无线连接技术：蓝牙4.0BLE的应用

可穿戴产品的便携性、小型化、贴身化决定了其发展初期只能作为手机等主控设备的附属，与主控设备的连接成为其必备功能。无线连接技术即解决这一基本需求，提供必需的连接和数据通信能力。

对于不同类型的可穿戴产品，使用场景不同，所选用的无线连接技术不尽相同，如表8-10所示。

表8-10　不同可穿戴产品常用的无线连接技术

（一）蓝牙4.0BLE（Bluetooth Low Energy）

蓝牙4.0BLE的前身是诺基亚（NOKIA）开发的Wibree技术。作为一项专为移动设备开发的极低功耗的移动无线通信技术，它在被SIG接纳并规范化之后重新命名为“Bluetooth Low Energy”（BLE，低功耗蓝牙）。它易于与其他蓝牙技术整合，既可补足蓝牙技术在无线个人区域网络（PAN）中的应用，也能加强该技术为小型设备提供无线连接的能力。蓝牙4.0如图8-15所示。

图8-15　蓝牙4.0

低功耗蓝牙提供了持久的无线连接，并且有效扩大了相关应用产品的射程。在各种传感器和终端设备上采集到的信息被通过低功耗蓝牙采集到计算机、手机等具备计算和处理能力的主机设备中，再通过传统无线网络应用与相应的Web服务关联。

低功耗蓝牙与经典蓝牙技术相比，降低功耗主要是通过减少待机功耗、实现高速连接和降低峰值功率三条途径。

（1）减少待机功耗。

①降低广播频道。传统蓝牙技术采用16 ～ 32个频道进行广播，导致待机功耗大。而低功耗蓝牙仅使用3个广播通道，且每次广播时射频开启时间也由传统的4 ～ 5 ms减少到0.6 ～ 1.2 ms。这两个协议规范上的改变显然大大降低了因为广播数据导致的待机功耗。

②深度睡眠状态。低功耗蓝牙用深度睡眠状态来替换传统蓝牙的空闲状态。在深度睡眠状态下，主机长时间处于超低的负载循环（Duty Cycle）状态，只在需要运作时由控制器来启动；在深度睡眠状态下，数据发送间隔时间也增加到0.5 ～ 4 s，传感器类应用程序发送的数据量较平常要少很多，而且所有连接均采用先进的嗅探性次额定（Sniff Suhrating，由蓝牙设备约定数据交互的间隔时间）功能模式，而非传统的每秒数次的数据交互，可大幅减少功耗。

（2）实现高速连接。

①蓝牙设备和主机设备的连接步骤：第一步，通过扫描，试图发现新设备；第二步，确认发现的设备没有连接软件，也没有处于锁定状况；第三步，发送IP地址；第四步，收到并解读待配对设备发送过来的数据；第五步，建立并保存连接。传统蓝牙的连接耗时较长，相应功耗较高。

②改善连接机制，大幅缩短连接时间。传统蓝牙协议规定，若某一蓝牙设备正在进行广播，则它不会响应当前正在进行的设备扫描；而低功耗蓝牙协议规范允许正在进行广播的设备连接到正在扫描的设备上，有效避免了重复扫描。低功耗蓝牙下的设备连接建立过程已可控制在3 ms内完成，同时可以通过应用程序迅速启动连接器，并以数毫秒的传输速度完成经认可的数据传递后立即关闭连接；而传统蓝牙协议下，即使只是建立链路层连接都需要花费100 ms，建立L2CAP（逻辑链路控制和适配协议）层的连接时间则更长。

③优化拓扑结构。使用32位存取地址，能够让数十亿个设备被同时连接。此技术不但将传统蓝牙一对一的连接优化，同时借助星状拓扑来完成一对多连接。在连接和断线切换迅速的应用场景下，数据能够在网状拓扑之间移动，有效降低了连接的复杂性，减少了连接建立时间。

（3）降低峰值功率。

①严格定义数据包长度。低功耗蓝牙对数据包长度进行了更加严格的定义，支持超短（8 ～ 27 Byte）数据封包，并使用随机射频参数，增加高斯频移键控（Gauss Frequency Shift Keying，GFSK）调制索引，最大限度地降低了数据收发的复杂性。

②增加调变指数。采用24位的循环冗余检查（CRC），以确保封包在受干扰时具有更强的稳定性。

③增加覆盖范围。低功耗蓝牙的射程增加至100 m以上。

（二）Wi-Fi（802.11a/b/g/n/ac）

Wi-Fi（Wireless-Fidelity）是一种可以将个人计算机、手持设备（如平板电脑、手机、可穿戴设备）等终端以无线方式互相连接的技术，是当今使用最广泛的一种无线网络传输技术，如图8-16所示。

802.11n基于多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）空中接口技术，使用多个接收机和发射机，可以在同一频道同时传输两组或两组以上的数据流。与前代技术相比，802.11n的覆盖范围扩大2倍，性能增加5倍，改变了Wi-Fi配置和使用的方式，支持更大的海量数据应用，包括视频。从性能指标上看，802.11n是目前主流的Wi-F1技术。

