藍牙：在最嚴苛的環(huán)境中經(jīng)受檢驗

作者：Pelle Svensson，u-blox公司短距離無(wú)線(xiàn)電產(chǎn)品戰略部 產(chǎn)品戰略高級主管

自藍牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)于1998年開(kāi)發(fā)藍牙以來(lái)，藍牙在消費市場(chǎng)大獲成功，成為幾乎每部智能手機、平板電腦和個(gè)人計算機的重要功能，也因此家喻戶(hù)曉。根據藍牙技術(shù)聯(lián)盟的統計，藍牙設備的發(fā)貨量達數十億，復合年均增長(cháng)率為12%，到2022年預計達到52億臺。數據表明：藍牙功能強大，大受歡迎，服務(wù)于一個(gè)巨大的生態(tài)系統。

然而，藍牙較少為人所知的是它在嚴酷環(huán)境下為工業(yè)應用提供無(wú)線(xiàn)連接的技術(shù)潛力。在不斷的自我革新中，2016年12月，新一代藍牙5標準面世，該標準增加了新功能，增強了該技術(shù)為新的應用場(chǎng)景提供服務(wù)的能力。但經(jīng)常遭到忽視的是，藍牙的核心技術(shù)在工業(yè)應用方面有很多優(yōu)勢。

圖1：使藍牙在嚴苛環(huán)境下受益的關(guān)鍵功能

以下是八個(gè)支持或選擇藍牙應用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的強有力論據。

#1 藍牙具有極強的抗干擾能力：藍牙的工作頻段為免許可證的2.4 GHz ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫療）頻段。在該頻段內，藍牙技術(shù)與其它各類(lèi)射頻技術(shù)同時(shí)存在，包括Wi-Fi、ZigBee和其它商業(yè)應用，如汽車(chē)報警器和視頻設備。

為了避免干擾，藍牙采用了一種名為“自適應跳頻”的技術(shù)。經(jīng)典藍牙的2.4 GHz ISM頻段由79個(gè)單獨的1 MHz信道組成。低功耗藍牙的頻譜被分為40個(gè)單獨的2 MHz信道，從而降低了對射頻設計的要求,并減少成本。信息被分解為小數據包，通過(guò)不同的的信道依次發(fā)送,發(fā)送間隔為625微秒。信道按照約定的順序，每秒切換1600次。接收端未收到的數據會(huì )被重發(fā)；如果是由信道引起的問(wèn)題,，則對此信道進(jìn)行標記，并避免在之后的通信中使用。

借此，無(wú)線(xiàn)數據傳輸可準確地選擇最優(yōu)路徑，并有效消除噪音。

#2 藍牙支持高設備密度：，藍牙的設計是為高設備密度做過(guò)高度優(yōu)化的.，當多個(gè)網(wǎng)絡(luò )彼此極為接近時(shí)，藍牙仍能正常工作，并將干擾控制在合理范圍內。短數據包非常適用于測量和控制等工業(yè)應用，每個(gè)數據包僅需在空中作短暫停留。因此，它們不會(huì )對電波造成污染，因而最大限度地減少了對其它設備的干擾。

藍牙還具有自動(dòng)功率控制的功能，僅用它們所需的信號強度，便可將數據包傳送給接收裝置。換句話(huà)說(shuō)，在較為安靜的環(huán)境中，它們不會(huì )因高功率運轉產(chǎn)生大量噪聲。這進(jìn)一步減少了信號發(fā)射，讓更多設備可以占用相同頻段，而不會(huì )彼此干擾。它還可以節約電能，這對于獨立的電池供電設備尤為重要。

此外，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的藍牙技術(shù)可以和Wi-Fi同時(shí)工作，在工業(yè)和消費環(huán)境中分享ISM頻段。Wi-Fi信道在ISM頻段使用22 MHz帶寬，能夠同時(shí)容納至多三個(gè)不重疊的信道。藍牙利用自適應跳頻技術(shù)，能優(yōu)化利用空閑頻段，例如，在WiFi信道間的空隙中傳輸BLE廣播數據包。

#3 藍牙檢測并更正誤碼：當信噪比較低時(shí)，例如，在噪聲環(huán)境下或傳輸距離較大時(shí)，信息中出現誤碼的可能性會(huì )增大。藍牙不僅可以通過(guò)誤碼檢測來(lái)優(yōu)化跳頻以避免信道干擾, 還可以在必要時(shí)在接收端使用前向糾錯(FEC)來(lái)更正誤碼。這包括在主消息中添加冗余位，繼而運用FEC算法糾正錯誤。正如我們即將看到的，這也有助于提升藍牙在長(cháng)距離和噪聲環(huán)境下傳輸信息的可靠性。

#4 藍牙完美匹配現有工業(yè)設計：串行端口已經(jīng)使用了數十年，并會(huì )繼續在工業(yè)應用中沿用。藍牙串行端口規范(SPP)通過(guò)藍牙模擬了一套完整的,包含硬件握手信號的串行接口(RS232, RS422/485)。一根串行電纜可通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接替換為點(diǎn)對點(diǎn)或多點(diǎn)運行。SPP被用于在筆記本電腦、控制系統和其它帶有串行接口的設備間交換數據。

