廣播擴展雖然不是藍牙5的重點特性，但其功能可以帶來更大潛力。這個于2016年推出的新版本標準允許在低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy/Bluetooth LE)技術的三個主要廣播信道上傳輸?shù)男畔⑿遁d到(全寬)數(shù)據(jù)信道上，這項技術還能夠對廣播包進行鏈接，把廣播數(shù)據(jù)有效載荷提高到最大255字節(jié)。

藍牙5還引入了定期廣播功能，通過無連接廣播將數(shù)據(jù)包以固定間隔發(fā)送到同步的設備，配合藍牙5標準增加(8倍)的廣播容量，進一步增強了這項功能。

這些新功能以及藍牙5智能手機的推出，鼓勵開發(fā)人員提供零售和室內定位信標應用程序，這些應用程序在新版本推出之前是不切實際的。新一代經(jīng)濟高效、超低功耗且功能強大的系統(tǒng)級芯片(SoC)、開發(fā)工具、應用示例和參考設計使得開發(fā)人員更輕易利用這個協(xié)議增強功能。

信標發(fā)展

低功耗藍牙版本4.0、4.1和4.2支持的基本信標技術定義了一種簡單服務，能夠有效地使用完整藍牙交換功能的其中一面。藍牙設備發(fā)送定期廣播(“發(fā)現(xiàn)”)消息，該消息邀請其它設備啟動配對和隨后的數(shù)據(jù)交換。比較之下，信標的廣播消息包含保留的地址，該地址將其識別為不請求配對，隨后便是一個可以直接操作、固定長度的 “有效載荷” 短數(shù)據(jù)。

在零售應用中，消費者在接近時自動接收短信標通信，但是，由于數(shù)據(jù)包最大只有31字節(jié)，使得在這種“無連接”廣播中可以傳輸?shù)男畔⒘渴艿胶艽笙拗啤?/p>

例如，現(xiàn)在的藍牙5技術容許零售商使用通過廣播擴展功能啟用的鏈式255字節(jié)數(shù)據(jù)包，直接傳達有關特價或新產(chǎn)品的特定信息，而不是只能向智能手機發(fā)送一個消費者必須訪問才可以獲取更多信息的URL鏈接。另外，室內導航應用變得更加實用和普及，因為消費者不需要安裝特定應用程序或設置連接才可以接收基于位置的信息。

藍牙5的廣播擴展功能

低功耗藍牙在83MHz寬度2.4GHz ISM頻譜分配中使用40×2MHz信道。其中，三個是專用的主要廣播信道(37(2402MHz)、38(2426MHz)和39(2480MHz))，而其余37個信道(0到36)一旦連接，通常用于數(shù)據(jù)信道傳輸。

設備使用廣播信道，通過向范圍內的任何“觀察者”設備廣播信息來“宣傳”其存在，觀察者設備“發(fā)現(xiàn)”廣播設備，并且可以在沒有正式連接的情況下接收其發(fā)送的信息。

藍牙5技術具有較長的數(shù)據(jù)包和較低的傳播速率(例如125kbit/s)，同時采用擴展范圍操作，有可能導致三個廣播信道變得擁擠，這可能是信標等應用的主要挑戰(zhàn)，因為這些設備通常使用這些廣播信道向附近的智能手機發(fā)送信息。

標準規(guī)范中包括的廣播擴展功能用于解決這個難題?，F(xiàn)在，廣播信息作為廣播數(shù)據(jù)包，通過三個主要信道中的一個、兩個或全部來發(fā)送。如果出現(xiàn)額外的數(shù)據(jù)包，通過將它們“卸載”到正常數(shù)據(jù)信道(而后充當“次要”廣播信道)來容納。更好的是，廣播擴展功能可以“鏈接”廣播包以允許高達255字節(jié)的更大廣播數(shù)據(jù)有效載荷(圖1)。

此外，廣播擴展還帶來了定期廣播功能。該功能包括通過“無連接”廣播以固定間隔發(fā)送信息到同步的設備。通過使用定期廣播，掃描設備可以更一致地“關注”廣播者并更頻繁地監(jiān)視其更新。無連接廣播得到進一步提升，因為與先前的技術版本相比，藍牙5的廣播容量高出八倍。(連接設備還可以利用這些增強功能發(fā)送更多數(shù)據(jù)，并允許使用次要廣播信道進行連接(再次釋放主要廣播信道))。

圖1：在藍牙5面世之前，廣播數(shù)據(jù)包僅限于藍牙的三個廣播信道，忙碌的使用帶來擁堵風險。利用廣播擴展功能，可以將廣播數(shù)據(jù)包卸載到充當次要廣播信道的正常數(shù)據(jù)信道。

