【云驻共创】物联网无线短距离蓝牙技术

蓝牙在日常生活中的应用现已非常广泛，例如：蓝牙耳机、无线鼠标、蓝牙键盘、音箱、遥控器、蓝牙检测仪、医疗领域等。它是一种短距离的无线通信技术标准，常用于个人局域网中。

本文通过介绍蓝牙的产生与发展、蓝牙技术原理以及蓝牙技术与物联网应用来详细介绍蓝牙技术，下面赶紧来看一下吧！

一、蓝牙的产生与发展

20世纪90年代中期，几大通信技术公司开始考虑研究一种短程无线通信技术，搭载在移动设备上能让互不兼容的设备相互通信。

蓝牙技术开始于爱立信在1994年创制的方案，该方案旨在研究移动电话和其他配件间进行低功耗、低成本无线通信连接的方法，发明者希望为设备的无线通信创造一组统一规则（标准化协议），以解决用户间互不兼容的移动电子设备的通信问题，用于替代RS-232串口通信标准。

研究的关键是除掉连接移动电话和PC卡、耳机、台式电脑及其它设备之间的电缆，爱立信发现，解决兼容问题的方法是将各种不同的通信设备通过移动电话接入到蜂窝网上，而这种连接的最后一段就是短距离的无线连接，随着项目的进展，爱立信把大量资金投入到短距离无线通信技术的研发上。

图1 蓝牙图标

1998年，爱立信、英特尔、诺基亚、东芝和IBM五大公司组成了蓝牙特别兴趣小组（SIG，Special Interests Group），专门联合研究短程无线通信技术，并制定相应的标准化协议。

特别指代这项技术的名词“蓝牙”一词是由英特尔的工程师Jim Kardach提出的，来源于十世纪一位丹麦国王的绰号，他统一领土的故事，与让本项技术成为统一的通用传输标准的理念不谋而合。

图2 蓝牙版本

蓝牙技术主要历经了蓝牙1.0/1.1/1.2/2.0/2.1/3.0/4.0/5.0几次重大的版本革新，1999年SIG正式发布了Bluetooth 1.0a规格，也是蓝牙的第一个正式版本，确立了2.4GHz频段为蓝牙使用频段，处于ISM频段中，即工业，科学和医用频段（国际通用为2.4~2.4835GHz）无线局域网、ZigBee等无线网络，也均工作在2.4GHz频段上。

1.1 蓝牙1.0

图3 蓝牙早期版本1.0a和1.0b

早期的蓝牙1.0a和1.0b版本存在不兼容问题，同时，在两个设备“链接”（Handshaking）的过程中，蓝牙硬件的地址（BD_ADDR）会被发送出去，在协议的层面上不能做到匿名，造成泄漏数据的危险，因此，当1.0版本推出以后，蓝牙并未立即受到广泛的应用，另外，当时对应蓝牙功能的电子设备种类少，蓝牙装置也十分昂贵。

1.2 蓝牙1.1

2001年，SIG发布了Bluetooth 1.1。之后，蓝牙1.1列入了IEEE 802.15.1标准，规定了物理层（PHY）和媒体访问控制（MAC）规范。其中，蓝牙1.1的传输率在748~810kb/s。随着蓝牙设备售价大幅下降，装载蓝牙的设备大幅增多，但是，更多的设备使得蓝牙传输容易受到同频率之间产品干扰，影响通讯质量。

1.3 蓝牙1.2

针对蓝牙1.1设备容易受到同频率之间产品干扰的情况，蓝牙1.2在此基础上增加了跳频扩频技术（Frequency-Hopping Spread Spectrum，简写为FHSS），从而改善了抗干扰能力。

蓝牙1.2也只有748~810kb/s的传输率，传输率并未改善。蓝牙1.2的另一个重要功能改进是完善了匿名方式，原有蓝牙1.1版本蓝牙硬件的地址（BD_ADDR）会被发送出去，这就有被攻击的风险。蓝牙1.2新增屏蔽设备的硬件地址功能，从而保护用户免受身份嗅探攻击和跟踪。同时，蓝牙1.2向下兼容1.1版。

图4 爱立信第一款蓝牙手机T39mc

蓝牙1.2新增技术还有：

eSCO（Extended Synchronous Connection-Oriented links）延伸同步连结导向信道技术：用于提供QoS的音频传输，进一步满足高阶语音与音频产品的需求；