#5 藍牙提供的覆蓋范圍比您認為的更大：

盡管藍牙通常用于以米為單位的無(wú)線(xiàn)通信，但這項技術(shù)已經(jīng)證明，其在更遠距離上的表現也很可靠。一項已發(fā)表的研究[1]對藍牙實(shí)時(shí)傳感器執行器接口在嚴苛工業(yè)環(huán)境下的性能開(kāi)展了調查。

作者總結道，“基于藍牙技術(shù)的無(wú)線(xiàn)自動(dòng)化系統具有高運行頻率下的自適應跳頻、錯誤檢測及更正等系統固有特性，因此非?？煽?。只要距離小于30米，寄生發(fā)射或其它無(wú)線(xiàn)電系統或收發(fā)器的移動(dòng)均不會(huì )損害傳輸。

藍牙5提供的范圍更遠。在開(kāi)闊環(huán)境下，通過(guò)良好的天線(xiàn)，我們使用藍牙長(cháng)距離模式(Coded PHY)傳輸信息的距離可達1.7千米。

[1] Flammini、Alessandra & Ferrari、P & Marioli、Daniele & Sisinni、Emiliano & Taroni、Andrea。(2009)。用于工業(yè)應用的有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )?！段㈦娮訉W(xué)雜志》40.1322-1336.10.1016/j.mejo.2008.08.012.

在最具挑戰性的場(chǎng)景中，通過(guò)將信息傳輸的持續時(shí)間增加8倍，即可在藍牙5長(cháng)距離模式中增加信息傳輸范圍。密集環(huán)境下，信息覆蓋范圍了通過(guò)藍牙mesh網(wǎng)絡(luò )進(jìn)一步擴大。在mesh網(wǎng)絡(luò )中，信息可以從一個(gè)節點(diǎn)轉發(fā)到另一個(gè)節點(diǎn)，直至到達目的地。 

#6 藍牙可在任何地方工作：藍牙設備為滿(mǎn)足全球一致的標準需求而設計。這正中設備制造商的下懷，他們無(wú)需為應對全球市場(chǎng)而維護多個(gè)SKU。這項技術(shù)在手持設備中的普及，使用戶(hù)有機會(huì )借助任何智能手機或平板電腦通過(guò)專(zhuān)門(mén)的應用程序與藍牙設備進(jìn)行交互。

#7 藍牙非常適合（工業(yè)）物聯(lián)網(wǎng)應用：根據用于LED照明和傳感器設備的靈活照明固件包提供商Silvair公司的報告^[1],藍牙（低功耗藍牙）的無(wú)線(xiàn)電性能在短程無(wú)線(xiàn)技術(shù)的競爭中脫穎而出；優(yōu)點(diǎn)主要體現在速度方面，即改善效率、延遲性和響應能力。此外，它還對傳輸許多非常小的數據包進(jìn)行了優(yōu)化，非常適用于物聯(lián)網(wǎng)應用，不僅適用于智能家居或智能城市，也適用于工業(yè)環(huán)境。 

#8 藍牙設計具有高度安全性：藍牙憑借其多重特性成為高度安全的無(wú)線(xiàn)技術(shù)。先前提及的自適應跳頻技術(shù)基于一個(gè)特定的偽隨機跳頻序列，該序列只有發(fā)送器和接收器知道。這意味著(zhù)竊聽(tīng)者必須追蹤所有信道，將數據包正確拼湊成消息。

自藍牙4.2以來(lái)，藍牙設備的配對（它們之間的通信的先決條件）使用符合聯(lián)邦信息處理標準（FIPS）的算法來(lái)生成所謂的橢圓曲線(xiàn)Diffie-Hellman（ECDH）公鑰 - 私鑰對。此功能稱(chēng)為L(cháng)E安全連接，可保護傳輸的數據不被中間人（MITM）攻擊攔截。^[2]

藍牙模塊還可以配置為對其它藍牙設備不可見(jiàn)，意味著(zhù)潛在的黑客將無(wú)法發(fā)現這些模塊。這時(shí),只有提前配對的設備間才能建立連接。

[1] 五份協(xié)議的故事，物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域的終極指南，2018年2月

[2] 藍牙配對第1部分：配對功能交換，藍牙博客，Kai Ren發(fā)布于2016年3月29日

圖2：藍牙技術(shù)的工業(yè)應用

未來(lái)的可靠性能

自藍牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)開(kāi)發(fā)該技術(shù)的20年來(lái)，藍牙技術(shù)通過(guò)適應應用場(chǎng)景的不斷更新，成功地保持了自身價(jià)值。它最初用于移動(dòng)電話(huà)之間的無(wú)線(xiàn)數據同步傳輸，很快便擴展到更多的應用場(chǎng)景中，通常包括個(gè)人電子設備間的數據傳輸等。目前，低功耗藍牙（從4.0版本開(kāi)始）和藍牙5.0在完全不同的領(lǐng)域工作，為物聯(lián)網(wǎng)的不同應用場(chǎng)景提供服務(wù)。

從一開(kāi)始，藍牙就向用戶(hù)證明，它可為工業(yè)制造流程提供穩健的連接性解決方案。多年來(lái)，從工業(yè)制造、醫療設備到井下測量，藍牙已經(jīng)成為各行各業(yè)必不可少的成功伙伴，這份輝煌仍將繼續。