如何利用蓝牙4.1为物联网构建低功耗无线链路

不仅在最新的可穿戴和健身设备方面，而且在将物联网（IoT）中的设备与传感器互连方面，最新蓝牙技术都带来不小的震动。

　　在提升蓝牙直接链路的电源能效、简化其使用方面，蓝牙4.0实现了大跨越，而蓝牙4.1则为该链路增加了更多的组网能力。 这使得用一部标准智能手机将许多设备连接在一起成为可能。

　　凭一块电池就能让嵌入式链路运行数年，这一功能自2010年以来一直推动者智能蓝牙4.0的普及，而组网能力又使该功能在蓝牙4.1于2013年批准以来对IoT开发人员更具吸引力。不过，这需要在设计过程中了解软硬件方面的一些关键注意事项。SIG 建议制造商在产品中立即采用蓝牙4.1，以充分利用新特性。这样，系统开发人员就会放心地采用由Laird Wireless、BlueGiga Technologies、Panasonic 和ConnectBlue 等制造商提供的现有4.0 模块，并在固件稳定时升级至4.1版，实现鱼和熊掌兼得。

　　使用蓝牙4.1 规范时，已没有必要发布强制性特性声明，这在蓝牙2.0 + EDR被采用以来还属首次。但是，需要制造商们执行有关蓝牙4.1的全部勘误，从而符合该规范要求。仅具有低功耗特性的设备（智能蓝牙品牌）会向后兼容同样具有低功耗特性的蓝牙4.0 设备。

　　低功耗蓝牙（4.0 版，也称作智能蓝牙）采用与前代"传统蓝牙"相同的2.4 GHz ISM 频带，但采用了更简单的高斯频移协议来降低功耗。 此外，还采用了较小的2 MHz信道和直接序列扩频（DSSS）调制功能。

　　这种不同信道和不同调制功能的组合意味着无法直接兼容 LE 和传统规范。然而，这对开发人员来说不是问题，因为获得蓝牙兼容性认证的所有芯片和模块都能在适用于旧设备的传统蓝牙模式或具有DSSS功能的智能蓝牙模式下工作。

　　蓝牙4.0和4.1通过采用四十个2 MHz信道获得低功耗优势，达到1 Mbit/s链路比特率和270 kbit/s应用吞吐率。尽管这些指标低于传统蓝牙，但将延迟由100 ms缩短至6 ms，弥补了应用比特率方面的不足，因为这样能更快地响应数据请求或者发送控制信号，故而对于组网和实施IoT显得更为重要。

　　最大传输功耗也降至10 mW，覆盖距离缩短至50 m以内，因此适合许多IoT应用。蓝牙4.1能让设备同时支持多种功能角色，这样，智能蓝牙型产品可同时作为集线器和外设。 蓝牙技术可与其它无线技术共存，值得注意的便是同在2.4 GHz频段的 Wi-Fi 技术，这种共存性已经得到改进并增加了专用信道，也正是这些技术使得IoT应用成为现实。

　　这种共存性源自逻辑链路控制及自适应架构（L2CAP），它利用64 KB信息包支持IoT所需的更高级别协议多路复用、信息包分割和重新组合、信息服务质量。这一架构基于每个终端均具有信道识别符（CID）的多个信道。CID 分配与特定设备有关，一个设备能够独立地从其它设备分配CID，因而易于在网络中添加设备。于是，我们可以把多个设备添加到菊花链中，简化了设置。

　　图 1：用于智能蓝牙4.1 的L2CAP信道架构可实现设备网络控制，扩大物联网范围。

　　还有更多针对用户的支持功能。蓝牙4.1支持自动重新连接，因此用户进入房间时会重新连接。此外，蓝牙4.1还支持数据批量传输、链路设置和下载大型文件，而不再是保持稳定连接。

　　通用属性配置规范（GATT）是将利用蓝牙4.1扩展的其中之一。这些属性规范在操作系统中提供了一个客户服务器应用编程接口（API），以及服务、特性和描述符。

　这些GATT 用于处理当前应用的数据，如血压、心率、体温计、接近和找到我（Find Me）功能。 IoT 应用的新规范将会采用不同的方式汇集数据。

　　服务属性、特性和描述符将由通用识别符（UUID集中识别。蓝牙SIG为标准属性预留了一些列UUID（其格式为 xxxxxxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB），这些通用识别符在规范中采用16位或32位短格式值表示，而非128 位，以保持较小代码长度并减少复杂性。

　　GATT 规范为客户提供了大量命令，用于发现与服务器有关的信息。具体包括，发现所有主要服务的UUID，用已知 UUID 查找服务，然后发现辅助服务，以及为已知服务查找全部特性。所有这些均属于IoT应用规范。

　　指令通过GATT 发出，用于将有关特性的数据从服务器传输至客户端（"读取"），以及从客户端传输至服务器（"写入"）。读取某个值时，可通过指定该特性的 UUID 或者由一个句柄值完成，该值来自信息发现指令。写操作始终会通过句柄识别特性，但都可以选择是否需要服务器做出响应。

GATT 也发出这种通知和指示，这是 IoT 链路的关键部分。客户端可为来自服务器的特定特性请求一个通知，然后，只要相关的值进入有效状态，