藍牙5的廣播擴展功能也推動了針對確定位置的應用的開發(fā)工作(這是日益流行的應用，通過了解移動實體的位置來實現(xiàn)人和資產(chǎn)的跟蹤)。通過使用接收信號強度指示(RSSI)來估計從信標到接收器的距離，可以實現(xiàn)定位。知道發(fā)射信號的強度以及它隨距離減小的速率，能夠進行簡單的計算，得出接收器與信標之間的距離。在指定區(qū)域內，信標信號強度可以經(jīng)過映射處理成為一張地圖，并且這張地圖 (有時稱為簽名)可以傳送到智能手機的應用程序。

例如，位于北京的北京升哲科技有限公司推出了云子產(chǎn)品，這是符合Apple iBeacon?規(guī)格的信標 (圖2)，這個信標包含多個傳感器，包括用于跟蹤信標運動的加速計，以及光和溫度傳感器。信標可用于觸發(fā)智能手機接近通知，識別其所連接的對象是否正在移動，以及廣播其周圍環(huán)境的光和溫度信息。

圖2：北京升哲科技有限公司的云子信標符合Apple iBeacon?規(guī)范，可以放置在任何位置或附加到任何物品，用于廣播基于位置的相關數(shù)據(jù)。

日本富士通公司推出了一系列符合Apple iBeacon?和Google Eddystone?格式的信標產(chǎn)品，共有三種型號，均具有嵌入式加速計和溫度傳感器，以跟蹤信標的精確運動并為用戶提供環(huán)境反饋。

開始使用藍牙5信標

雖然市場上有許多用于無線產(chǎn)品實施方案的低功耗藍牙 SoC器件，但考慮到現(xiàn)今復雜信標應用的特定需求時，合適的選擇便會減少。這些要求包括：

符合藍牙5核心規(guī)范;

成熟且經(jīng)過驗證的RF協(xié)議軟件堆棧

Apple iBeacon?和Google Eddystone?合規(guī)性

低功耗(延長電池壽命)以最大限度地減少維護，尤其是在高節(jié)點數(shù)安裝應用中

通過高鏈路預算(發(fā)射器輸出功率+接收器靈敏度(dBm))確保良好的范圍和連接穩(wěn)健性

用于應用和協(xié)議無線(OTA)更新支持(通過定期固件修訂延長產(chǎn)品的使用壽命)的Flash內存

小體積，適合緊湊型設計

具有足夠的開銷來運行堆棧和應用程序的嵌入式Arm控制器

高性價比

成熟且易于使用的開發(fā)工具

具有良好RF性能的硬件參考設計

良好的技術支持，包括興旺的開發(fā)者論壇

Nordic半導體在2012年推出nRF51產(chǎn)品系列，率先設計和開發(fā)了低功耗藍牙 SoC器件，其后繼續(xù)推出nRF52系列產(chǎn)品。例如最近推出的nRF52810 SoC，這是符合藍牙5標準的芯片，帶有具有良好計算能力的64MHz、32位Arm Cortex M4微控制器，100dBm鏈路預算2.4GHz多協(xié)議無線電，以及分別為4.6mA(輸出功率為0dBm)和4.6mA(吞吐量為1Mbps)的峰值Tx和Rx功耗以提供長電池壽命。

nRF52810 SoC是Nordic的入門級藍牙5/低功耗藍牙產(chǎn)品，可降低信標應用材料清單(BoM)成本。這款SoC器件繼承了nRF52系列SoC器件的高性能。nRF52810 SoC集成了196kB Flash和24kB RAM。內存配置足以運行典型的高容量、低成本應用程序代碼，并支持OTA固件更新。這款SoC器件采用帶有32個GPIO 的6×6mm 48引腳QFN封裝，或者采用帶有16個GPIO 的5×5mm 32引腳QFN封裝。

對于沒有RF硬件設計經(jīng)驗的開發(fā)人員來說，另一種方法是以開發(fā)套件(DK)的形式投資經(jīng)過組裝和測試的硬件，大多數(shù)芯片制造商提供此類產(chǎn)品。就這部分而言，Nordic提供nRF52開發(fā)套件(DK)，可以連接到PC或Mac上用于開發(fā)，并構成使用nRF52810 SoC進行信標產(chǎn)品原型設計所需的全部硬件(圖2)。

圖3：Nordic的nRF52開發(fā)套件包括使用nRF52810 SoC構建信標設計原型產(chǎn)品所需的全部硬件。

這個DK通過連接器提供針對SoC所有I/O和接口的直接訪問，并且包括四個用戶可編程LED和按鈕。這個DK的另一個方便功能就是與Arduino Uno(修訂版3)標準硬件兼容，可以使用眾多商用第三方盾中來增強功能。

