蓝牙5:网状网络,更广的范围以及共存IoT和IIoT应用潜力的能力

蓝牙特别兴趣小组(SIG)去年12月发布了2,822页的蓝牙标准,很明显,SIG的意图是使该技术更适合物联网应用。正是为了实现这一目标,SIG于2017年7月正式将网状网络功能添加到了规格中,这有可能使蓝牙5成为远距离无线通信的有力竞争者,特别是在物联网和IIoT中。为了明白为什么网状网功能如此重要,有必要与蓝牙5提供的其他改进(更大的范围,更快的数据传输以及与其他技术共存的能力)一起查看。

了解网状网络

蓝牙是一种星型拓扑结构(图1a),其中所有设备都连接到中心集线器。由于设备本身不能作为集线器,扩展网络的唯一方法是将更多设备连接到中心集线器。虽然这可以在有线网络中完成(虽然需要大量电缆),但无线星型网络的范围有限,因此其最大距离由最远连接的设备决定。一个更好的解决方案是网状网络(图1b),其中所有设备相互通信,这使得网络覆盖的大小和区域几乎没有限制。
网状网络与星型拓扑结构

图1:星形拓扑(a)具有有限的可扩展性,而网格类型(b)几乎是无限的。
蓝牙网状网络的缺失成为一个严重的缺点,因为物联网开始从一个缩写词演化为实际系统。例如,在生产车间可以有数百个启用无线的传感器,所有这些传感器都必须共享信息,然后通过有线或无线方式将信息传送到外部世界和互联网。蓝牙无法做到这一点。
事实上,蓝牙对网状网络功能的需求非常重要,以至于2015年被高通收购的剑桥硅无线电公司(CSR)等公司,创造了允许蓝牙低功耗设备形成网状网络的方法,尽管网状网络不是但包含在标准中。这些公司以及北欧半导体公司和其他公司一起与蓝牙技术联盟合作,将网格功能加速到蓝牙5。
现在,网状网络已经在蓝牙5中得到了标准化,但仅凭这一因素就可以证明,这项技术使得该技术成为任何物联网应用的主要竞争者。与大多数竞争技术不同,蓝牙技术被纳入到每一部智能手机,平板电脑和笔记本电脑中,因此可以通过应用程序配置和重新配置蓝牙5网络,而该应用程序的用户可能位于同一个房间或几千英里外。这降低了控制蓝牙5网络的成本和复杂性。在物联网系统中,这是一个主要的好处。
网状网络功能还补充了蓝牙5的其他增强功能之一 - 增加的范围 - 理论极限为200米,是蓝牙4.0的两倍。蓝牙5通过将最大输出功率从10dBm(10mW)增加到20dBm(100mW)来实现这一点。

范围,速度和共存的作用

任何通信应用都需要增加范围,但在家庭自动化环境中尤其重要。蓝牙5现在可以支持这个应用程序,这要归功于其更大的范围和网状网络功能。它们共同允许Blueooth-5设备连接到任何规模的住宅,甚至在室外和建筑物之间。由于这是不可能的,Wi-Fi和Zigbee等竞争技术开始利用这个缺点。
增加的距离和网状网络应该也会对蓝牙信标产生影响,这种应用虽然可以在2013年上市,但并没有真正把握世界。即使在许多应用中信标技术的属性都具有吸引力,这也是如此。

信标定义

在基本级别上,信标是一种短距离传送短消息并追踪蓝牙设备的方法,无需在信标和设备之间进行配对。唯一的要求是,该设备(通常是Apple或Android智能手机或平板电脑)已安装专用于信标的应用程序。零售行业目前是信标的主要用户,因此让我们使用这是一个应用示例。
在商场中,零售商通过其商店在诸如商店入口,展示柜台和结账通道等地点安装信标(图2)。这些微小(小至1x5x0.75英寸)的设备以特定间隔广播信号,每个信号包含少量数据。由于数据量很小,射频输出功率非常低,功耗也很小,信标灯可以在纽扣电池上运行数年。它们也便宜,所以零售商可以在很多地方安装它们。
当购物者经过商店并从显示器中弹出的显示URL或其他信息的信标接收到通知时,流程开始。这通常是优惠券,忠诚奖励或其他形式的促销。然后,用户点击通知并发送到零售商网站上的某处,在那里提供更多信息。
蓝牙信标

图2:一个典型的信标零售场景展示了如何将它们放置在不显眼的地方,追踪购物者去哪里。
对于零售商和博物馆等其他组织来说,这可能会带来多么宝贵的想象力,它可能会发出通知,并提供有关艺术品,恐龙或任何访客正在查看的细节的链接。它们还可以用于定位和导航,跟踪几乎任何事物(包括人物),并自动注册贸易展览与会者以及其他许多应用程序。由于信标只能传输,它们不收集个人信息,从而最大限度地减少安全问题。
信标的用途完全取决于零售商或其他组织选择如何处理他们提供的信息。例如,零售商可以确定购物者最感兴趣的产品,他们去哪里购物,以及他们是否购买了某些东西(图3)。
蓝牙信号如何工作

