版主信息与通信 2024-01-19

迈向更多场景的低功耗蓝牙技术，连接未来的“无线”可能

今天要跟大家讨论的是低功耗蓝牙技术（BLE）。就字面意思来说，与经典的蓝牙技术相比，低功耗蓝牙技术胜在低功耗。无线鼠标与电脑配对、手机连接蓝牙音箱播放音乐、健身追踪器与手机应用数据同步......这些场景的实现都在利用低功耗蓝牙技术。因为功耗极低，所以更受电池供应商的青睐。

目前，低功耗蓝牙技术已成为无线传感器部署的核心，而且已基本成为另一个SoC标准接口。低功耗蓝牙技术不仅能应用于我们日常使用的手机、平板、电脑等电子设备，也可以应用于汽车、可穿戴设备、零售等领域，该技术的新用例正在不断涌现。现在正是开发者们深入了解并提前部署的好机会。

1.纯低功耗蓝牙技术发展势头强劲

根据ABI Research和Bluetooth SIG所提供的数据，蓝牙标准整体增长势头强劲：预计到2027年，蓝牙设备的年出货量将达到76亿台。

这一增长主要来自于蓝牙周边设备，其中纯低功耗蓝牙技术解决方案的电池供电设备占据了主导地位。低功耗蓝牙设备在2.4GHz免许可无线电频段内工作，为附近的设备提供无线连接。预计在未来几年，纯BLE设备的出货量将增加2倍。手机、平板、PC等设备也会部署蓝牙且通常为双模，即同时部署经典蓝牙和低功耗蓝牙，但此类设备的增长率相对平缓。

根据ABI Research和Bluetooth SIG的报告，低功耗蓝牙技术的相关用例可分为以下四个关键细分市场：

细分市场一：音频传输

音频传输，涵盖了无线扬声器、头显、耳塞以及车载系统等众多领域。通过低功耗蓝牙技术，在电影院观影时甚至可以自行选择音频语言，让观影体验更加完美。

Bluetooth SIG的Auracast广播音频功能让智能手机、平板电脑、电视或其他音频源设备能够向耳塞和扬声器等不限数量的音频接收设备广播音频。无论你在哪里，只要有蓝牙设备，你都能享受到音乐的快乐。

这不仅仅是一项技术的突破，更是人类对于美好生活的追求，让生活充满无限可能。

细分市场二：数据传输

在智能化的今天，从可穿戴设备到PC外设，数据传输已成为它们与外界沟通的桥梁。

健身时，健身追踪器或智能手表可以实时与手机或电脑分享数据；键盘、远程心率和血压监测工具等健康与保健设备，能够与应用或主机系统同步，时刻为用户提供最准确、最新的健康信息，辅助大家更好地管理自己的身体状况。

数据传输对设备配置至关重要，包括开关、门锁等无线设备。它使远程控制家电和安全开关门锁成为可能，是现代生活中不可或缺的一部分。

细分市场三：定位服务

无论是精确的资产跟踪、室内导航，还是细致的人员定位，定位服务都展现出巨大的潜力和价值。医生和护士定位患者位置，确保提供及时的护理和就职；访客在博物馆、体育场、机场等地不再迷路，轻松找到目的地；用手机给汽车、住宅开锁；钱包、钥匙、手机等个人资产即使丢了也能通过定位找回。资产追踪标签为我们提供了另一层安全感。

细分市场四：设备网络

设备网络是另一个有望在未来几年实现良好增长的细分市场。例如，用于照明、商业楼宇自动化和智能家居的控制系统网格网络；用于工厂控制、暖通空调设备以及照明、温度、振动、占用率和湿度等参数的监控系统；支持动态定价的电子货架标签；电动汽车电池监测器和胎压监测器等汽车应用。

2.多协议无线解决方案为何备受追捧

蓝牙，尤其是低功耗蓝牙技术，作为独立无线协议正迅速发展，与其他无线协议结合实现访问、控制和配置/调试等应用。下面将介绍可与BLE搭配的关键无线协议。

Zigbee Direct通过在基于Zigbee的网格网络上设置节点，利用BLE简化网络接入。在过去20年中，Zigbee因其低功耗和短距离特性，一直被视为蓝牙技术的竞品。Zigbee Direct降低了复杂性，因为它不需要云访问或集线器即可实现设备接入以及大型商业应用和智能家居网络的维护。通过与BLE相结合，该技术非常适合住宅、商业、公用事业、能源等应用。