Faster Connection快速连接功能：可以缩短重新搜索与再连接的时间，使连接过程更为稳定快速；

支持立体声音效的传输要求，但只能以单工方式工作

1.4 蓝牙2.0

2004年发布的蓝牙2.0是1.2版本的改良版，技术特点有：

新增EDR（Enhanced Data Rate）技术，通过提高多任务处理和多种蓝牙设备同时运行的能力，使得蓝牙设备的传输率可达8M/s~2.1M/s，支持蓝牙2.0+EDR标准的产品于2006年大量出现。

蓝牙0支持双工模式：可以一边进行语音通讯，一边传输文档/高质素图片，同时支持立体声音效运作；

EDR技术通过减少工作负债循环来降低功耗，由于带宽的增加，蓝牙0增加了连接设备的数量；

仍然有配置流程复杂的缺点，此外设备功耗依然较大

1.5 蓝牙2.1

蓝牙2.1新增了Sniff Subrating省点功能，即低耗电监听模式，原本两个已连接设备处于待机期间，蓝牙仍然会发送互相确认的讯号确保连接状态，这就造成了蓝牙时刻处于一种工作状态Sniff Subrating功能将设备间互相确认的讯号发送时间间隔从0.1秒延长到0.5秒左右，休眠的时间因此增长（待机时间延长了5倍），让蓝牙芯片的工作负载大幅降低。下图为苹果蓝牙2.1飞碟音箱。

图5 苹果蓝牙2.1飞碟音箱

1.6 蓝牙3.0

2009年，SIG发布了蓝牙3.0标准，蓝牙3.0新增了可选技术High Speed，HS技术可以使蓝牙调用802.11 Wi-Fi用于实现高速数据传输，传输率高达24Mbps，是蓝牙2.0的8倍，轻松实现录像机至高清电视、PC至PMP、UMPC至打印机之间的资料传输。

蓝牙3.0的核心是AMP（Generic Alternate MAC/PHY，可切换的媒体访问控制器和物理层），这是一种全新的交替射频技术，允许蓝牙协议栈针对任意任务动态地选择正确射频AMP在蓝牙的实际运转中作为系统次要控制器发挥作用，当BR/EDR主要控制器搜索配对并建立连接后，两台设备的AMP管理器可建立连接，并将重要数据通过AMP的次要控制器进行传输。

图6 蓝牙3.0

蓝牙适配器就是一种典型应用，它使用USB总线供电，通过蓝牙芯片和内置天线实现蓝牙传输功能。

图7 蓝牙适配器

在功耗方面，蓝牙3.0引入了增强电源控制技术（EPC），实际空闲功耗明显降低。此外，蓝牙3.0还加入单项广播无连接数据技术（UCD），提高了蓝牙设备的相应能力。

1.7 蓝牙4.0

2010年发布的蓝牙4.0，在蓝牙3.0+HS的技术基础上加以补充，同时，针对成本和功耗方面的缺陷进行了开发，蓝牙4.0是第一个蓝牙综合协议规范，它将三种规则集成在一起，提出了传统蓝牙、高速蓝牙和低功耗蓝牙三种模式，SIG将蓝牙4.0的诸多性能优势归纳又成为蓝牙智能（Bluetooth Smart）技术。

图8 蓝牙4.0

其中，传统蓝牙、高速蓝牙、低功耗蓝牙的区别为：

传统蓝牙：以蓝牙2.0为基础，专注于设备的连接与数据传输；

高速蓝牙：以蓝牙3.0为基础，以极高的数据交换和传输速率为目标

低功耗蓝牙：蓝牙4.0首创设备连接占用带宽较少，且设备功耗大大降低

此外，蓝牙4.0设备的成本大大降低，并提高了扩厂商互操作的兼容性。蓝牙4.0大大提高了响应速度，蓝牙2.1版本的启动连接需要6秒时间，而蓝牙4.0连接及传输设置仅有3毫秒延迟。蓝牙4.0采用AES-128CCM进行数据包加密和认证（128bits密钥长度、10轮加密处理）。蓝牙4.0的有效传输距离最高可达到100米（蓝牙3.0仅为10米）。

传统蓝牙

功耗等级

最大输出功率

最小输出功率

传输距离

Class 1

100mW（20dBm）

1mW（0dBm）

10~100m

Class 2

2.5mW（4dBm）

0.25mW（-6dBm）

1~10m

Class 3

1mW（0dBm）

0~1m

“蓝牙功耗等级”的说法仅适用于传统蓝牙，如上表所示，传统蓝牙的三个功耗等级耗电量较大，当应用时追求传输距离时，相应产品的功耗也会增加。

毫无疑问，蓝牙4.0中最重要的变化就是蓝牙（Bluetooth Low Energy）低功耗功能—蓝牙设备的功耗能在传统蓝牙的基础上降低90%，电池续航时间大大提升，有效节能。