图3:信标发送到智能手机上的应用程序。如果用户采取行动,则将其发送到服务器,该服务器通过将用户发送到网站来提供附加信息。
不幸的是,在蓝牙5之前,信标可以传输的最大消息长度限制为31个字节 - 太小甚至不能包含大多数URL中的所有字符,或者提供足够长的文本消息来传达任何有用的信息。蓝牙5通过将消息长度增加到255字节来解决这个问题,这样可以容纳更多的信息。蓝牙5还提供更高的数据速率,不仅应该有利于信标,而且还会有许多其他应用。

更快的数据传输

蓝牙5将其最大数据速率从蓝牙4.0的1Mb / s提高到2Mb / s。尽管没有大规模增长,但它仍然可以在更短的时间内传达更多数据。这种增长的最大恩惠之一可能是要求近乎即时的往返通信的物联网应用,例如控制医疗中的机器人手术设备和生产车间中的机器。它还可以让物联网设备将数据存储几天,并在几秒钟内一次全部发送,而不是定期分段发送。这将减少物联网设备的功耗,这对于延长电池寿命至关重要。
蓝牙5提高速度所提供的物联网的另一个好处是可以使传感器更快更频繁地更新,这对于确保网络中的每个设备都具有最新的安全功能和最新的固件非常重要。由于歹徒已经找到了感染物联网设备和网络的方法,因此安全方面的益处至关重要,随着更多物联网系统的到位,无疑将会增加其活动。

共存的能力

除了我们讨论的好处之外,蓝牙5还具有其他增强功能,可提高其强大的功能,其中最重要的功能之一是它能够与2.4 GHz工业科学和医学(ISM)频段中的其他服务共存。
蓝牙在频率和运营方面远非孤立,只有通过内置的功能和其他服务(如Wi-Fi)才能运行,而不会相互干扰。例如,在开发蓝牙5时,SIG考虑到在许多地方,包括使用物联网的地方,蓝牙并不是唯一运行的服务。
为确保在这些情况下干扰最小,该标准建立在现有功能的基础上,例如避开Wi-Fi使用的信道,同时添加检测并自动防止对蜂窝网络的干扰的“时隙可用性掩码”。随着蜂窝网络不断扩展,包括非常接近蓝牙使用频率的频率,这将在未来变得越来越重要。
Bluetooth SIG并不是唯一意识到在某些情况下将会使用多种连接解决方​​案的公司,而硅片供应商通过将多种连接协议纳入其片上系统(SoC)器件来解决这个问题。

简化解决方案

虽然许多系统将使用单个连接解决方​​案,但其他系统将使用几个。从设计人员的角度来看,这需要为每个SoC单独提供一个单独的SoC,这会增加成本和复杂性,并可能增加上市时间。硅片供应商不需要很长的时间来解决这个问题,而且越来越多的SoC可以容纳多种协议。
第一个设备制造商是Nordic Semiconductor,即使在完整标准发布之前,它在12月份推出了nRF52840和(nRF52840-PDK)预览开发套件(图4)。蓝牙5及其低功耗前代产品的单板开发工具还具有ANT,IEEE 802.15.4m低功耗无线局域网(LPWAN)标准和专有的2.4-GHz应用。
Nordic Semiconductor nRF52840 SoC开发套件

图4: Nordic半导体nRF52840 SoC开发套件是一款单板解决方案,可加速使用蓝牙5,IEEE 802.15.4m和专有连接标准的产品设计。
与Arduino Uno Revision 3兼容的nRF52840 SoC采用64-MHz,32-b ARM Cortex M4F处理器,新的无线电架构,RF功率放大器,1M字节的闪存,256K字节的RAM,USB 2.0控制器以及许多其他功能。它可以使用5 VDC以上的电源运行,并且可以利用ARM CryptoCell-310密码加速器解决安全问题。
另一个例子是Skyworks Solutions的SKY66112-11前端模块(图5),该模块服务于蓝牙5,线程和ZigBee,并在SoC中产生高达射频输出功率(100 mW,+ 20 dBm)射频输出功率的五倍单独。这消除了进一步放大的需要,并且可以将接收灵敏度提高7 dB,超过接收范围的两倍。
Skyworks SKY66112-11前端模块

图5: Skyworks的SKY66112-11前端模块与蓝牙5兼容。
德州仪器的CC26xx SimpleLink无线微控制器也考虑到了这一点,因为它们适用于蓝牙,ZigBee和6loWPAN。该系列器件将ARM Cortex-M 3处理器,大量内存以及连接到外部传感器的控制器组合在一起,以便在系统其余部分处于睡眠模式时自动采集数据。它消耗的功率非常小,并且集成了各种功能和接口以及AES-128加密。

结论

本文中描述的蓝牙5的功能是主要的功能,但每个标准中包含的标准还有很多“调整”,以及其他功能,这些功能使低能耗蓝牙版本等于或优于其竞争对手物联网应用程序。网状网络是最广泛使用的,因为它使标准首次超过了短距离个人区域网络。然而,它更大的范围,更好的信标支持,更高的数据速率和更长的信息长度以及数十项其他增强功能,再加上节约的功耗,低实施成本和大量市场渗透,确保它将继续成为高度竞争的连接解决方​​案未来几年。

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