蓝牙5低功耗特性及在物联网中的应用分析

郑士基

摘 要：蓝牙是一种短距离无线通信技术，由于其低成本、低功耗和体积小等优点，已被广泛应用于物联网、智能穿戴设备、无线传感网络等各方面。文章对蓝牙5的特性进行了分析，并研究了其在物联网中的应用场景。

关键词：蓝牙5；低功耗；物联网

1 蓝牙的发展

蓝牙（Bluetooth）是在全球范围内使用最广泛、最受欢迎的短距离无线通信技术之一，自1998年蓝牙技术标准被制定以来，蓝牙在全球范围内的应用得到了飞速的发展。蓝牙设计的初衷是用无线连接代替有线电缆，其目标和宗旨是：保持联系，无需电缆和插头，并以此重塑人们的生活方式，实现方便快捷、灵活安全、低成本、小功耗的话音和数据通信。

蓝牙1是蓝牙最早期的版本，传输速率约在748～810 kbps，因是早期设计，容易受到同频率的产品干扰而影响通信质量。2004年蓝牙2的提出，改善了蓝牙装置的配对流程，在短距离配对方面，具备了在两个支持蓝牙的手机设备之间互相进行配对与通信传输，具备更佳的节能效果。蓝牙3则采用全新的交替射频技术，允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择正确的射频，传输速率也更高，功耗更低。2010年蓝牙4的提出，则包括了3个子规范，即传统蓝牙技术、高速蓝牙和新的蓝牙低功耗技术，蓝牙4的改进之处主要体现在3个方面：电池续航时间、节能和设备的种类，最大的有效传输距离也达到了100 m。

2 蓝牙5的提出

2016年12月8日，在蓝牙技术标准被制定的10多年后，蓝牙技术联盟（Special Interest Group，SIG）推出了新的蓝牙核心规范版本—蓝牙5，而这也是2016年物联网的大事件之一，为物联网设备的低功耗无线连接提供了一个可行、高效的解决方案，从而也进一步推动了物联网的发展。由于蓝牙5针对物联网进行了底层的优化，这也使得蓝牙必然会成为物联网无线连接解决方案中强有力的竞争者。

根据调研机构ABI Research分析，2015年全球蓝牙设备出货量为28亿台，预计到2020年，全球蓝牙设备出货量将达到65亿台，其中智能手机是蓝牙出货量最大的市场，约占整个蓝牙出货量的45%。另据 IndustryARC 2016年3月的预测，蓝牙5设备的出货量将会以复合年均增长率29%的速度增长，预计到2020年，蓝牙5设备的出货量将会达到84亿元，如圖1所示。

3 蓝牙5特性分析

蓝牙5除了具有蓝牙技术的传统特性，如无线频段选择和抗干扰、多址接入体系和调制方式、媒体接入控制、纠错等，还具有以下全新的特性。

图1 蓝牙5设备出货量预计

3.1 2倍传输速度

蓝牙5将蓝牙低功耗设备的传输速率从原来的1 Mbps提升到2 Mbps，大大缩短了数据传输的时间。蓝牙5采用GFSK的调制方式，调制指数范围为0.45～0.55，接近于调制指数为0.5的GMSK，相比于传统蓝牙技术的调制指数范围0.28～0.35，利用GFSK的调制方式更有利于降低功耗和有效提高蓝牙信号抗干扰的能力。

3.2 8倍广播容量

相比于蓝牙4，蓝牙5使用的广播信道由原来的3个增加到40个，每个信道带宽均为2 MHz，分为广播信道和数据信道。其中3个广播信道分散在ISM频段的不同区域，这样的设计有利于避免因其他设备（如WiFi等）干扰而造成无法广播的问题，同时也简化了跳频算法的实现。

3.3 10倍输出功率

蓝牙4版本中输出功率的范围是-20～+10 dBm，而蓝牙5则将输出功率的范围提高为-20～+20 dBm。蓝牙5的最大输出功率相对于之前的版本来说，实现了10倍的提高，这样的改变为蓝牙信号更大的覆盖范围提供了在输出功率上的保障。另外，蓝牙5同样具备输出功率控制特性，以优化产品的功率损耗，并减少对其他设备的干扰。

3.4 4倍传输距离

蓝牙5通过调整传输功率使传输距离达到了300 m，有效解决了之前蓝牙信号覆盖能力有限的问题。蓝牙5通过全新的编码方案，增加了可选的1/2编码和1/8编码两种编码方式。在1/2编码方式下，能够实现提高约5 dB的接收灵敏度，以及在500 kbps速率下约2倍的传输距离；在1/8编码方式下，能够提高约12 dB的接收灵敏度，以及在125 kbps速率下约4 dB的传输距离。相比于蓝牙4，蓝牙5传输的距离得到了大范围的提高。