創(chuàng)建應用程序代碼

雖然低功耗藍牙 SoC供應商在開發(fā)方面各師各法，但他們的軟件都基于工廠提供的藍牙5/低功耗藍牙 RF協(xié)議棧。開發(fā)人員的任務是為其信標設計編寫應用程序代碼。這需要克服一些挑戰(zhàn)：藍牙技術聯(lián)盟(SIG)沒有制訂用于信標的“規(guī)范(Profile)”(經(jīng)過測試和驗證的應用軟件)；在信標通信中，廣播信道的使用方法與其它低功耗藍牙應用不同，即不建立配對，而是直接向范圍內的設備廣播數(shù)據(jù)；此外，應用程序代碼需要遵守Apple iBeacon?和Google Eddystone?規(guī)范，以確保與Apple和安卓手機的互操作性。如果沒有適當?shù)墓芾?，在應用程序代碼編譯期間，供應商的低功耗藍牙協(xié)議?？赡軙黄茐模瑥亩娱L調試過程。

Nordic的低功耗藍牙設計方法是從開發(fā)人員那里簡化這種復雜性，這種方法的關鍵是該公司獨特的軟件架構，它將Nordic的RF協(xié)議棧(稱為“堆?！?與應用程序代碼完全分開，這種方法意味著開發(fā)人員可以專注于應用程序代碼的質量，因為他們安心知道堆棧在設計過程中不會被破壞。在編譯期間，開發(fā)工具負責管理Nordic RF協(xié)議棧與應用程序代碼之間的鏈接，并且保持高效可靠的堆棧操作的關鍵依賴性(圖4)。

圖4：在開發(fā)和運行期間，Nordic的堆棧(圖中為低功耗藍牙版本)和客戶應用程序代碼保持分離。

Nordic DK的主機低功耗藍牙 SoC在交付時是空白的，所需堆棧的預編譯二進制文件從Nordic的網(wǎng)站上下載，并使用nRF Connect無縫移植到DK的SoC上。nRF Connect是Nordic的跨平臺工具，可以通過低功耗藍牙進行測試和開發(fā)(nRF Connect提供桌面和移動版本，允許開發(fā)人員使用低功耗藍牙連接，分別從PC或智能手機與其原型構建產(chǎn)品進行通信)。對于使用nRF52810 SoC的信標應用，推薦使用S112 堆棧，僅占用100kB Flash內存，這是用于構建信標等高性能低功耗藍牙應用的藍牙5兼容協(xié)議棧。

使用Nordic技術時，應用軟件開發(fā)人員需要三個基本工具，第一個是帶有Nordic支持的編譯器的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)(例如SEGGER Embedded Studio、MDK-ARM Keil、GNU/GCC或IAR(所有這些IDE均支持Windows，但只有SEGGER和GNU/GCC同時支持Linux和OSX))。

開發(fā)人員還需要使用Nordic的nRF5軟件DK (SDK)和nRF5x命令行工具。為了減低信標應用程序代碼開發(fā)的復雜性，nRF5 SDK包含軟件示例、源文件和其它有用的開發(fā)項目。

重振信標應用

藍牙4,4.1和4.2以及Apple和Google信標規(guī)范鼓勵開發(fā)人員為機場、博物館和畫廊等公共場所提供零售和定位應用的早期設計。但是，在這些版本的核心規(guī)范中，廣播信道的受限有效載荷可能會限制創(chuàng)新。藍牙5技術的廣播擴展功能可以實現(xiàn)先前無法達成的零售和室內導航信標應用，從而重振信標行業(yè)。

對于缺乏經(jīng)驗的開發(fā)人員來說，利用這個協(xié)議增強功能似乎十分困難。不過，通過與Nordic半導體等成熟的低功耗藍牙供應商合作，可以簡化成功實施信標應用的過程。

然而，與所有的工程設計一樣，事情有時會變得困難，特別是對于首次發(fā)開信標應用程序的開發(fā)人員而言。好消息是，無線設計社群內有許多先鋒，并且樂意分享經(jīng)驗。例如，Nordic的DevZone開發(fā)社區(qū)云集了25,000名設計人員，他們很可能可解決十分棘手的信標設計問題。

關于作者

John Leonard是Nordic半導體的產(chǎn)品營銷經(jīng)理，他在英國樸次茅斯大學獲得電子與計算機學士學位(榮譽學位)。Leonard擁有豐富的Nordic產(chǎn)品和技術經(jīng)驗，并曾擔任該公司的現(xiàn)場應用工程師和銷售工程師。他目前的職責是產(chǎn)品管理團隊成員，確保交付所有與產(chǎn)品發(fā)布相關的內容，包括IC、開發(fā)工具、文檔和培訓。