图8-16　Wi-Fi

在现有技术标准的基础上，业界针对可穿戴及物联网（IoT）的低功耗需求，纷纷推出低功耗Wi-Fi解决方案，通过集成可编程MCU及适应时穿戴产品的工作模式（睡眠和唤醒模式、降低待机和传输功耗）改进来降低功耗。TI已开发出商用的低功耗Wi-Fi方案CC3100和CC32000。

（三）GPS（GNSS）

传统的GPS借助卫星信号，提供可穿戴设备的位置信息（进而提供设备佩戴者的位置信息）。最早由美国的全球定位系统（GPS）卫星提供民用的卫星定位信号，现在全球卫星定位系统（GNSS）已包括美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）、中国的北斗卫星导航系统等多个卫星定位导航系统。可穿戴产品的导航应用、安全（防丢）应用等多种与位置相关的应用场景需要GPS技术的支持，GPS如图8-17所示。

图8-17　GPS

为适应可穿戴低功耗的要求，低功耗GPS方案也应运而生，目前主要通过GNSS+MCU方案来实现。博通BCM4771，4773即针对可穿戴市场开发的低功耗GPS方案，其具有以下优点。

（1）提升速度，提高精度。

①博通在全球范围内架设基站，可以提供未来七天的星历资料，在定位过程中提升速度，提高精准度；提供离线LTO（Long Term Orbits，长效星历）的功能，可以减少寻找卫星及位置计算的时间，仅用三四秒就能定位，而不具备LTO功能的芯片则需要1min或更长时间。

②另外，博通与MEMS传感器厂商合作，整合GPS芯片的驱动和MEMS传感器的驱动，可以借助传感器的功能做到更准确的定位。当用户在快跑、慢跑、碰到树荫时，会造成信号接收不好、位置偏移、没有位置信息等问题，可以借助传感器以及GPS的计算来找出用户的当前位置，使得定位更加准确，避免上述问题。

（2）降低功耗。

①Batching，即在特定的应用情境里，可穿戴设备的GPS模块不需要每秒都向AP/MCU报告自己的位置，而是通过累积一定数量的位置信息后一并汇报，可以储存高达1000个位置信息，以10 ～ 20 mm的时间频率向AP/MCU汇报一次，从而达到省电的效果。

②Geofence，即电子围墙，设定一定的区域范围，从对象走出该范围起，开始进行每秒定位，而在该范围之内，就以10 min或者更久的时间频率报告一次位置。这也能节省不必要的功耗。

（四）NFC

近场通信（Near Field Communication，NFC）如图8-18所示，由非接触式射频识别（RFID）演变而来，是一种短距高频的无线电技术，在13.56 MHz频率运行于20 cm距离内。其传输速度有106 Kbit/s、212Kbit/s或者424Kbit/s三种。NFC的工作模式分为卡模式和点对点模式两种。

图8-18　NFC

（1）卡模式（Card Emulation Mode）：这个模式其实就相当于一张采用RFID技术的IC卡。它可以替代大量的IC卡（包括信用卡）使用的场合，如商场刷卡、公交卡、门禁管制、车票、门票等。在此方式下，卡片通过非接触读卡器的RF域来供电，即使寄主设备（如手机、手表等）没电也可以工作。(www.xing528.com)

（2）点对点模式（P2PMode）：这个模式与红外线差不多，可用于数据交换，只是传输距离较短，传输创建速度较快，传输速度也快，功耗低（蓝牙也类似）。将两个具备NFC功能的设备连接，能实现数据点对点传输，如下载音乐、交换图片或者同步设备地址簿等。

NFC技术可以应用于“被动式”可穿戴产品，如戒指、名片等。这些产品因为自身没有电源，所以芯片可以做到非常小，且稳定性和可靠性都很高，只是不能够主动去采集信息，而只能实现在手机等读取设备靠近时，提供自身已经存储的ID信息，以及完成和手机之间进行的少量数据交换过程。多个NFC设备靠近时，可以互相传递信息和数据。

移动支付被认为是NFC最为人熟知的一个应用。单就使用情景来看，智能手表与NFC的结合更为合理，相比于手机，以手表作为载体完成非接触式信息传输更为直接和便捷。至少简化了将手机从口袋中拿出来的步骤，这与未来科技解放双手的趋势是一致的。

除传统的主力厂商恩智浦半导体（NXPSemiconductors）公司外，博通（Broadcom）、英飞凌科技公司等也积极介入NFC领域，推出高度集成的低功耗NFC解决方案，推动NFC在手机及可穿戴产品中的普及。

（五）ZigBee

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，是一种短距离、低功耗的无线通信技术，如图8-19所示。其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本等。它主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

（1）低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6 ～ 24个月，甚至更长，这是ZigBee的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周，Wi-Fi可工作数小时。

