、商业照明、智能城市等领域获得了广泛的应用。

蓝牙技术由瑞典的爱立信公司在1994年提出，其初衷为设计一种无线协议以替换RS-232数据线，并拓展至移动电话和其他配件间进行低功耗、低成本的无线连接。之后，在1999年，由索尼爱立信、IBM、英特尔、诺基亚和东芝联合组建了蓝牙特别兴趣小组（Bluetooth Special Interest Group, SIG），制定蓝牙规范，推动蓝牙技术的发展。在这个过程中，英特尔公司提议将该无线技术命名为“蓝牙”。该命名源自10世纪丹麦和挪威国王蓝牙哈拉尔，他致力于统一斯堪的纳维亚半岛的各个国家，这也表明了蓝牙特别兴趣小组希望用蓝牙技术来“统一”各种应用场景下的无线通信标准。

蓝牙技术由蓝牙特别兴趣小组(SIG)管理，作为一个全球化的组织，在电信、计算机、网络和消费电子领域，已拥有超过38,000家成员公司。目前蓝牙技术的发展受SIG的监督、管理和认证，且商标为SIG所有。所有蓝牙设备必须符合蓝牙技术联盟标准，且通过相关认证，才可以作为蓝牙设备，使用蓝牙商标进行销售。

经典蓝牙和低功耗蓝牙是蓝牙技术的两个方向，在应用场景、功耗、传输速率等方面有所区别。

经典蓝牙(Bluetooth Classic):

■ 应用场景：主要用于音频和数据传输，例如连接耳机、打印机等。

■ 传输速率：典型传输速率为1-3 Mb。基本速率(BR)模式下，最大数据传输速率为723.2kb，增强数据速率(EDR)模式下，其最大数据传输速率为2178.1kb。

■ 功耗：相对较高，适用于高速率数据传输场景。

■ 范围：通常在10米左右。

低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy):

■ 应用场景：专注于低功耗应用，适用于连接传感器、健康设备、智能家居设备等。同时，低功耗蓝牙也拓展了mesh组网、蓝牙定位、蓝牙音频等多种应用领域。

■传输速率：支持1Mb、2Mb、500Kb、125Kb等不同传输速率，以满足不同应用场景下对于传输速率及传输距离的要求。

■ 功耗：低功耗设计，适用于需要长时间运行的设备。

■ 范围：通常在100米左右。

现有经典蓝牙技术主要应用于蓝牙音频数据传输，例如蓝牙耳机、蓝牙音箱等，且随着蓝牙5.2版本的发布，蓝牙联盟正式推动LE Audio标准，旨在提供更高质量的音频传输，支持多流音频、广播音频和改进的低功耗性能，这也是目前蓝牙解决方案商的重点研发方向之一。因此在后文中，我们主要讨论低功耗蓝牙技术。

低功耗蓝牙通信 BLE communication

特征概述 Feature Profile

● 低功耗蓝牙技术的典型特征

1.低功耗：采用低功耗设计，设备在广播或者连接间隔内进入低功耗状态，以减少系统功耗。适应于长时间工作的电池供电设备。在合理的设置下，使用单颗钮扣电池可以工作5年甚至是10年之久。

2.短距离通信：采用GFSK调制，适应于中短距离设备间的通信。市面上蓝牙设备所支持的发射功率一般在10dBm左右，部分芯片厂商提供有20dBm的产品，但是需要注意，根据ETSI EN 300 328，在自适应跳频（adaptive frequency hopping）不支持的情况下，所允许的最大发射功率仅为10dBm。

3.频率跳变：使用频率跳变的方式来避免干扰，蓝牙连接建立之后，主机和从机间会协商相应的channel map并在通讯过程中依次跳变，从而保证通信的可靠性。

4.高安全性：在无线通讯中，最为常见的安全风险有Passive eavesdropping，Active eavesdropping = Man in the Middle (MITM)，Privacy (tracking)，蓝牙定义了5种安全特性来防范以上安全风险。分别是，Pairing，Bonding，Device authentication，Encryption和Data signing。

5.多连接：支持主从一体、多设备连接，即一个设备可以同时作为主机和从机，同一设备可以同时连接多个其他设备，实现多设备之间的数据共享。

6.Mesh组网技术：基于低功耗蓝牙技术发展起来的蓝牙mesh技术支持设备组网，以有效拓宽蓝牙的通讯距离及应用场景。同时，蓝牙SIG还定义了完善的model来满足不同设备类型的组网需求。

