低功耗藍牙（也稱為 BLE）于 2010 年推出，開創(chuàng)了連接的新時代，尤其是在智能設(shè)備和智能手機之間。BLE低功耗藍牙是一種新的無線協(xié)議，與傳統(tǒng)藍牙共享一些功能。BLE低功耗藍牙采用了藍牙開創(chuàng)的一些相同概念，例如簡單的連接和快速的數(shù)據(jù)傳輸，但經(jīng)過簡化，以實現(xiàn)低功耗、可靠和快速的設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸。
本文旨在介紹您在開發(fā)或設(shè)計藍牙模塊產(chǎn)品時需要了解的許多BLE低功耗藍牙基礎(chǔ)知識。在討論BLE低功耗藍牙之前，需要注意一下它的命名：Bluetooth Smart 是 Bluetooth Low Energy 最初的營銷名稱。Bluetooth Smart 的名稱和標志并沒有流行起來——包括我們在內(nèi)的大多數(shù)人都將其稱為 Bluetooth Low Energy 或 BLE。從營銷角度來看，這也令人困惑——有沒有不智能的藍牙？更令人困惑的是，還存在通常被稱為“雙模式”的“智能就緒”設(shè)備，這意味著它們同時支持 Bluetooth Low Energy 和 Bluetooth Classic（例如，用于用手機撥打電話）。雖然通常稱為 BLE，但藍牙 SIG 不鼓勵使用此名稱，因為 BLE 不是他們擁有的商標。因此，正式名稱為藍牙 LE 才是正確稱呼。
藍牙協(xié)議是無線通信中最常見的無線通信協(xié)議之一，十多年來藍牙技術(shù)一直應(yīng)用于智能手機、電腦和其他設(shè)備。我們大多數(shù)人都熟悉藍牙，也熟悉藍牙如何讓我們連接耳機并使用手機撥打電話。藍牙設(shè)備和新用例的爆炸式增長使藍牙 SIG 和其他公司意識到藍牙在某些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中耗電量過多，連接時間過長。例如，使用藍牙的鑰匙鏈查找器運行時間不會太長，連接時間可能很長，這讓用戶很失望。
從 iPhone 4s 開始，Apple 就開始在其設(shè)備中支持 BLE，這為大量小型電池供電設(shè)備開辟了道路。在 BLE低功耗藍牙出現(xiàn)之前，使用傳統(tǒng)藍牙對用戶和開發(fā)人員來說可能很麻煩。傳統(tǒng)藍牙很復(fù)雜，耗電量很大，而且在 iPhone 上需要身份驗證芯片，這很昂貴，導(dǎo)致這些產(chǎn)品過于昂貴。對于傳輸數(shù)據(jù)，Apple 設(shè)備無需此要求即可支持 BLE，因此成本較低。BLE低功耗藍牙技術(shù)最強大的方面之一是它的可擴展性，以及它如何允許任何有想法并需要交換信息的開發(fā)人員這樣做，而不是傳統(tǒng)藍牙的僵化結(jié)構(gòu)。
藍牙和 BLE 是可以簡化產(chǎn)品連接的出色協(xié)議。但是，了解它們與其他無線技術(shù)相比的地位很重要。WiFi協(xié)議、Zigbee協(xié)議和其他協(xié)議在某些應(yīng)用中表現(xiàn)更好，而 BLE低功耗藍牙模組并不總是適用所有物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景。下面，我們來看看 BLE低功耗藍牙協(xié)議與zigbee協(xié)議和WiFi協(xié)議的一些區(qū)別：
Zigbee模組、WiFi模組和BLE藍牙模組都使用2.4GHz ISM 頻段，但它們的功能差異很大。雖然 BLE 無線電是一種短距離設(shè)備，消耗的電量低于 Zigbee模塊和WiFi模塊，但它在藍牙 5.0 規(guī)范中得到了發(fā)展，允許高達 20dBm 的輸出功率以及 BLE 長距離。這意味著它的范圍很廣。事實上，我們已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)超過 1 公里的實際距離。在選擇電池時，BLE 較低的峰值電流消耗至關(guān)重要。峰值 TX 電流高達 200mA 或更高的 WiFi 絕對不可能依靠紐扣電池運行。然而，BLE 無線電是專為紐扣電池操作而設(shè)計的。
BLE低功耗藍牙引入了一種全新的無線電，其調(diào)制方式與藍牙經(jīng)典的 1Mbps 類似，但有所不同。讓我們深入了解 BLE 物理層。物理層指的是無線電本身：
BLE低功耗藍牙使用與傳統(tǒng)藍牙和 Wi-Fi 相同的 2.4GHz ISM 頻段，因為它是“未經(jīng)授權(quán)”的，無需 FCC 許可即可使用，并且在全球范圍內(nèi)均可使用。該頻段從 2400MHz 開始，一直持續(xù)到 2483.5MHz。藍牙 LE 規(guī)范將頻段劃分為 40 個 1MHz 間隔 2MHz 的通道。這是傳統(tǒng)藍牙通道的一半，但它有助于簡化一些無線電設(shè)計。3 其中的通道稱為“廣播”，僅供設(shè)備用于發(fā)送信標數(shù)據(jù)包（稱為廣播數(shù)據(jù)包）。這些數(shù)據(jù)包包含允許其他設(shè)備連接的信息，但也可以提供有關(guān)設(shè)備的信息。
