蓝牙:在最严苛的环境中经受检验

  作者:Pelle Svensson 时间:2019-05-29来源:电子产品世界

  作者/Pelle Svensson u-blox公司 短距离无线电产品战略部 产品战略高级主管

      摘要:蓝牙已诞生20多年,然而较少为人所知的是它在严酷环境下为工业应用提供无线连接的技术潜力。本文提出了蓝牙适合工业连接的8个论证。

  关键词:蓝牙;工业;严苛;蓝牙5

      自蓝牙技术联盟(SIG)于1998年开发蓝牙以来,蓝牙在消费市场大获成功,成为几乎每部智能手机、平板电脑和个人计算机的重要功能,也因此家喻户晓。根据蓝牙技术联盟的统计,蓝牙设备的发货量达数十亿,复合年均增长率为12%,到2022年预计达到52亿台。数据表明:蓝牙功能强大,大受欢迎,服务于一个巨大的生态系统。

  然而,蓝牙较少为人所知的是它在严酷环境下为工业应用提供无线连接的技术潜力(如图1)。在不断的自我革新中,2016年12月,新一代蓝牙5标准面世,该标准增加了新功能,增强了该技术为新的应用场景提供服务的能力。但经常受到忽视的是,蓝牙的核心技术在工业应用方面有很多优势。

  1 八个支持或选择蓝牙用于工业物联网的论据

      #1 蓝牙具有极强的抗干扰能力。蓝牙的工作频段为免许可证的2.4 GHz ISM(工业、科学和医疗)频段。在该频段内,蓝牙技术与其它各类射频技术同时存在,包括Wi-Fi、ZigBee和其它商业应用,如汽车报警器和视频设备。

  为了避免干扰,蓝牙采用了一种名为“自适应跳频”的技术。经典蓝牙的2.4 GHz ISM频段由79个单独的1 MHz信道组成。低功耗蓝牙的频谱被分为40个单独的2 MHz信道,从而降低了对射频设计的要求,并减少成本。信息被分解为小数据包,通过不同的信道依次发送,发送间隔为625 µs。信道按照约定的顺序,每秒切换1600次。接收端未收到的数据会被重发;如果是由信道引起的问题,则对此信道进行标记,并避免在之后的通信中使用。

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  借此,无线数据传输可准确地选择最优路径,并有效消除噪音。

  #2 蓝牙支持高设备密度。蓝牙的设计是为高设备密度做过高度优化的,当多个网络彼此极为接近时,蓝牙仍能正常工作,并将干扰控制在合理范围内。短数据包非常适用于测量和控制等工业应用,每个数据包仅需在空中作短暂停留。因此,它们不会对电波造成污染,因而最大限度地减少了对其它设备的干扰。

  蓝牙还具有自动功率控制的功能,仅用它们所需的信号强度,便可将数据包传送给接收装置。换句话说,在较为安静的环境中,它们不会因高功率运转产生大量噪声。这进一步减少了信号发射,让更多设备可以占用相同频段,而不会彼此干扰。它还可以节约电能,这对于独立的电池供电设备尤为重要。

  此外,经过优化的蓝牙技术可以和Wi-Fi同时工作,在工业和消费环境中分享ISM频段。Wi-Fi信道在ISM频段使用22 MHz带宽,能够同时容纳至多三个不重叠的信道。蓝牙利用自适应跳频技术,能优化利用空闲频段,例如,在Wi-Fi信道间的空隙中传输BLE(蓝牙低功耗)广播数据包。

  #3 蓝牙检测并更正误码。当信噪比较低时,例如,在噪声环境下或传输距离较大时,信息中出现误码的可能性会增大。蓝牙不仅可以通过误码检测来优化跳频以避免信道干扰,还可以在必要时在接收端使用前向纠错(FEC)来更正误码。这包括在主消息中添加冗余位,继而运用FEC算法纠正错误。正如我们即将看到的,这也有助于提升蓝牙在长距离和噪声环境下传输信息的可靠性。

