藍牙4.0 BLE是什麼? 特色、介紹、技術  

什麼是藍牙4.0有什麼特色?

  • 一項低功耗無線通信技術的國際標準
  • 採用藍牙4.0技術的設備可以使用鈕釦電池供電,並與其它藍牙設備連接
  • 與傳統藍牙和無線網絡相比:功耗更低,連接速度更快
  • 與ZigBee的技術相比:協議棧更簡單,抗干擾性能更好
  • 與其他2.4GHz的私有技術相比:通用性和互通性更好

藍牙小歷史

  • 1994:愛立信(Ericsson)發起
  • 1998/5:成立藍牙特別興趣小組(Bluetooth SIG)
  • 1999:發表1.0規格(1Mbps)
  • 2002~2005:發表成為IEEE 802.15.1標準
  • 2004/11:發表V2.0+EDR增強型資料率(Enhanced Data Rate, EDR)號稱支援3Mbps的速率,實際上的速度約為2.1Mbit/s
  • 2007/7發表V2.1+EDR增加了簡化配對程序(Secure Simple Pairing, SSP)以及延長詢問回覆(Extended inquiry response, EIR)
  • 2009/4發表V3.0+HS來此版本藍牙可透過協商(negotiation)及確定(establishment),導入AMP (Alternate MAC/PHY)架構設計,取用802.11 的無線網路頻段來傳輸資料以大幅提昇速度至24Mbit/s。
  • 2010/6 發表藍牙V4.0版本多了最重要的運作模式:藍芽低功耗(Bluetooth Low Energy, BLE)。藍芽低功耗系統的建立宗旨為在時間內傳輸資料量非常小的封包,速度僅能721.2 kbps,如此一來就可以比傳統BR/EDR裝置大大節省許多電力消耗

 

藍牙4.0簡介

藍牙(Bluetooth),是一種無線個人區域網(WPAN),最初由易利信(Ericsson)於1994年提出,後來由藍牙技術聯盟訂定技術標準。據說為了強調此技術及應用尚在萌芽階段的意義,故將Bluetooth中文譯名為較文雅的「藍芽」,並在台灣進行商業的註冊。在2006年,藍牙技術聯盟組織已將全球中文譯名統一改採直譯為「藍牙」。

藍牙4.0 最重要的特性是省電科技,極低的執行和待機功耗可以使一粒鈕釦電池連續工作數年之久。此外,低成和跨廠商互操作性,3毫秒連線超低延遲、100米以上超長距離通訊、AES-128加密等諸多特色,可以應用於計步器、心律監視器、智能儀表、感測網路、物聯網等眾多領域,大大擴展藍牙技術的應用範圍。 藍牙4.0依舊向下兼容,包含經典藍牙技術規範和最高速度24Mbps的藍牙高速技術規範。三種技術規範可單獨使用,也可同時運行。

甚麼是藍牙4.0何謂BLE? 藍牙4.0的特色、介紹、技術  

現在的藍牙4.0已經走向了商用,在最新款的智慧型手機與平板電腦上都已應用了藍牙4.0技術。藍牙4.0它支持兩種部署方式:雙模式單模式雙模式中,低功耗藍牙功能集成在現有的經典藍牙控制器中,或再在現有經典藍牙技術(2.1+EDR/3.0+HS)芯片上增加低功耗堆棧,整體架構基本不變,因此成本增加有限。單模式面向高度集成、緊湊的設備,使用一個輕量級連接層(Link Layer)提供超低功耗的待機模式操作、簡單設備恢復和可靠的點對多點數據傳輸,還能讓無線感測網路應用中在藍牙傳輸中安排好低功耗藍牙流量的次序,同時還有高級節能和安全加密連接。