图8-19　ZigBee

（2）低成本。ZigBee通过大幅简化协议（不到蓝牙协议的1/10），降低了对通信控制器的要求；而且ZigBee免协议专利费，可以降低芯片价格。

（3）低速率。ZigBee工作在20 ～ 250 kbps的速率，分别提供250 kbps（2.4 GHz）、40 kbps（915 MHz）和20 kbps（868 MHz）的原始数据吞吐率，可满足低速率传输数据的应用需求。

（4）近距离。传输范围一般介于10 ～ 100 m，在增加发射功率后，也可增加到1 ～ 3 km。这是指相邻节点之间的距离。如果通过路由和节点之间通信的接力，传输距离将可以更远。

（5）短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15 ms，节点连接进入网络只需30 ms，进一步节省了电能：相比较，蓝牙需要3 ～ 10 s，Wi-Fi需要3 s。

（6）高容量。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，一个主节点最多可管理254个子节点；同时，主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65 000个节点的大网。

（7）高安全。ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用访问控制清单（Access Control List，ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES128）的对称密码，以灵活确定其安全属性。

（8）免执照频段。使用工业科学医疗（ISM）频段，915 MHz（美国）、868 MHz（欧洲）、2.4 GHz（全球）。

受限于其低速率（250 kbPs），而且这只是链路上的速率，除掉信道竞争应答和重传等消耗，真正能被应用所利用的速率可能不足100 kb/s，不适合视频等应用，也不适合大数据量传输，因此Zigbee在手机上应用较少，适合可穿戴设备、智能家居、物联网（IoT）、工业控制等低速数据传输应用场景。

（六）红外线

红外数据传输（Infrared Data，IrDa）是指利用红外线方式实现设备之间的数据传输。相比较蓝牙、Wi-Fi、NFC等热门技术，红外连接近年来在手机上使用较少。在可穿戴设备中，搭载红外线（IR）传感器，用来测量血氧饱和度。

（七）ANT+

ANT是加拿大Dynastream Innovations公司的自主低功耗近距离无线通信技术，已被广泛应用于运动设备、医疗领域。TI，Nordic是主要的ANT芯片方案供应商。

ANT+是在ANT传输协议上的超低功耗版本，是为健康、训练和运动专门开发的，如图8-20所示。由于应用领域相对专业，它在消费电子及可穿戴产品中缺少相应的支撑，即支持ANT+的智能手机太少，限制了可穿戴产品采用此项技术。从技术角度来看，ANT+与BLE各有千秋。

图8-20　ANT+

相似点：ANT+与BLE均采用2.4GHz频段，均采用GFSK调变，传输率均约1 Mbps，传输距离均约50 m，均支援对等点对点（Peer-to-Peer）以及放射星状（Star）的连接形态（Topology）。

ANT+仍有其优势。

（1）低功耗。ANT+在初始扫描网络状态较有效率，每次连线的传输较少，实际资料传量较大，具体而言比BLE节省25% ～ 50%用电。

（2）网络连接形态。ANT+除对等点对点（P2P）、放射星状（Star）外，还支援树状（Tree）与随意网状（Mesh）连接形态。

（3）多点连接。BLE的整个网络内只能有一个Master节点。其余节点均为Slave；而ANT+允许一个网络内有多个Master节点，其做法是以无线通信的通道为区别，允许一个通道内有一个Master节点，但一个节点可以同时使用多个通道，如在A通道上节点扮演Master角色，但在B通道上则扮演Slave角色。相对地，BLE以节点为认定，该节点为Master，就不允许同一个网络还有其他Master。若同一网络内有两个Master节点则会有时序冲突；且Master就是Master，角色不能变换。

（4）传输带宽。ANT+的传输通道仅需要1 MHz频宽；BLE则需要2 MHz。

（5）软件优势。以Android而言，ANT+允许同时多个应用程式存取同一个ANT+侦测，如一个心跳侦测资讯可同时提供给多个Android应用程式取用。且ANT+的API独立维护更新（以Plug-in外挂程式方式运作），任何版本的Android均可支援ANT+，但BTSmart必须是Android4.3版后才能支援。

BLE的安全性更佳、生态优势明显。

（1）在传输加密方面，ANT+仅有64位元金钥加密，BLE则是128位元AES演算加密。若有敏感信息需要传递，BLE较为安全。

（2）生态优势。智能手机几乎标配蓝牙，很少有机型支持ANT+（仅三星、索尼等少数几款支持，智能手机缺少ANT+兼容性）；而多数可穿戴产品依赖于智能手机实现各种应用，因此，BLE的生态优势明显。这也是现今可穿戴产品首选BLE作为低功耗无线连接技术的重要原因。

（八）几种无线连接技术的对比

从技术本身和应用场景来看，蓝牙BLE，Wi-Fi，GPS，NFC，红外，ZigBee，ANT+各有优势以及自身的应用场景。Wi-Fi和GPS的应用相对独立；NFC的安全机制在移动支付领域有绝对优势；其他无线连接技术都涉及组网和近距离传输，具有一定的互相替代性。具体选用何种无线连接技术，依赖于对可穿戴产品的定位、应用场景、成本、技术方案等的综合考量。其中几种无线连接技术的对比如表8-11所示。

表8-11　几种无线连接技术的对比

续　表