1.8 蓝牙4.1

4.0到蓝牙5.0之间，SIG又发布了4.1和4.2两个小版本，对蓝牙4.0进行了进一步的补充。

2013年的蓝牙4.1支持专用的IPv6通道，可通过互联网将手机和云端数据同步，其次是支持各类扩展设备自主收发数据，而不需要通过中心设备进行数据交换，例如：同时连接在同一台手机（中心设备）的蓝牙耳机和智能手表（扩展设备），智能手表相关的数据信息，如整点报时，可直接与蓝牙耳机进行数据收发，使耳机发出报时声音，而不需要通过手机。

图9 蓝牙设备

1.9 蓝牙4.2

2014年的蓝牙4.2在传输速率方面进行了改进，约为12Mbps，比上代提高了2.5倍。蓝牙4.2通过添加用户许可功能，确保了隐私保护功能，即当蓝牙信号想要连接或者追踪用户设备时，必须经过用户许可。

图10 蓝牙4.2模块示例

另外，蓝牙4.2支持6LoWPAN，6LoWPAN是一种基于IPv6的低速无线个域标准，即IPv6 over IEEE 802.15.4只需要应用一个简单的网桥设备，6LoWPAN就能支持与其它802.15.4设备的互通，同时也支持和其它IP网络的互通，如以太网和Wi-Fi，这一点不同于Wi-Fi或者ZigBee技术，与其他网络连接时需要非常复杂的操作。

1.10 蓝牙5.0

2016年6月16日，蓝牙技术联盟（SIG）在华盛顿正式发布了蓝牙5.0。

图11 蓝牙5.0

蓝牙5.0的技术特点有：

蓝牙0覆盖范围进一步加大，是蓝牙4.2的四倍；

蓝牙发射和接收设备之间的理论有效距离增至300米；

蓝牙0速度为蓝牙4.2的两倍，传输速度上限为24Mbps；

蓝牙0数据广播能力提升了800%；

蓝牙0优化了物联网底层功能，力求以更低的功耗和更高的性能支持物联网应用；

蓝牙0推出了适用于物联网的全新开发人员工具套件。

二、蓝牙技术原理

2.1 蓝牙系统结构

蓝牙的系统结构包括两大模块：应用模块和通信系统模块，通信系统模块连接有蓝牙微带天线。蓝牙系统结构如下所示：

图12 蓝牙系统结构

无线射频通信电路通过蓝牙天线进行无线信号收发，蓝牙天线属于微带天线，微带天线在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带先或同轴探针对贴片馈电构成的天线。

如之前所介绍的，蓝牙使用2.4GHz的频段，在天线电平0dBm的基础上建立空中接口，以传统蓝牙为例，当工作在Class 1的功率等级时，无线射频通信电路的最大发射功率约为100mW，系统的传输距离在10~100m之间，系统使用2401MHz到2479MHz频段中共79个频道传输，同时采用跳频技术，每秒达到1600跳的跳频速率，下图为蓝牙微带天线图。

图13 蓝牙微带天线

2.2 蓝牙技术特点

图14 蓝牙技术特点

蓝牙技术的创始主要基于以下需求，实现以短程无线通信：

低成本：需要能搭载与个人移动通信设备，便于日后普及；

高传输速率：需要能够传输一定规模的文件、数据；

连接方便：操作简便，无需复杂的建立连接操作，且两台设备不需要像红外一般以口对口方式建立连接。

在早期的两台手机近距离传输互联方式中，常见有蓝牙与红外两种传输方式，其中红外技术不需要设备配对，但需要两台手机紧贴传输（1米以内），现在手机与其他设备互联基本以蓝牙传输为主，但手机红外设备仍然在手机充当各类智能家居遥控器的场合发挥一定作用。

图15 手机近距离传输

2.3 蓝牙物理链路

蓝牙是一个点对点，也可以点对多点的拓扑结构，若干个蓝牙设备可以组成一个网络，如果是点对点结构，则两点之间有一条物理通道，如果是点对多点结构，则他们共享一条物理通道，所有使用物理通道的蓝牙设备，需要通过同步跳频，搜索并发现到相同的跳频模式的设备进行配对，我们吧这些通用一个物理通道的集合称之为微微网（Piconet）。

图16 点对点传输

蓝牙遵循主从架构（master/slave architecture）网络中主动提出通信请求的是主设备（master），被动通信的是从设备（slave）在一个微微网中只有一个设备能称之为主设备，其余的设备都是从设备，一般主设备可以和256个从设备保持同步，但最多只能与其中7个从设备同时通信，如果从设备之间需要相互通信，则必须通过主设备进行转发。