為了避免 Wi-Fi信號和其他來源的無線電干擾，廣播頻道被專門放置在頻段的下部、上部和中部。例如，Wi-Fi模組可以占用 20MHz 到 40MHz 的帶寬。通過分散廣播頻道，Wi-Fi基站不太可能干擾所有頻道。例如，如果頻道 38 及其周圍頻道受到干擾，那么還有另外 2 個廣播頻道 37 和 39 不會受到影響。
BLE藍牙無線電使用 1Mbps 或 2Mbps 的調(diào)制方案進行傳輸，適用于支持藍牙5.0協(xié)議的無線電。大多數(shù)（如果不是所有）可用的無線電都兼容 5.0，但有些較舊的設(shè)備不兼容。2Mbps PHY（物理層）允許更快的數(shù)據(jù)傳輸，但通常以范圍為代價。藍牙 5.0 還引入了 CODED phys。使用編碼 PHY 的傳輸使用 1Mbps 調(diào)制，但它們使用位來實現(xiàn)冗余（在無線術(shù)語中稱為編碼）。這允許糾錯，從而有效地改善噪聲信號。
有一件事通常沒有解釋，那就是一些權(quán)衡。1Mbps 是大多數(shù)廣播使用的標準調(diào)制。使用 2Mbps 需要無線電進行協(xié)商。為了使其工作，連接的兩端都需要支持藍牙 5.0。2Mbps PHY 是藍牙 5.0 支持的必需條件，但藍牙長距離支持是可選的。智能手機支持 2Mbps PHY，但我們還沒有看到一款支持 LE 長距離。部分原因是長距離通常是工業(yè)要求。
藍牙5.0協(xié)議還支持高達 +20dBm 的輸出功率，這是您可以達到的最大極限。以前，+10dBm發(fā)射功率是極限，但大多數(shù) BLE 無線電支持高達 4dBm 左右，只有少數(shù)例外。如此高的輸出功率使 BLE 能夠覆蓋非常遠的范圍。BLE 在速度和輸出功率方面的靈活性允許優(yōu)化應(yīng)用設(shè)計，并使 BLE 具有強大的功能以適應(yīng)許多用例。
要構(gòu)建 BLE低功耗藍牙產(chǎn)品，無需了解更多有關(guān)物理層的知識，但需要了解一些有關(guān)RF射頻的知識。與所有無線發(fā)射器一樣，BLE藍牙設(shè)備發(fā)送和接收射頻信號，這需要天線和精心設(shè)計的RF設(shè)計。天線設(shè)計是一個復(fù)雜的話題，但實際上可以使用任何 2.4GHz 天線。PCB天線和貼片天線是最常見的天線之一。
產(chǎn)品1：E104-BT52X BLE5.0協(xié)議藍牙模塊：http://twohalves.cn/product/1940.html
芯片方案：DA14531
工作頻率：2.402~2.480GHz
藍牙協(xié)議：BLE5.0協(xié)議
通信距離：130m
產(chǎn)品尺寸：10*10mm
產(chǎn)品重量：0.4±0.1g
產(chǎn)品簡介：E104-BT52X是一款基于藍牙協(xié)議5.0版本的串口轉(zhuǎn)BLE藍牙主從一體模塊，體積小、功耗低，工作在2.4GHz頻段。模塊可廣泛應(yīng)用于智能穿戴、家庭自動化、家庭安防、個人保健、智能家電、配飾與遙控器、汽車、照明、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能數(shù)據(jù)采集、智能控制等領(lǐng)域。
產(chǎn)品2：E104-BT53C3 車規(guī)級耐高溫藍牙模塊：http://twohalves.cn/product/2037.html
工作頻率：2402~2480MHz
藍牙協(xié)議：BLE5.2協(xié)議
通信距離：170m
產(chǎn)品尺寸：23*16mm
產(chǎn)品重量：1.3g±0.1g
產(chǎn)品簡介：E104-BT53C3是一款基于BLE5.2協(xié)議的串口轉(zhuǎn)藍牙模塊，具有耐高溫、體積小、功耗低、傳輸距離遠、抗干擾能力強等特點，工作在2.4GHz頻段。藍牙模塊是基于Silicon Labs的EFR32BG22C224F512IM40-C芯片研發(fā)的車規(guī)級藍牙模塊，可在-40~+125℃環(huán)境中長時間使用，該藍牙模塊使用通用的AT指令，操作簡單快捷。藍牙模塊可廣泛應(yīng)用于智能穿戴、家庭自動化、家庭安防、個人保健、智能家電、配飾與遙控器、汽車、照明、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能數(shù)據(jù)采集、智能控制等領(lǐng)域。
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