  #4 蓝牙完美匹配现有工业设计。串行端口已经使用了数十年,并会继续在工业应用中沿用。蓝牙串行端口规范(SPP)通过蓝牙模拟了一套完整的,包含硬件握手信号的串行接口(RS232, RS422/485)。一根串行电缆可通过无线连接替换为点对点或多点运行。SPP被用于在笔记本电脑、控制系统和其它带有串行接口的设备间交换数据。

  #5 蓝牙提供的覆盖范围比您认为的更大。尽管蓝牙通常用于以米为单位的无线通信,但这项技术已经证明,其在更远距离上的表现也很可靠。一项已发表的研究 [1] 对蓝牙实时传感器执行器接口在严苛工业环境下的性能开展了调查。

  笔者总结认为,基于蓝牙技术的无线自动化系统具有高运行频率下的自适应跳频、错误检测及更正等系统固有特性,因此非常可靠。只要距离小于30 m,寄生发射或其它无线电系统或收发器的移动均不会损害传输。

  蓝牙5提供的范围更远。在开阔环境下,通过良好的天线,我们使用蓝牙长距离模式(Coded PHY)传输信息的距离可达1.7 km。

  在最具挑战性的场景中,通过将信息传输的持续时间增加8倍,即可在蓝牙5长距离模式中增加信息传输范围。密集环境下,信息覆盖范围了通过蓝牙mesh网络进一步扩大。在mesh网络中,信息可以从一个节点转发到另一个节点,直至到达目的地。

  #6 蓝牙可在任何地方工作。蓝牙设备为满足全球一致的标准需求而设计。这正中设备制造商的下怀,他们无需为应对全球市场而维护多个SKU。这项技术在手持设备中的普及,使用户有机会借助任何智能手机或平板电脑通过专门的应用程序与蓝牙设备进行交互。

  #7 蓝牙非常适合(工业)物联网应用。根据用于LED照明和传感器设备的灵活照明固件包提供商Silvair公司的报告 [2] ,蓝牙(低功耗蓝牙)的无线电性能在短程无线技术的竞争中脱颖而出;优点主要体现在速度方面,即改善效率、延迟性和响应能力。此外,它还对传输许多非常小的数据包进行了优化,非常适用于物联网应用,不仅适用于智能家居或智能城市,也适用于工业环境。

  #8 蓝牙设计具有高度安全性。蓝牙凭借其多重特性成为高度安全的无线技术。先前提及的自适应跳频技术基于一个特定的伪随机跳频序列,该序列只有发送器和接收器知道。这意味着窃听者必须追踪所有信道,将数据包正确拼凑成消息。

  自蓝牙4.2以来,蓝牙设备的配对(它们之间的通信的先决条件)使用符合联邦信息处理标准(FIPS)的算法来生成所谓的椭圆曲线Diffie-Hellman(ECDH)公钥 - 私钥对。此功能称为LE安全连接,可保护传输的数据不被中间人(MITM)攻击拦截 [3] 。

  蓝牙模块还可以配置为对其它蓝牙设备不可见,意味着潜在的黑客将无法发现这些模块。这时,只有提前配对的设备间才能建立连接。

  2 未来的可靠性能

      自蓝牙技术联盟(SIG)开发该技术的20年来,蓝牙技术通过适应应用场景的不断更新,成功地保持了自身价值。它最初用于移动电话之间的无线数据同步传输,很快便扩展到更多的应用场景中,通常包括个人电子设备间的数据传输等。目前,低功耗蓝牙(从4.0版本开始)和蓝牙5.0在完全不同的领域工作,为物联网的不同应用场景提供服务。

  从一开始,蓝牙就向用户证明,它可为工业制造流程提供稳健的连接性解决方案。多年来,从工业制造、医疗设备到井下测量,蓝牙已经成为各行各业必不可少的成功伙伴(如图2),这份辉煌仍将继续。

  参考文献:

      [1]Flammini,Alessandra & Ferrari,P & Marioli,et al.用于工业应用的有线和无线传感器网络.微电子学,2008(8):12.

  [2]五份协议的故事.物联网无线通信领域的终极指南,2018年2月.

  [3]Ren K.蓝牙配对第1部分:配对功能交换.蓝牙博客(2016-3-29).

     本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第6期第20页,欢迎您写论文时引用,并注明出处

关键词: 201606 蓝牙 工业 严苛 蓝牙5

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