图17 微微网

由多个微微网互联形成的网络称为散射网（Scatternet），当同一区域有多个微微网时，可能存在某个设备成员同时属于两个或多个微微网的情况，该设备可能在微微网1属于主设备，同时，在微微网2属于从设备，此时，该设备就可以作为微微网1和微微网2的网桥存在。

图18 散射网

2.4 蓝牙硬件地址

蓝牙使用BD_ADDR（蓝牙硬件的地址）用来分辨不同的蓝牙设备，如同PC网卡内部都有一个唯一MAC地址，每个蓝牙设备有自己的硬件地址和设备地址码，蓝牙的关键控制参数，如跳频序列、加密钥匙等，都是由此地址计算求得。

各个制造商生产的蓝牙硬件的BD_ADDR必须向SIG申请，保证了该地址的全球唯一性。

Company assigned

Company_id

LAP

UAP

NAP

0000 0001 0000 0000 0000 0000

0001 0010

0111 1001 0011 0010

2.5 蓝牙通信过程

两个蓝牙单元之间通信，首先需要查找配对，一般是由一个设备发起呼叫（此时该设备即为主设备），通过查找搜寻传输范围内的被查找设备（此时该设备即为从设备），当主设备找到从设备之后，两者进行配对，部分设备在配对时需要输入识别密码。

配对过程完成后，从设备上的蓝牙单元可记录主设备的信任信息，因此，下次现有主设备向从设备呼叫时，不再需要重新配对。配对完成后，蓝牙之间建立链路，主从设备间可以进行双向通信，在需要时，主从设备均可以发出断链请求，此时，蓝牙链路将断开，配对过程如下所示：

图19 蓝牙通信连接过程

在微微网中，需要配对的若干蓝牙单元，必须使用相同的跳频序列，此时，主设备确定整个微微网的跳频序列和时序。在一个互联的分布式网络中，一个节点设备可以同时存在于多个微微网中，但不能再两个微微网中处于激活状态。

2.6 蓝牙的连接流程

蓝牙的连接流程可以简单描述为：首先，各个从设备开启广播状态（Advertising）;主设备开启扫描状态（Scanning）扫描从机广播；从设备接收到主设备的请求，从设备向主设备发送扫描回应数据；主设备进入发起状态（Initiating）向从设备发起连接；从设备接收到请求开始通信，主从设备进入连接状态（Connected），如下图所示：

图20 蓝牙的连接流程

2.7 蓝牙的工作状态转换

待机状态是初始状态，此时蓝牙不发送数据，也不接收可由其它任何一种状态进入，也可以切换到除连接状态外的任意一种状态；广播状态是由待机状态进入连接成功后，可切换为连接状态；扫描状态是可以通过广播通道接收数据的状态，由待机状态进入，可通过命令将扫描状态切换回待机状态；发起状态由待机状态进入，当连接成功后，发起设备和对应的广播设备都会切换到连接状态；连接状态在通道建立之后，由发球状态或者广播状态自动切换而来，通道断开后，会重新回到待机装填，状态转换图如下所示：

图21 蓝牙工作状态转换图

三、蓝牙技术与物联网应用

3.1 蓝牙定位原理与应用

蓝牙定位基于RSSI（Received Signal Strength Indication,信号场强指示）定位原理RSSI在一般的无线通信中均有应用，包括LTE、Wi-Fi、蓝牙等RSSI值可用来判定链接质量，以及是否增大广播发送强度，是无线发送成的可选部分，RSSI的值一般是负值，可用dBm的功率单位衡量，随距离的增大而衰减，该值越接近零说明信号强度越高。

RSSI的值与距离之间的关系有如下公式：

其中：d为接收端到信号源的距离，A为接收端和信号源相隔1米是的信号强度，n为环境衰减因子。

根据定位端的不同，蓝牙定位方式分为网络侧定位和终端侧定位。无论在哪一侧定位，蓝牙通信首先需要接收到广播信号，而定位点距离发射点距离不同会影响接收到的无线信号强度（功率），因此，监测到的蓝牙信号可以作为判断距离待测物体远近的依据。

借此我们可以实现室内的蓝牙实时定位，可将蓝牙发射器（通常称为定位标签）放置到需要定位的物品上，这些标签将其当前位置和接收信号强度（RSSI）传输到整个设施中固定位置的蓝牙接收器（通常称为定位器），再通过服务器将相应信息返回到终端并提示用户。

