使用低功耗藍牙 (Bluetooth® Low Energy) 向前邁進

低功耗藍牙 [Bluetooth^® Low Energy (BLE)] 現在可能還未納入您的電子設計中，但很快就有機會納入其中。 此無線連線技術在過去三年爆炸性成長。 目前為數百萬個電子裝置提供低功率連線功能，例如智慧型手錶、健身追蹤器、智慧型手機配件和醫療監測器。 透過即將推出的技術改進，BLE 將更加廣泛地運用在新一代消費性電子產品與新興物聯網中。

許多改進項目已經整合到最近更新的藍牙 4.1 核心規格中。 這些改進可支援更高效率的大量資料傳輸、更高的裝置間通訊彈性、同時雙重模式，並且首次邁入 IP 架構通訊。 綜合這些技術改進，BLE 將在功耗、效能和成本層面上更具吸引力。

除了藍牙 4.1 的改進外，BLE 晶片本身也持續改善。 透過效率的提升，第二代 BLE 的傳輸功耗將大幅降低約 66%，且無損傳輸範圍或效能。

基於 BLE 最近的變更以及未來的改進，現在正是探討此項技術目前定位以及未來走向的絕佳時機。

BLE 基礎知識

對於已經達到低功耗最佳化，而非最大數據傳輸率的無線通訊裝置而言，BLE 是最適合的技術。 其所需的功耗僅有傳統藍牙的百分之一。 BLE 的峰值耗電量最低僅有 15 mA，但傳統藍牙卻要 40 mA 以上。 由於耗電量如此節省，BLE 可透過單一鈕扣型電池運作數個月甚至數年，視應用而定。

BLE 達到低功耗的主要原因在於多數時間都關閉其無線電。 BLE 僅會掃描三個信號頻道，其無線電僅會在傳送或接收數據短叢發時喚醒，且封包小，僅有 8 至 27 八位元組。 BLE 亦可超快速建立連線，進一步縮短無線電的開啟時間。 BLE 可在最短 3 ms 內傳送經過驗證的數據，相對地，傳統藍牙則通常需要 1000 ms。

在數據傳輸率上，BLE 最高的實際數據傳輸率通常低於 100 kbs。 因此 BLE 並不適用於持續數據串流的應用，此類應用須採用傳統藍牙提供高達 3 Mbps 的數據傳輸率。

BLE 與傳統藍牙亦有其他技術上的差異。 主要差異包括，BLE 採用星狀網路拓撲，並在每一個從屬裝置的各個封包上使用 32 位元存取位址，理論上這可讓數十億個裝置在指定時間內達到連線。 傳統藍牙的微網 (Piconet) 拓撲則相反，僅限最多八個裝置同時連線。


圖 1：低功耗藍牙裝置能用單一鈕扣型電池運作數年。

BLE 的其他技術特點包括：

• 最佳化 GSFK 調變。 如同傳統藍牙，BLE 也採用 GSFK 調變機制。 但 BLE 採用更高的調變指數以及 2 MHz 通道達到較低的位元錯誤率，進而達到更寬廣的傳輸範圍。
• 調適性跳頻。 裝置在連線下，BLE 技術採用與傳統藍牙相同的調適性跳頻機制。 多種無線裝置共用 2.4 GHz ISM 頻帶作業，調適性跳頻能減少來自此頻帶中其他技術的干擾。
• 耐用性。 BLE 在每個封包上使用單一 24 位元循環冗餘檢查 (CRC)，因此能讓排針座和資料區偵測單位元錯誤以及 2 和 4 位元錯誤。 採用 24 位元 CRC 而非 16 或 32 位元 CRC，能讓 BLE 的資料有效負載達到最佳化。
• 嚴密安全性。 BLE 採用 128 位元進階加密系統 (AES-128) 進行加密和驗證，此加密系統係美國政府為了保障資料安全而開發。

藍牙 4.1 的另一項重大改進就是雙模式能力。 感測器或手機配件等裝置本身通常會使用 BLE，而智慧型手機和平板裝置通常會充當無線分享器，透過 BLE 和傳統藍牙進行通訊。 藍牙核心規格能讓此雙模式運作成真。 基本上，雙模式模組會結合傳統藍牙和 BLE 通訊堆疊並允許共用天線。 單一和雙重模式元件分別歸類為 Bluetooth Smart 和 Bluetooth Smart Ready。

BLE 的未來走向

從目前的觀點來看，BLE 技術已經為需要低功率無線連線的裝置提供優異的方案。 然而，BLE 的能源效率甚至將變得更高，且藍牙 4.1 的改進項目將可讓此技術更加容易用於設計新一代的無線裝置和智慧型物件，進而組成物聯網。

即使藍牙 4.1 擁有這些改進項目，但仍可向下相容於傳統的裝置，包括：

• 支援多重角色。 鏈路層與雙模式拓撲的改變能讓雙模式裝置同時當作 Smart Ready 分享器以及 Smart 裝置。
• 高效率資料交換。 在邏輯鏈路控制與調適通訊協定 (L2CAP) 中新增連線導向通道，能讓 BLE 裝置之間的大量資料傳輸更加有效率，同時減少負擔。
• 改善連線。 工程師在建立和維護藍牙連線時將享有更多靈活性，包括自動重新連線。
• IP 架構連線。 新的核心規格新增專用的 L2CAP 通道，打造了 IPv6 通訊的技術基礎，藉此為物聯網鋪路。

