藍(lán)牙：在最嚴(yán)苛的環(huán)境中經(jīng)受檢驗(yàn)

作者：Pelle Svensson，u-blox公司短距離無線電產(chǎn)品戰(zhàn)略部 產(chǎn)品戰(zhàn)略高級(jí)主管

自藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)于1998年開發(fā)藍(lán)牙以來，藍(lán)牙在消費(fèi)市場(chǎng)大獲成功，成為幾乎每部智能手機(jī)、平板電腦和個(gè)人計(jì)算機(jī)的重要功能，也因此家喻戶曉。根據(jù)藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟的統(tǒng)計(jì)，藍(lán)牙設(shè)備的發(fā)貨量達(dá)數(shù)十億，復(fù)合年均增長(zhǎng)率為12%，到2022年預(yù)計(jì)達(dá)到52億臺(tái)。數(shù)據(jù)表明：藍(lán)牙功能強(qiáng)大，大受歡迎，服務(wù)于一個(gè)巨大的生態(tài)系統(tǒng)。

然而，藍(lán)牙較少為人所知的是它在嚴(yán)酷環(huán)境下為工業(yè)應(yīng)用提供無線連接的技術(shù)潛力。在不斷的自我革新中，2016年12月，新一代藍(lán)牙5標(biāo)準(zhǔn)面世，該標(biāo)準(zhǔn)增加了新功能，增強(qiáng)了該技術(shù)為新的應(yīng)用場(chǎng)景提供服務(wù)的能力。但經(jīng)常遭到忽視的是，藍(lán)牙的核心技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用方面有很多優(yōu)勢(shì)。

圖1：使藍(lán)牙在嚴(yán)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(lán)牙應(yīng)用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的強(qiáng)有力論據(jù)。

#1 藍(lán)牙具有極強(qiáng)的抗干擾能力：藍(lán)牙的工作頻段為免許可證的2.4 GHz ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療）頻段。在該頻段內(nèi)，藍(lán)牙技術(shù)與其它各類射頻技術(shù)同時(shí)存在，包括Wi-Fi、ZigBee和其它商業(yè)應(yīng)用，如汽車報(bào)警器和視頻設(shè)備。

為了避免干擾，藍(lán)牙采用了一種名為“自適應(yīng)跳頻”的技術(shù)。經(jīng)典藍(lán)牙的2.4 GHz ISM頻段由79個(gè)單獨(dú)的1 MHz信道組成。低功耗藍(lán)牙的頻譜被分為40個(gè)單獨(dú)的2 MHz信道，從而降低了對(duì)射頻設(shè)計(jì)的要求,并減少成本。信息被分解為小數(shù)據(jù)包，通過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(shù)據(jù)會(huì)被重發(fā)；如果是由信道引起的問題,，則對(duì)此信道進(jìn)行標(biāo)記，并避免在之后的通信中使用。

借此，無線數(shù)據(jù)傳輸可準(zhǔn)確地選擇最優(yōu)路徑，并有效消除噪音。

#2 藍(lán)牙支持高設(shè)備密度：，藍(lán)牙的設(shè)計(jì)是為高設(shè)備密度做過高度優(yōu)化的.，當(dāng)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)彼此極為接近時(shí)，藍(lán)牙仍能正常工作，并將干擾控制在合理范圍內(nèi)。短數(shù)據(jù)包非常適用于測(cè)量和控制等工業(yè)應(yīng)用，每個(gè)數(shù)據(jù)包僅需在空中作短暫停留。因此，它們不會(huì)對(duì)電波造成污染，因而最大限度地減少了對(duì)其它設(shè)備的干擾。

藍(lán)牙還具有自動(dòng)功率控制的功能，僅用它們所需的信號(hào)強(qiáng)度，便可將數(shù)據(jù)包傳送給接收裝置。換句話說，在較為安靜的環(huán)境中，它們不會(huì)因高功率運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生大量噪聲。這進(jìn)一步減少了信號(hào)發(fā)射，讓更多設(shè)備可以占用相同頻段，而不會(huì)彼此干擾。它還可以節(jié)約電能，這對(duì)于獨(dú)立的電池供電設(shè)備尤為重要。

此外，經(jīng)過優(yōu)化的藍(lán)牙技術(shù)可以和Wi-Fi同時(shí)工作，在工業(yè)和消費(fèi)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(lán)牙利用自適應(yīng)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(shù)據(jù)包。

#3 藍(lán)牙檢測(cè)并更正誤碼：當(dāng)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(xiàn)誤碼的可能性會(huì)增大。藍(lán)牙不僅可以通過誤碼檢測(cè)來優(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(cuò)(FEC)來更正誤碼。這包括在主消息中添加冗余位，繼而運(yùn)用FEC算法糾正錯(cuò)誤。正如我們即將看到的，這也有助于提升藍(lán)牙在長(zhǎng)距離和噪聲環(huán)境下傳輸信息的可靠性。

#4 藍(lán)牙完美匹配現(xiàn)有工業(yè)設(shè)計(jì)：串行端口已經(jīng)使用了數(shù)十年，并會(huì)繼續(xù)在工業(yè)應(yīng)用中沿用。藍(lán)牙串行端口規(guī)范(SPP)通過藍(lán)牙模擬了一套完整的,包含硬件握手信號(hào)的串行接口(RS232, RS422/485)。一根串行電纜可通過無線連接替換為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或多點(diǎn)運(yùn)行。SPP被用于在筆記本電腦、控制系統(tǒng)和其它帶有串行接口的設(shè)備間交換數(shù)據(jù)。