3.2 iBeacon的应用

iBeacon是苹果公司再iOS7上搭载的一种新功能，通过蓝牙技术进行十分精确的未定位和室内导航并提示用户相比于Wi-Fi和GPS，iBeacon的精度非常准确，可实现范围内的微定位及收发信息，而且，iBeacon技术成本较低，问世之处即有诸多开发商研究利用。

图22 苹果 iBeacons

图23 苹果 iBeacon

iBeacon的主要应用有定位和测距两方面。

定位

定位的实现需要在区域内（主要是室内）设置iBeacon基站，通过手持蓝牙终端收到iBeacon基站发送的与位置相关的UUID号和RSSI值，通过加权的三环定位算法即可定位人员在之内的坐标位置。此方法具有功耗小、时延低、传输距离远的特点，满足了搞定度室内定位的需求，一般所有的基站都均匀分布在所需定位的室内空间中。

（2）测距

iBeacon的传输距离分为3个不同的范围：近距离（immediate）大约只有几厘米距离；中距离（near）在几米之内；远距离（far）大于10米。当用户进入、退出或者在区域内徘徊时，iBeacon的广播有能力进行传播，根据用户和Beacon的距离，这三个距离范围可以相互交互。iBeacon传输的最大距离取决于位置、现场布置、障碍物标准信号有近似的70米，远程信号可达450米。

3.3 iBeacon与GPS对比

随着蓝牙4.0在智能设备上的普及，iBeacon技术的门槛也会越来越低，且相比Wi-Fi，iBeacon定位精度更高、铺设难度小，想象空间依然很大，iBeacon弥补了GPS技术的不足，为用户提供一种低成本、更省电的室内定位追踪技术，另外，iBeacon能根据用户的位置和需求，通过手机应用程序来提供智能化的电子服务，通过将室内定位技术和数据融合，iBeacon创造了一种新型的商业模式，并以此实现了“在恰当的时间将恰当的产品推销给恰当的消费人群”这一营销理念。

从定位上说，在大范围内GPS更为精确只要能接收到四颗卫星的定位信号，就可以进行误差5米内的定位，而且在中国一般都能接受道6-10颗卫星信号，但是由于GPS受天气和位置影响很大，当天气不佳或者处于室内或高架桥下等不易见到天空的地方，GPS就会受到很大的影响，相比之下iBeacon的定位基于蓝牙4.0技术信号稳定，不易受天气干扰，在中短距离内定位相当准确，更适合于室内定位和信息推播。

指标

GPS定位

iBeacon定位

待机时间

连续工作时间不超过2天

工作时间可达6个月

信号稳定性

信号盲区覆盖多，雷雨天信号差

使用蓝牙4.0技术，不易受天气干扰

定位功能

GPS可实时定位

通过信号强度定位

定位精度

10米左右

1米至几十米

用户身份系统

无

具备唯一认证性

3.4项目案例：蓝牙5.0与资产定位

目前在蓝牙定位应用方面，市面上有以iBeacon为基础的诸多成熟产品，配合蓝牙5.0的高精度定位功能与Wi-Fi技术可实现较为精准的室内定位，定位精度可达厘米级。以下是某档案室的俯视图，我们一次为例单间一个简单的资产定位系统。

图24 案例图

终端侧定位一般用于室内定位导航，精准位置营销等用户终端，网络侧定位主要用于人员跟踪定位，资产定位及客流分析等情境之中。

此外，还有一种反向定位的应用方式将蓝牙网关的扫描范围标记为安全区域，同时将蓝牙标签置于需要监控的重要资产上，一旦iBeacon设备离开安全范围，便能出发后台的安全报警，实现未知追踪的目的，这也是实现安全看护和屋子管理的关键。

四、总结

本文主要对物联网无线短距离蓝牙技术进行了介绍，包括蓝牙的发展历史，蓝牙的技术原理以及蓝牙技术与物联网的应用。其中，蓝牙经过了数代的发展，已经越来越标准，越来越成熟，蓝牙技术联盟成员已超过三万，在汽车、消费电子产品、家居、可穿戴设备以及医疗等领域得到广泛应用。

未来随着智能化的不断提升，物联网应用越来越多，蓝牙技术将会得到更广泛的应用和发展。

本文整理自华为云社区内容共创活动：任务21物联网无线短距离蓝牙技术专题

查看活动详情：https://bbs.huaweicloud.com/blogs/308924

版权声明：本文内容由网络用户投稿，版权归原作者所有，本站不拥有其著作权，亦不承担相应法律责任。如果您发现本站中有涉嫌抄袭或描述失实的内容，请联系我们jiasou666@gmail.com 处理，核实后本网站将在24小时内删除侵权内容。