3.5 更好的兼容能力

蓝牙5引人时隙可用性掩码（Slot Availability Mask，SAM）技术，通过该技术可以检测蓝牙信道的可用时隙，并防止相邻信道间的相互干扰。SAM旨在检测和防止2.4 GHz ISM频段和相邻LTE频段间的冲突问题，以提供更有效的蓝牙通信解决方案。

3.6 更高的室内定位精度

蓝牙用在室内定位已发展了一段时间，但在过去并未受到足够的重视，蓝牙5的其中一个重要特性就是提高了蓝牙室内定位的精确度，结合WiFi技术，可以实现精度达到1 m的定位，从而有效扩展了蓝牙的应用价值。

4 常见的物联网无线通信方式

4.1 ZigBee

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，它是一种短距离、低功耗的无线通信技术，具有近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率等特点。ZigBee协议从下到上分别为物理层、媒体访问控制层、传输层、网络层和应用层。ZigBee可以工作在2.4 GHz，868 MHz和915 MHz 3个频段上，具有最高250 kbps的传输速率，传输距离在几十米范围内。ZigBee的节点非常省电，电池工作时间可以长达2年。

4.2 WiFi

IEEE 802.11标准的无线局域网，可以作为有线局域网的无线延伸，通常使用2.4 G UHF或5 G SHF ISM 射频频段，具有传输速度快、组网灵活、成本较低等特点。

4.3 3G/4G

移动通信技术，其中4G能够快速、高质量地传输数据、图像、音频和视频，下行速度达到100 Mbps以上，极大地满足了用户对宽带移动通信的要求。4G移动系统可分为3层：物理网络层、中间层和应用网络层。

4.4 NB-IoT

NB-IoT是低功耗广域网（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）的一种，具有深覆盖、低功耗、大连接、低功耗等特点。但NB-IoT法满足了对移动性及速率的要求，以及对数据量、效率的业务需求。

5 蓝牙5在物联网中的应用

物联网将物与物连接起来，是万物互联的重要网络。物联网以互联网为基础，也可以看作是互联网功能的延伸和拓展。以物联网、大数据、云计算、人工智能为代表的现代通信技术正引发新一轮产业革命，催生出更具创新力的新产品，激发出全新的商业模式，逐步成为推动经济转型升级的重要引擎，加速推动人类步入智能化时代。据2017年“世界物联网博览会”官方发布信息，我国已部署的机器到机器（Machine to Machine，M2M）终端数量突破1亿，物联网产业规模已从2009年的1 700亿元跃升至2016年的9 300多亿元，年复合增长率超过25%。預计到2020年，我国物联网产业规模将超过1.5万亿元，物联网已成为能够推动生产力飞跃的重要技术之一。

蓝牙5中引入的新特性使得蓝牙在日新月异的智能家庭、医疗、可穿戴设备、汽车、信标、定位和其他许多物联网应用中的使用日益增长。

在智能家居的应用中，蓝牙5不但会减少与其他无线通信技术的潜在干扰，更好地与终端设备进行连接，还能进行简单、安全和可靠的设备连接和互动，增强连接设备的响应速度和覆盖范围，从而极大地提高用户的使用体验。

在智能建筑的应用中，蓝牙5更大的覆盖范围和更高的输出功率，实现了对整栋楼宇建筑的信号覆盖[2]，通过对编码方案和输出功率的合理选择和优化，加上Mesh组网的能力（Mesh是一种新型的无线网络架构，网络中的每个节点都可以一对一和一对多的连接[3]，是一种可以不断扩展的网络），为实现楼宇建筑的智能化提供了最基础的通信保障。

在智能工业的应用中，对于通信的功耗和组网能力要求是比较高的，而设备之间的数据传输频率和数据传输量却比较少，因此蓝牙5低功耗的特性及Mesh组网的能力能够很好地满足智能工业组网的需求。

6 结语

蓝牙5及其低功耗、广覆盖、大容量等特性能够实现极低的待机与运行功耗，蓝牙设备使用一粒纽扣大小的电池就可以连续运行数年，这对于日益普及的物联网、智能穿戴设备来说，能够在最大限度上满足设备对长时间运行、无人工干预、网络传输稳定的要求。在可以预见的将来，蓝牙5必将会拥有庞大的市场和更广泛的应用。

[参考文献]

[1]海登.低功耗蓝牙开发权威指南[M].陈灿峰，译.北京：机械工业出版社，2014.

[2]黎卓芳.蓝牙技术在物联网中的应用研究[J].现代电信科技，2012（12）：61-66.

[3]朱刚，谈振辉，周贤伟.蓝牙技术原理与协议[M].北京：北方交通大学出版社，2002.