藍牙技術應用越來成熟,目前有不少公司推出迷你型便攜式藍牙音箱,藍牙音箱就是將藍牙技術應用在傳統數碼和多媒體音箱上,讓使用者可以免除惱人電線的牽絆,自在地以各種方式聆聽音樂。自從藍牙音箱問世以來,隨著智能終端的發展受到手機平板等用戶的廣泛關注。藍牙技術(Bluetooth)讓音箱無線化變為可能,國外索尼(sony) 創新(creative) 國內漫步者(Edifier)​​ 聲德(sounder),都紛紛推出許多外形五花八門的「藍牙音箱」,消費者大約花費150 元至3000 餘元不等的代價,就可以讓自己擁有超級時尚便捷的藍牙音箱。

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可以同時支援基本速率及藍芽低功耗的裝置稱為雙模(dual-mode)裝置;基本上手機及桌上型電腦的藍芽系統都為雙模裝置。如果只支援藍芽低功耗的裝置稱為單模(single-mode)裝置,單模裝置一般都會使用在有電池使用壽命考量的裝置上,例如使用CR2032 鈕釦電池(coin cell battery)的設備。

 

藍牙4.0技術通訊協定細節

  • 速度:支持1Mbps 數據傳輸率下的超短數據包,最少8個位元,最多27個。所有連接都使用藍牙2.1 加入的減速呼吸模式(sniff subrating)來達到超低工作循環。
  • 跳頻:使用所有藍牙規範版本通用的自適應跳頻,最大程度地減少和其他2.4GHz ISM 頻段無線技術的串擾。
  • 主控制:更加智能,可以休眠更長時間,只在需要執行動作的時候才喚醒。
  • 延遲:最短可在3 毫秒內完成連接設置並開始傳輸數據。
  • 範圍:提高調變功率,最大範圍可超過100 米。
  • 健壯性:所有數據包都使用24-bitCRC 校驗,確保最大程度抵禦干擾。
  • 安全:使用AES-128 CCM 加密算法進行數據包加密和認證。
  • 拓撲:每個數據包的每次接收都使用32 位尋址,理論上可連接數十億設備;針對一對一連接優化,並支持星形拓撲的一對多連接;使用快速連接和斷開,數據可以再網狀拓撲內轉移而無需維持複雜的網狀網絡。

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Bluetooth 4.0技術的核心架構可以參考上圖方塊圖所示,其中圖中左半部為傳統的標準藍牙技術BR/EDR架構,而圖中右半部則是在此版本中新增加的低耗電單工(Bluetooth Low Energy, BLE)架構,不過最為特別就是圖中間部分的Dual-Mode雙工架構。我們可以輕易看出該雙工架構就是將BR/EDR架構以及BLE單工架構一起結合施行的模式,在此雙工模式下系統會根據當時的環境隨時切換使用不同的傳輸方式,因此理論上可以達到系統優化以及節省耗電量的目的。此雙工模式的架構等於是將不同的藍牙技術相互結合(例如v2.1+EDR或是v3.0高速藍牙),用戶或是裝置可以自由切換運行高速傳輸模式或是低耗電的運作方式因此單工的低耗電模式就適合應用在需要長時間連接但是不會時常傳輸數據的裝置上,而一般在PC及手機等不同裝置間的數據傳輸則是較適合使用雙工模式來做運行簡單來說新的BTv4.0技術除了可以讓傳統標準藍牙技術、高速藍牙技術以及低耗電藍牙技術單獨運行之外,更能夠彼此共同運用而達到"三位一體"的操作模式。

 

藍牙4.0的應用使得遙控器的進化-http://ir.nuk.edu.tw:8080/ir/bitstream/310360000Q/10787/2/KSC4IR.pdf
藍牙以家庭遊戲機作為開始,在電子消費產品遙控器的進化中,向來扮演著舉足輕重的主要角色。有越來越多的數位電視與機上盒提供精密複雜的內容與服務、螢幕訊息和 3D 立體作為關鍵功能,因此這些產品與 HID (如遙控器、觸控板、3D 立體眼鏡等) 之間的無線連接也就越來越重要。新推出的 BCM20733 是業界第一個以 HID 為對象且支援藍牙 EDR 的單晶片解決方案。相較於上一代的晶片,這款晶片的資料速率快了兩倍,耗電量低了 25%。

 

底下影片是藍牙BLE 4.0與Arduino作結合,好小好簡單~

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