多种无线通信 Common wireless communication

协议比较 Protocol comparison

● Wi-Fi

常见的无线局域网技术，可以实现大范围的无线网络覆盖。优点是通信速度快，数据传输稳定，适用于需要大量数据传输的场景，如办公室、家庭网络等。缺点是功耗较大，不适合用于小型设备，尤其是电池供电的设备。近几年，低功耗Wi-Fi技术逐渐兴起，在保持较高数据吞吐率的前提下，将功耗显著降低，以满足某一些需要高速数据传输的IoT应用，例如无线摄像头。

● OpenThread

基于IPv6协议的低功耗网络通信协议，支持多个设备之间的通信和自动组网。它的优点是可以通过路由器实现大范围网络覆盖，同时功耗较低，适合用于物联网设备之间的通信。OpenThread，IP网络和Wi-Fi作为Matter协议的底层传输协议，随着Matter协议的开发与发布，它在应用层将智能家居产品作了统一，极大简化了产品的开发，提升的产品的互操作性，可靠性和安全性。

● Zigbee

低功耗、短距离通信的协议，适用于物联网设备之间的通信。优点是功耗低、自组网、可靠性高，适用于需要长时间运行的设备，如传感器、智能家居产品等。其通信速度相对较慢，不适合用于高速数据传输的场景。

● Z-Wave

专门用于智能家居设备之间通信的协议，优点是通信距离长、可靠性高。通过Z-Wave协议，可以实现智能家居设备之间的通信和协同工作。

● BLE

一种低功耗、短距离通信的协议，适用于物联网设备之间的通信。优点是功耗低、支持多点连接，适合用于小型设备之间的数据传输，如智能手表、血糖仪等。在智能家居场景中，低功耗蓝牙技术，特别是蓝牙mesh网络有着极其广泛的应用。通过蓝牙mesh网络，可以将各种智能家居设备，例如，灯、开关、各种传感器设备等连接在一起，并相互通信，实现控制命令及状态数据的交互。

多种无线通信 Common wireless communication

组网功能Networking function

除了协议层存在差异，各种无线通讯协议在组网或应用层面的实现也有所不同。下面简要介绍各种协议在组网及智能家居等领域的应用情况。

Zigbee、Matter和Bluetooth Mesh等无线通信协议，可用于构建低功耗、低带宽、广范围的无线网络，它们都提供了组网和应用层的实现方式，以满足不同的应用需求。

Zigbee是一种基于IEEE 802.15.4标准的低功耗无线个人局域网（WPAN）协议，主要用于家庭自动化、工业控制、医疗保健等应用领域。组网方式包括星型、树型和网状型，其中网状型网络最为常用，可以实现多跳通信，具有较强的抗干扰性和可靠性。Zigbee的应用层使用了标准化的Zigbee Cluster Library（ZCL），并提供丰富的应用场景和服务，如灯光控制、电源管理、安防监控等。

Matter（原名CHIP）是一个智能家居通讯协议标准，由苹果，亚马逊，谷歌和CSA等共同推出，旨在实现不同品牌、不同技术的智能家居设备间的互操作性。Matter采用了IP网络和Thread网络作为底层通信协议，具有高度的灵活性和可扩展性。组网方式包括星型和网状型，可以实现多跳通信和容错机制。Matter的应用层基于互联网协议（IP）和开放连接性基础架构（OCI），提供了灯光、安全、能源管理等多个领域的应用服务。

Bluetooth Mesh是基于蓝牙低功耗（BLE）技术的无线网状网络协议，多应用于家庭自动化、商业照明、工业控制等领域，采用网状型网络组网方式，实现多跳通信和动态路由，具有高度的灵活性和可扩展性。应用层使用了标准化的Generic Attribute Profile（GATT）和Mesh Model，支持灯光控制、安全监控、室内导航等多种应用场景。

总的来说，无线通讯协议是物联网设备之间进行通信的基础，不同的协议有着不同的优点和适用场景。在实际应用中，需综合考虑包括通信距离、功耗、带宽、可靠性、安全性、互操作性等因素，在应用层面进行合理的组网和管理，来实现物联网应用的远程控制和智能化管理。

蓝牙标准的演进 Bluetooth standard evolution

和未来趋势 And future trends

自2010年所发布Bluetooth 4.0规范中首次引入低功耗蓝牙技术，之后的十多年间，蓝牙技术不断迭代，以适应和满足日益丰富的物联网应用需求。

● 蓝牙4.0至5.4各版本重要特征介绍

■ Bluetooth 4.0

Bluetooth 4.0规范于2010年发布，该规范引入了低功耗蓝牙技术，使得蓝牙的应用领域得到极大扩展，尤其是对于需要长时间运行并对能耗有着更高要求的设备。

■ Bluetooth 4.1

Bluetooth 4.1规范于2013年发布，加入多连接支持和数据传输机制优化，实现更快的连接速度和更高的稳定性。还引入隐私权模式（Privacy 1.2），有效提高设备安全性，防止设备被跟踪。

