深入理解网格网络 蓝牙5特性介绍

去年12月蓝牙技术联盟（Bluetooth Special Interest Group）发布了2822页的蓝牙5技术标准，很明显蓝牙技术联盟的目的是让蓝牙5更加符合物联网应用的需求。然而尽管网格网络对于工业系统到预警系统以及家居自动化等物联网应用不可缺少的重要部分，但是当时网格网络支持并没有在规范中出现。想弄明白为什么网格网络如此的重要，我们不妨先了解蓝牙5所提供的其他一些改进——更宽的范围、更快的数据传输、与现有技术保持共存。

深入理解网格网络

蓝牙采用的是星型拓扑结构（如图1a），所有设备都连接到中心节点。因为每个设备不能充当为一个节点，那么扩展网络的唯一方式就是将更多的设备连接到中心节点上。这种方式能够采用有线网络方式实现（当然要用到很多网线），但是无线星型拓扑网络的可扩展性则是非常有限的，最大传输距离是由最远的连接设备所决定的。一个更好的解决方案就是网格网路（如图1b），所有设备之间都能够互相通信，这就使得网络的大小和覆盖的范围变得几乎无限大。

 

  图1：星型（a）拓扑结构具有局限性，网格类型（b）则可以不断扩展

蓝牙技术不支持网格网络是一个非常严重的缺点，物联网（IoT）的发展已经从原型进化到实际的系统。例如，在生产车间可能有成百上千个无线传感器，它们之间也需要共享信息，通过有线或者无线的方式与外面的世界和互联网进行通信，但是蓝牙却不支持这些。

实际上，蓝牙对于网格网络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）公司收购，设计了多种方式让低功耗蓝牙设备之间形成一个网格网络，尽管蓝牙标准中并不包含网格网络特性。包括Nordic半导体在内的很多公司与蓝牙技术联盟展开合作，推进蓝牙5具备网格网络的能力。

既然网格网络会在蓝牙5进行标准化，那我们可以想到仅凭这一个因素就能让这项技术成为各种物联网（IoT）应用的选择。与其他技术不一样的是蓝牙主要集成到智能手机、平板电脑和笔记本电脑中，所以蓝牙5网络可以通过app进行可重配置，用户可以在设备旁边也可以在千里之外。这大大降低了蓝牙5网络控制的成本和复杂度。对于物联网系统这真是太棒了。

网格网络有力的支持了蓝牙5的一些新的特性，比如扩展了使用范围，蓝牙5理论的最大传输距离是200米，是蓝牙4.0的两倍。为了扩大范围蓝牙5提高了最大输出功率从10dBm（10mW）到20dBm（100mW）。

使用范围，速度和共存性的作用

范围的扩大对于任何通信类应用都是期望的，对于家居自动化则尤其的重要。蓝牙5更广的范围和网格网络拓扑能够非常好的支持这类应用，能够让更大空间房屋内的设备实现互连通信，甚至支持位于两个建筑之间的设备进行通信。这在以前是很难想象的，其他技术如WiFi和Zigbee才因此具有一定的优势。

扩大了覆盖范围以及增加了网格网络拓扑也会对蓝牙的Beacon（广播捕获）功能带来一些影响，虽然自2013年推出以来并没有获得广泛应用，但是这是事实，尽管Beacon技术的很多属性对于很多应用都很有帮助。

Beacon技术定义

从基础层面来将，beaconing技术是在短距离范围内发送很短的信息并且跟踪蓝牙设备，不需要beacon与设备之间进行配对。唯一的要求就是这个设备一般是苹果或者安卓智能手机、平板电脑事先已经安装了beacon专用app。零售行业目前是beacon技术采用的主要用户，因此下文我们以这个为例进行介绍。

在大型购物商场中，商家会在店内不同位置安装beacon设备，比如商店入口、柜台前和收银柜台等（如图2所示）。一般这些设备都非常小（尺寸1x5x0.75英寸），在固定的间隔内广播信号，每个信号都会包含一些数据。因为数据量非常小，RF输出功率也就非常低，功耗也大大降低了，一个小的纽扣电池就能够保持beacon设备工作数年之久。而且这些设备价格也不贵，零售商能够在很多位置安装这些设备。

当顾客进入到店内就会收到beacon设备发出的一个通知，会弹出显示一个URL网址或者其他信息。一般是优惠券、老顾客回馈或者其他一些形式的推广。顾客会查看通知，进入某个零售店的网址，这样顾客会看到更多的商品信息。

 

  图2：传统零售行业采用beacon技术的场景是beacon设备可以放置在任何位置，能够跟踪顾客的去向

零售商和其它机构如博物馆可以向用户发送通知，从链接到内容丰富的网站，我们很容易想到这给商家带来的重大价值。当着beacon技术也可以用来进行定位和导航，跟踪任何东西（包括人），自动注册交易会参加者以及扩展其他很多应用。因为beacon技术只是发射短信息数据包，不会收集用户的私人信息，因此不存在安全问题。

Beacon技术的作用还主要依赖零售商或者其他机构选择向用户发送的信息，例如零售商能够确定顾客对哪些产品有更大的兴趣，顾客会在商店内哪些位置停留以及他们是否会买哪些商品（如图3所示）。

 