低功率無線替代方案

低功耗藍牙 (BLE) 在低功率無線通訊領域中並不是唯一的方案。 ANT 和 ZigBee 兩種無線標準皆有與 BLE 相同的功能，並且佔有一席之地。 但在考慮技術能力以及是否為開放式通訊協定後，BLE 就享有明顯優勢。


圖 2：ZigBee 和 BLE 之間的電池續航力和數據傳輸率比較。

低功耗藍牙實施策略

決定應用的通訊協定後，下一個要考量的項目就是如何實施；購買 BLE 模組或打造自己的離散方案。 兩種方法都可行，但在三種情況下使用模組明顯會更好：

• 少量生產。 若生產量低於 100,000 件，模組會比離散元件擁有更明顯的成本優勢。 將晶片架構 BLE 實作的開發、製造、RF 認證以及測試的成本加總後，您會發現成本通常落在 $150,000 至 $200,000 美元之間。 用低於 100,000 的生產量分攤這些成本以及 RF 的成本將無比昂貴。 若數量介於 100,000 至 150,000，無論是採用模組或晶片方案，從總成本觀點來看都是可行的。 若超過 150,000 件，使用離散方案是較偏好的作法。
• 達到加速上市的目標。 若有快速上市的考量，也會優先考慮採用模組。 離散 RF 應用通常需要三至六個月的開發時間，即便是資深的工程師團隊同樣會受到此時間的限制。 模組能以 API 和字串命令組取代眾多自訂編程，因此可大幅簡化開發流程。 模組也預先通過認證，因此無須花費時間和成本在認證流程上。 底限：模組僅需數週就能直接應用在新的產品設計上，提供明顯的快速上市優勢。
• 長生命週期。 對於產品本身的生命週期可能比其積體電路更長久的產品而言，模組可對抗產品停產的危機。 模組設計可在必要時整合新的晶片，且無須變更原本的引腳配置、功能、尺寸或韌體介面。

圖 3：模組與晶片的成本比較。

低功耗藍牙模組

Panasonic 推出多種可用的 BLE 模組。 以下列舉其中三款：


圖 4：PAN1740 單模式低功耗藍牙模組。

PAN1740 單模式低功耗藍牙模組 - NanoPower

• 0 dBm 時的 Tx 電流：5 mA
• 小覆蓋區：9 x 9.5 x 1.9 mm
• 高靈敏度（典型值 -93 dBm）
• Tx 功率控制最高達 0 dBm
• 置放後即可使用
• 自主獨立操作
• Bluetooth Smart® 模組
• 嵌入式 BLE 堆疊和 GATT 設定檔
• 工業溫度範圍：-40°C 至 +85°C
• 兩個內部晶體振盪器
• 整合式屏蔽可抵擋 EMI
• 無需外接元件

圖 5：PAN1720/PAN1721 單模式低功耗藍牙模組。

PAN1720 和 PAN1721 單模式低功耗藍牙模組

• 表面黏著封裝，尺寸為 15.6 x 8.7 x 1.9 mm
• 典型 Tx 功率高達 4.0 dBm，並具有傳輸功率控制功能
• 高靈敏度，典型值為 -94 dBm
• 採用 Texas Instrument 的 CC2540 單晶片 BLE 方案架構
• 高效能、低功率的 8051 微控制器核心
• 無需外接元件
• 快速連線設定
• 內部晶體振盪器，26 MHz
• 內部 32 kHz 晶體振盪器用於睡眠計時器
• 兩個強大的 USART
• 電池監測器與溫度感測器
• PAN1720 提供 USB 介面
• PAN1721 提供 I²C 介面

圖 6：PAN1326 雙模式 BLE 和傳統藍牙模組。

PAN1326 雙模式 BLE 和傳統藍牙模組

• 同級最佳藍牙 RF 效能，包含 Tx 功率、Rx 靈敏度和阻隔
• 完全符合藍牙 v4.0 和 EDR
• 尺寸：6.5 mm x 9 mm x 1.7 mm (PAN1316)
• 認證：藍牙、FCC、CE、IC
• 工作溫度範圍：-40°C 至 85°C
• 設定檔：支援所有設定檔
• 採用 TI 的 CC2564 架構
• 能整合幾乎所有微控制器
• 適合 ACL 和 eSCO 的超快速演算法
• 支援延伸範圍，Tx 功率 10.5 dBm 典型輸出

自 2014 年初推出的 BLE 和雙模式晶片與模組開始出現藍牙 4.1 所涵蓋的改進項目。 在未來發展上，我們可預期 BLE 持續進行革新，將為電池供電式應用的功率預算達到正面影響。

此革新將從新上市的 BLE 離散 IC 和模組開始。 這些元件通常稱為超低功耗 BLE，但不同的製造商已經採用不同的商標名稱，例如 Panasonic 的 NanoPower 系列。 NanoPower 元件的傳送和接收電流消耗量，比起現有的 BLE 元件降低超過 66%，與傳統藍牙元件比則高達將近 90%。 此外，即便電流減少也不會縮小傳輸範圍、降低傳送功率或是影響藍牙規格。