■ Bluetooth 4.2

Bluetooth 4.2规范于2014年发布，大大增加了蓝牙数据包的有效载荷，PDU最大可支持251 byte。同时，还增加了低功耗无线个域网IPv6（6LoWPAN）支持。此外，Bluetooth 4.2引入了低功耗蓝牙安全连接功能，提高了设备连接的安全性。

■ Bluetooth 5.0

Bluetooth 5.0规范于2016年发布，新增了2M/125K速度PHY的支持，传输速度提升一倍，通信范围理论上扩大到以前的四倍。同时，该规范中增加了扩展广播功能，允许设备发送更大的广播包，提高广播数据的传输效率。

■ Bluetooth 5.1

Bluetooth 5.1规范于2019年初发布，相比于前一个版本新增了AoA (Angle of Arrival) 和 AoD(Angle of Departure)支持，实现室内定位功能。同时，还新增了周期性广播，实现广播端与扫描端的时间同步，有效减小扫描端的系统功耗。

■ Bluetooth 5.2

同一年，SIG发布了Bluetooth 5.2规范，新增了LE Power Contrl功能，实现蓝牙连接过程中的动态功率控制，以进一步降低连接双方的系统功耗。作为低功耗蓝牙发展过程中最为重大的更新之一，Bluetooth 5.2引入了LE audio，开创了低功耗蓝牙音频应用的新领域。

■ Bluetooth 5.3

Bluetooth 5.3规范于2021年发布，加强了蓝牙通讯的抗干扰能力，提高了在复杂环境下的信号稳定性。在周期性广播中新增AdvDataInfo，有效识别重复数据，提高周期性广播效率并降低设备功耗。

■ Bluetooth 5.4

Bluetooth 5.4规范于2023年初发布，新增了加密广播数据支持，作为一种标准化的广播数据加密方法，可以选择对广播数据进行部分或全部加密。同时，还新增了带响应的周期性广播（PAwR）支持，以适应高容量、大量设备信息同步的场景，如零售电子货架标签（ESL）等应用。

● 蓝牙未来发展的趋势

随着蓝牙SIG成员不断开发创新特性，未来蓝牙技术的发展趋势朝着更高效、更智能的方法迈进。目前SIG正在开发中的新功能有以下几项：

■高频段低功耗蓝牙

蓝牙SIG目前正在进行一个规范开发项目，以定义低功耗蓝牙在除2.4GHz以外的未经授权频谱中的操作，包括6 GHz频段。新的频谱扩展将有助于确保蓝牙性能的持续增强，实现更高的数据吞吐量，更低的延迟，并为下一代蓝牙创新铺平道路。

■ 更高的数据吞吐率

LE 2M PHY于2016在蓝牙5.0中被引入，使低功耗蓝牙设备之间的数据速率比原来的LE 1M PHY提高了一倍。如今，越来越多的蓝牙连接设备正在寻求更高的性能，以支持流媒体等传输。为了满足不断增长的市场需求，蓝牙SIG计划支持高达8Mbps的数据速率，以满足更高效的数据传输性能需求，使设备间通信更为快捷高效。

■ 高精度距离测量

在蓝牙5.1规范中引入了AoA/AoD技术用于高精度方向测量，而设备间的距离测量，则还是多采用基于信号强度（RSSI）的测试方法。蓝牙SIG目前正在进行一个开发项目，以实现两个蓝牙设备之间的高精度距离测量，该功能有望提供更高的测距精度，使蓝牙定位系统更为精准高效。

■ 超低延迟HID设备

超低延迟（ULL）HID设备项目旨在使蓝牙游戏控制器的响应速度与使用USB有线或专有无线通信的控制器一样快。这一增强旨在提供高达1000hz的轮询速率，以用于改善对于延迟敏感设备的用户体验，例如用于增强、虚拟或混合现实(AR/VR/MR)场景的控制器和传感器。

华普微蓝牙 HOPERF BLE

解决方案 solution

华普微拥有专业且完备的蓝牙产品研发团队，专注于蓝牙芯片和模组的设计与量产。自主研发的蓝牙产品不仅拥有卓越的性能和稳定的连接性，更注重定制化服务，以满足不同客户，不同应用领域的特有需求。

● Bluetooth LE 芯片

■ CMT4531

CMT4531采用32位ARM Cortex-M0内核，最高工作主频为64MHz，片上集成有256KB Flash和48KB SRAM。芯片集成有先进的BLE 5.2射频收发器，符合BLE 5.2规范，可配置为标准的1Mbps BLE模式，2Mbps增强BLE模式，125kbps BLE长距离模式。可同时支持主从模式，支持多连接，支持蓝牙mesh组网。