#5 藍(lán)牙提供的覆蓋范圍比您認(rèn)為的更大：

盡管藍(lán)牙通常用于以米為單位的無線通信，但這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)證明，其在更遠(yuǎn)距離上的表現(xiàn)也很可靠。一項(xiàng)已發(fā)表的研究[1]對(duì)藍(lán)牙實(shí)時(shí)傳感器執(zhí)行器接口在嚴(yán)苛工業(yè)環(huán)境下的性能開展了調(diào)查。

作者總結(jié)道，“基于藍(lán)牙技術(shù)的無線自動(dòng)化系統(tǒng)具有高運(yùn)行頻率下的自適應(yīng)跳頻、錯(cuò)誤檢測(cè)及更正等系統(tǒng)固有特性，因此非?？煽俊Ｖ灰嚯x小于30米，寄生發(fā)射或其它無線電系統(tǒng)或收發(fā)器的移動(dòng)均不會(huì)損害傳輸。

藍(lán)牙5提供的范圍更遠(yuǎn)。在開闊環(huán)境下，通過良好的天線，我們使用藍(lán)牙長(zhǎng)距離模式(Coded PHY)傳輸信息的距離可達(dá)1.7千米。

[1] Flammini、Alessandra & Ferrari、P & Marioli、Daniele & Sisinni、Emiliano & Taroni、Andrea。(2009)。用于工業(yè)應(yīng)用的有線和無線傳感器網(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(zhàn)性的場(chǎng)景中，通過將信息傳輸?shù)某掷m(xù)時(shí)間增加8倍，即可在藍(lán)牙5長(zhǎng)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藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步擴(kuò)大。在mesh網(wǎng)絡(luò)中，信息可以從一個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，直至到達(dá)目的地。 

#6 藍(lán)牙可在任何地方工作：藍(lán)牙設(shè)備為滿足全球一致的標(biāo)準(zhǔn)需求而設(shè)計(jì)。這正中設(shè)備制造商的下懷，他們無需為應(yīng)對(duì)全球市場(chǎng)而維護(hù)多個(gè)SKU。這項(xiàng)技術(shù)在手持設(shè)備中的普及，使用戶有機(jī)會(huì)借助任何智能手機(jī)或平板電腦通過專門的應(yīng)用程序與藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行交互。

#7 藍(lán)牙非常適合（工業(yè)）物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用：根據(jù)用于LED照明和傳感器設(shè)備的靈活照明固件包提供商Silvair公司的報(bào)告^[1],藍(lán)牙（低功耗藍(lán)牙）的無線電性能在短程無線技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出；優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在速度方面，即改善效率、延遲性和響應(yīng)能力。此外，它還對(duì)傳輸許多非常小的數(shù)據(jù)包進(jìn)行了優(yōu)化，非常適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(lán)牙設(shè)計(jì)具有高度安全性：藍(lán)牙憑借其多重特性成為高度安全的無線技術(shù)。先前提及的自適應(yīng)跳頻技術(shù)基于一個(gè)特定的偽隨機(jī)跳頻序列，該序列只有發(fā)送器和接收器知道。這意味著竊聽者必須追蹤所有信道，將數(shù)據(jù)包正確拼湊成消息。

自藍(lán)牙4.2以來，藍(lán)牙設(shè)備的配對(duì)（它們之間的通信的先決條件）使用符合聯(lián)邦信息處理標(biāo)準(zhǔn)（FIPS）的算法來生成所謂的橢圓曲線Diffie-Hellman（ECDH）公鑰 - 私鑰對(duì)。此功能稱為L(zhǎng)E安全連接，可保護(hù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不被中間人（MITM）攻擊攔截。^[2]

藍(lán)牙模塊還可以配置為對(duì)其它藍(lán)牙設(shè)備不可見，意味著潛在的黑客將無法發(fā)現(xiàn)這些模塊。這時(shí),只有提前配對(duì)的設(shè)備間才能建立連接。

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

[2] 藍(lán)牙配對(duì)第1部分：配對(duì)功能交換，藍(lán)牙博客，Kai Ren發(fā)布于2016年3月29日

圖2：藍(lán)牙技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用

未來的可靠性能

自藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)開發(fā)該技術(shù)的20年來，藍(lán)牙技術(shù)通過適應(yīng)應(yīng)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)電話之間的無線數(shù)據(jù)同步傳輸，很快便擴(kuò)展到更多的應(yīng)用場(chǎng)景中，通常包括個(gè)人電子設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。目前，低功耗藍(lán)牙（從4.0版本開始）和藍(lán)牙5.0在完全不同的領(lǐng)域工作，為物聯(lián)網(wǎng)的不同應(yīng)用場(chǎng)景提供服務(wù)。

從一開始，藍(lán)牙就向用戶證明，它可為工業(yè)制造流程提供穩(wěn)健的連接性解決方案。多年來，從工業(yè)制造、醫(yī)療設(shè)備到井下測(cè)量，藍(lán)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(xù)。