Thread为BLE调试定义了方法。通过在Thread网格网络中使用Thread/蓝牙双模设备，并借助直接链路传输安全层（TSL）连接进行基于证书的验证，为设备提供一定程度的安全性。现在已在2019年定义的初始规范中增加了更稳健、更安全的BLE调试方法。

WiFi与BLE是极受欢迎的双协议解决方案。由于这两个协议在SoC上作为独立的无线电系统工作，因此它们使用数据包流量仲裁来协调信道的使用，从而实现共存。这些组合芯片组的实际运用示例包括：通过BLE打开酒店客房门锁、通过BLE配置智能开关等。

超宽带（UWB）已成为一项免费的无线技术，能够非常精确地测量距离。在UWB出现之前，BLE已应用于汽车遥控钥匙，甚至已应用于手机，以便解锁汽车，有时还能启动汽车。现在，根据范围、应用和安全级别，UWB和BLE通过切换方法进行交互。

采用BLE的无线广域网（WWAN）已用于调试，特别是在智慧城市应用中。最显著的例子之一就是智能电表、水表和天然气表。根据地区和/或公用事业公司的偏好，有多种WWAN协议可供使用。在安装过程中，必须将所有协议接入或调试到所选网络上。然而，对于密闭、防水的仪表，没有检修口允许这样做。此时，BLE便可派上用场，通过将协议添加到主板上的主MCU，为设备提供无线设置、调试和维护功能。

3.还有哪些领域部署低功耗蓝牙技术的潜力最大？

尽管低功耗蓝牙技术的应用领域已经非常广泛，但仍有许多新兴应用可以开拓。

汽车领域就是一个巨大的潜力市场。

电动汽车电池监测系统是一个迅速增长的BLE应用。随着汽车中分散式分区架构的兴起，BLE可以替代线缆，在减轻重量的同时提高可靠性。同时BLE还支持充电，并可以控制单个电芯，从而最大限度地提高性能、安全性和电芯寿命管理。

在轮胎监测系统中，BLE可以取代专有无线协议成为标准。随着MEMS传感器的加入，轮胎监测系统不仅能够提供胎压数据，还可以监测温度和振动，并预测轮胎花纹的磨损情况。

BLE还开始支持发动机和系统诊断与维护应用，并在生产装配设施中使用。

可听戴设备（包括耳罩式、耳塞式和入耳式设备）是另一个受益于BLE音频（也称为LE Audio）低功耗特性的细分市场。Bluetooth SIG的Auracast预计将颠覆可听戴设备领域。目前，无线扬声器和耳罩式设备主要使用双模蓝牙。但考虑到较小型入耳式设备（如助听器和耳塞）的电池寿命有限，纯BLE音频解决方案预计将在此领域占据一席之地，然后逐渐向耳罩式耳机等较大型设备迁移。

电子货架标签（ESL）是BLE领域中备受关注且持续发展的应用之一。由于新冠疫情期间出现的供应链问题，再加上最近的通货膨胀，受这些因素的影响，产品价格几乎每天都在变化。与手动更改纸质标签上的价格相比，ESL可以快速、轻松地完成价格更新工作。ESL设备由纽扣电池供电，预计可使用数年才需要更换电池。但这种情况只发生在电子标签大部分时候关闭，仅在定期变更价格时才唤醒的情况下。BLE新引入了“有回应的定期广告”（PAwR）特性，该特性支持与数千个终端节点进行双向、高能效通信。

4.低功耗蓝牙技术，未来可期

BLE的新特性和新功能还在持续开发中，比如信道探测，或者说高精度距离测量（HADM），这一特性主要用于支持具有更高精度/定位水平的定位系统。未来的BLE规范将支持高达8Mbps的更高数据吞吐量，并支持在更高的频段（5-6GHz）中工作。

无论单独使用BLE，还是与其他无线协议结合使用，无线SoC设计都需要针对独特的PPA要求进行优化。许多终端应用的功耗和空间受限，因此BLE是非常适合的选择。无线IP在其中发挥着重要作用。虽然可以选择自行开发IP，但这需要专业知识和时间，会增加成本和风险。目前，大多数芯片供应商已通过授权多个IP模块来构建自己的SoC，BLE则可以轻松融入。

经验证的RFPHY和控制器IP可以支持无线连接的低功耗和安全要求。使用符合标准的IP可以降低集成风险，帮助加快无线设计SoC的上市速度。新思科技提供了广泛多样的IP核组合，其中包括经蓝牙认证的RFPHYs和链路层控制器。这款产品优化了PPA并支持最新的BLE增强功能，包括PAwR和即将推出的信道探测特性。此外，该IP还符合Zigbee、Thread和Matter规范。