芯片集成有丰富的外设单元，支持按键扫描，红外发射控制，高精度ADC，支持基本、通用、高级定时器，RTC，看门狗，LPUART，USART，SPI，I2C等外设。

CMT4531具有卓越的射频及系统功耗性能，其最大发射功率为+6dBm，在0dBm发射功率下，其功耗仅为4.2mA@3.3v，接收电流为3.8mA@3.3V。在休眠模式下，保持全部48KB RAM内容，其系统功耗仅为1.4uA。

■ CMT4502

CMT4502是一款低功耗蓝牙无线通信芯片，搭载32位ARM Cortex-M0 CPU，片上包含最大512KB Flash，138KB SRAM。CMT4502支持BLE 5.0高速数据传输，包括BLE 2Mbps和数据包长度扩展；支持蓝牙SIG-Mesh协议的Friend, LPN, Proxy, Relay等多种节点。其丰富的外围设备接口和集成应用程序将为客户带来成本优势。

CMT4502具有极低的系统功耗、优异的射频性能，其最大发射功率为+10dBm，在0dBm发射功率下，其功耗为6.7mA@3.3v。接收电流为6.7mA@3.3V。

● BLE模组

■ HM-BT4531

HM-BT4531是⼀款基于CMT4531低功耗蓝牙5.2芯片实现的⽆线数据透传模块，通过与设备MCU配合，可快速实现BLE从设备与⼿机、平板等BLE主设备的连接和数据通信，MCU资源占⽤低，开发简单。

HM-BT4531数据透传模块⽤户接⼝使⽤通⽤串⼝设计，全双⼯双向通讯，最低波特率⽀持9600bps。⽀持2M速率数据传输，⽀持丰富的AT指令集⽤于蓝牙设备名称修改，⼴播及连接参数修改，安全密码设置等功能。模组集成有PCB天线，具有优越的射频性能，其最⼤发射功率为+6dBm，在0dBm发射功率下，其功耗仅为4.2mA@3.3v，接收电流为3.8mA@3.3V。在休眠模式下，保持全部48kBRAM内容，其系统功耗性仅为1.4uA。在待机模式下，功耗仅为130nA。

模组通过完整的BQB/FCC/CE/IC/SRRC认证，符合ROHS/REACH/CA Prop 65标准要求。

■ HM-BT4502

HM-BT4502 / HM-BT4502A是一款基于CMT4502低功耗蓝牙5.0芯片实现的无线数据透传模块，通过与设备MCU配合，可快速实现BLE从设备与手机、平板等BLE主设备的连接和数据通信，MCU资源占用低，开发简单。

模块通过完整的BQB/FCC/CE/IC/SRRC认证，符合ROHS/REACH/CA Prop 65标准要求。

■ HM-BT220X

HM-BT2204是一款低功耗蓝牙 5.2 模块，采用32位ARM Cortex-M33 处理器内核，最高频率76.8MHz，内嵌2.4 GHz射频收发器，搭载集成PCB天线，支持无线数据透传功能，通过与外部MCU进行通信，可以快速实现BLE从设备与手机、平板等BLE主设备的无线连接和数据通信，外部MCU的资源占用低，开发过程简单。

HM-BT220X模组拥有卓越的射频性能，其最大发射功率为+8dBm，接收灵敏度为-98.9dBm。同时，经过优化的芯片及模组设计，使得其具有优异的功耗表现。其休眠电流为1.4uA，0dBm发射功率仅为4.2mA，接收模式下功耗为3.6mA。

模块通过完整的BQB/FCC/CE/IC/SRRC认证，符合ROHS/REACH/CA Prop 65标准要求。

■ HM-BT210X

HM-BT210X模块是实现IoT设备上低功耗蓝牙连接的理想之选，该模组采用ARM Cortex-M33 32位处理器内核，最高频率80MHz，内嵌高性能2.4 GHz射频电路，旨在为 IoT 连接应用提供行业领先的解决方案。HM-BT210X模块搭载PCB天线及可外接天线接口，支持无线数据透传功能，可以支持同时最多32个连接，非常适用于星型组网模式下的多节点数据采集。同时，模块支持蓝牙SIG-Mesh协议的所有节点类型。

HM-BT210X模组最大发射功率可达+20dBm，作为业界少有的单芯片高发射功率模组方案，其卓越的射频性能极大拓展了蓝牙的通信距离，非常适应于复杂电磁环境下或者超远距离的蓝牙数据采集。

审核编辑 黄宇