  图3：beacon设备向智能手机上的app发送通知，如果用户查看通知会向服务器发送反馈，进而给用户发送网站链接查看更多的产品信息。

然而有一些遗憾的是在蓝牙4标准中，允许发送的最大数据长度是31字节，因此数据太短不能涵盖大多数URL的全部信息或者发送的文本信息也不能传达什么有用的信息。蓝牙5解决了这个问题，将最大数据长度增加到255字节，因此我们可以发送更多数据信息。蓝牙5同时也具备更快的数据传输速率，这不仅给beaconing技术带来好处，同时也大大方便了其他应用。

更快的数据传输

蓝牙5提升了最大数据传输速率，从蓝牙4.0的1Mb/s提升到2Mb/s。尽管提升的幅度不是很大，但是这样已经能够在更短的时间内发送更多的数据信息了。速率提升的一大驱动者就是来自物联网（IoT）这样的应用，它们需要即时的双向通信，例如在医疗上需要控制机器人手术设备，生产车间内需要控制一些大型机器。同时也能够让物联网（IoT）设备存储一定量的数据，然后在几秒钟内发送出去。这样会降低物联网（IoT）设备的功耗，对于保持电池的寿命是很重要的。

蓝牙5带来速度上提升对于物联网（IoT）的另一个好处是能够更快更频繁的对传感器进行更新，这对于确保系统网络中的每个设备都具备最新的安全特性和最新的系统固件非常重要。尤其安全问题尤其受到人们关注，因为有些不法之徒已经找到如何破解物联网设备和网络的方法，而且物联网设备的增加他们的破坏活动也会不断增加，因此即使的系统更新会有效的防御各种破坏活动。

与其他技术共存

除了之前我们讨论过的，蓝牙5还有一些其他提升特性也给它带来了强大的功能，其中最重要的一个就是在2.4GHz工业科学与医疗（ISM）频带上与其他技术保持良好的共存特性。

在蓝牙支持的频率范围内不仅仅只有这一项技术，只有通过特性集成以及有效的其他技术区分开来例如Wi-Fi，它们才不会在同一频带运行的同时产生互相干扰。举个例子，在蓝牙5规范制定和开发的过程中，蓝牙技术联盟（SIG）就考虑到在很多地方，包括物联网（IoT）使用的领域，蓝牙也不仅仅是唯一的一项技术。

为了确保在这些情况下保持最小的影响，因此在标准的制定上有很多约束，例如避免占用Wi-Fi使用的通道，同时增加了“slot availability masks”特性，能够检测和自动阻止蜂窝网络带来的干扰。现在蜂窝网络正在不断的扩张，它们使用的频率与蓝牙的非常接近，因此有效的避免干扰显得尤为重要。

当然并不是只用蓝牙技术联盟（SIG）一家机构意识到在很多情况下不仅只有一种连接解决方案可以采用，芯片供应商也意识到这个问题，因此它们会在设计SoC器件时集成更多的互连协议。

简化解决方案

尽管很多系统只采用一种互连解决方案，但是也有应用采用多种方案。从设计者的角度来看，这可能需要不同的SoC器件，大大增加了系统成本以及复杂度，而且会增加产品面市的时间。当然如果由芯片供应商来解决这个问题则会方便很多，比如让更多的SoC器件集成多种通信协议。

第一家这样做的芯片厂商是Nordic半导体公司，在去年12月份推出了nRF52840 SoC器件以及相关开发套件原型（如图4所示），之后不久推出了正式完整的套件产品。提供了蓝牙5开发的单板开发工具，并且这款低功耗处理器集成了ANT无线传输协议（IEEE 802.15.4m 低功耗无线网络标准），适用于2.4GHz无线应用开发。

 

  图4：Nordic半导体公司推出的nRF52840 SoC开发板卡，单板解决方案提升了产品开发进度，支持蓝牙5、IEEE 802.15.4m以及专用的互连标准。

Arduino Uno 3兼容nRF52840 SoC器件，它集成了64MHz、32位ARM Cortex M4F处理器，全新的无线电架构设计、RF功率放大器、1Mbyte flash存储、256Kbytes RAM、USB2.0接口一起其他特性。采用5V直流（DC）供电，与ARM CryptoCell-310密码加速器共同解决系统安全防御问题。

另一个例子是Skyworks公司推出的解决方案SKY66112-11前端模块（如图5所示），支持蓝牙5.0技术、多线程、ZigBee，输出5倍以上的RF发射功率（100mW，+20dBm），这解决了更大规模功放类应用的需求，并且提升了接收敏感度7dB，是接收频率范围的2倍以上。

 

  图5：Skyworks公司推出的SKY66112-11前端模块，兼容蓝牙5.0技术

TI（德州仪器）公司的CC26XX SimpleLink无线微控制器也是为多个通信协议标准而设计的，它集成了蓝牙、ZigBee和6loWPAN标准。该系列器件采用ARM Cortex-M3处理器、超大的存储空间以及控制器，与外围的传感器连接，能够自动收集收据同时还能够让系统复位进入休眠状态。它的功耗非常低，集成了广泛的功能和接口，支持AES-128加密机制。

总结

本篇文章介绍的关于蓝牙5特性的一些主要方面，当然还有很多其他微小的调整和提升，集成的这么多特性让蓝牙5.0成为更低功耗的蓝牙技术，在物联网（IoT）系统应用中相比其他技术标准具有明显的竞争力。网格（mesh）网络带来的好处是广泛的，这使得该标准第一次支持在更小的范围内搭建个人网络。然而更多的优势包括提升了beacon技术支持、更高的数据传输速率、每次传输更大的数据长度以及其它方面的提升，同时又具有更低的系统功耗、更低的系统实现成本、更大市场潜力，因此蓝牙5.0在未来几年的发展中将保持更强的竞争力。