作者/Pelle Svensson u-blox公司 短距離無線電產品戰略部 產品戰略高級主管

      摘要：藍牙已誕生20多年，然而較少為人所知的是它在嚴酷環境下為工業應用提供無線連接的技術潛力。本文提出了藍牙適合工業連接的8個論證。

　　關鍵詞：藍牙；工業；嚴苛；藍牙5

      自藍牙技術聯盟(SIG)于1998年開發藍牙以來，藍牙在消費市場大獲成功，成為幾乎每部智能手機、平板電腦和個人計算機的重要功能，也因此家喻戶曉。根據藍牙技術聯盟的統計，藍牙設備的發貨量達數十億，復合年均增長率為12%，到2022年預計達到52億臺。數據表明：藍牙功能強大，大受歡迎，服務于一個巨大的生態系統。

　　然而，藍牙較少為人所知的是它在嚴酷環境下為工業應用提供無線連接的技術潛力（如圖1）。在不斷的自我革新中，2016年12月，新一代藍牙5標準面世，該標準增加了新功能，增強了該技術為新的應用場景提供服務的能力。但經常受到忽視的是，藍牙的核心技術在工業應用方面有很多優勢。

　　1 八個支持或選擇藍牙用于工業物聯網的論據

      #1 藍牙具有極強的抗干擾能力。藍牙的工作頻段為免許可證的2.4 GHz ISM（工業、科學和醫療）頻段。在該頻段內，藍牙技術與其它各類射頻技術同時存在，包括Wi-Fi、ZigBee和其它商業應用，如汽車報警器和視頻設備。

　　為了避免干擾，藍牙采用了一種名為“自適應跳頻”的技術。經典藍牙的2.4 GHz ISM頻段由79個單獨的1 MHz信道組成。低功耗藍牙的頻譜被分為40個單獨的2 MHz信道，從而降低了對射頻設計的要求,并減少成本。信息被分解為小數據包，通過不同的信道依次發送，發送間隔為625 μs。信道按照約定的順序，每秒切換1600次。接收端未收到的數據會被重發；如果是由信道引起的問題，則對此信道進行標記，并避免在之后的通信中使用。

　　借此，無線數據傳輸可準確地選擇最優路徑，并有效消除噪音。

　　#2 藍牙支持高設備密度。藍牙的設計是為高設備密度做過高度優化的，當多個網絡彼此極為接近時，藍牙仍能正常工作，并將干擾控制在合理范圍內。短數據包非常適用于測量和控制等工業應用，每個數據包僅需在空中作短暫停留。因此，它們不會對電波造成污染，因而最大限度地減少了對其它設備的干擾。

　　藍牙還具有自動功率控制的功能，僅用它們所需的信號強度，便可將數據包傳送給接收裝置。換句話說，在較為安靜的環境中，它們不會因高功率運轉產生大量噪聲。這進一步減少了信號發射，讓更多設備可以占用相同頻段，而不會彼此干擾。它還可以節約電能，這對于獨立的電池供電設備尤為重要。

　　此外，經過優化的藍牙技術可以和Wi-Fi同時工作，在工業和消費環境中分享ISM頻段。Wi-Fi信道在ISM頻段使用22 MHz帶寬，能夠同時容納至多三個不重疊的信道。藍牙利用自適應跳頻技術，能優化利用空閑頻段，例如，在Wi-Fi信道間的空隙中傳輸BLE（藍牙低功耗）廣播數據包。

　　#3 藍牙檢測并更正誤碼。當信噪比較低時，例如，在噪聲環境下或傳輸距離較大時，信息中出現誤碼的可能性會增大。藍牙不僅可以通過誤碼檢測來優化跳頻以避免信道干擾，還可以在必要時在接收端使用前向糾錯(FEC)來更正誤碼。這包括在主消息中添加冗余位，繼而運用FEC算法糾正錯誤。正如我們即將看到的，這也有助于提升藍牙在長距離和噪聲環境下傳輸信息的可靠性。

　　#4 藍牙完美匹配現有工業設計。串行端口已經使用了數十年，并會繼續在工業應用中沿用。藍牙串行端口規范(SPP)通過藍牙模擬了一套完整的，包含硬件握手信號的串行接口(RS232, RS422/485)。一根串行電纜可通過無線連接替換為點對點或多點運行。SPP被用于在筆記本電腦、控制系統和其它帶有串行接口的設備間交換數據。

　　#5 藍牙提供的覆蓋范圍比您認為的更大。盡管藍牙通常用于以米為單位的無線通信，但這項技術已經證明，其在更遠距離上的表現也很可靠。一項已發表的研究 [1] 對藍牙實時傳感器執行器接口在嚴苛工業環境下的性能開展了調查。

　　筆者總結認為，基于藍牙技術的無線自動化系統具有高運行頻率下的自適應跳頻、錯誤檢測及更正等系統固有特性，因此非常可靠。只要距離小于30 m，寄生發射或其它無線電系統或收發器的移動均不會損害傳輸。

　　藍牙5提供的范圍更遠。在開闊環境下，通過良好的天線，我們使用藍牙長距離模式(Coded PHY)傳輸信息的距離可達1.7 km。

　　在最具挑戰性的場景中，通過將信息傳輸的持續時間增加8倍，即可在藍牙5長距離模式中增加信息傳輸范圍。密集環境下，信息覆蓋范圍了通過藍牙mesh網絡進一步擴大。在mesh網絡中，信息可以從一個節點轉發到另一個節點，直至到達目的地。

　　#6 藍牙可在任何地方工作。藍牙設備為滿足全球一致的標準需求而設計。這正中設備制造商的下懷，他們無需為應對全球市場而維護多個SKU。這項技術在手持設備中的普及，使用戶有機會借助任何智能手機或平板電腦通過專門的應用程序與藍牙設備進行交互。

　　#7 藍牙非常適合（工業）物聯網應用。根據用于LED照明和傳感器設備的靈活照明固件包提供商Silvair公司的報告 [2] ，藍牙（低功耗藍牙）的無線電性能在短程無線技術的競爭中脫穎而出；優點主要體現在速度方面，即改善效率、延遲性和響應能力。此外，它還對傳輸許多非常小的數據包進行了優化，非常適用于物聯網應用，不僅適用于智能家居或智能城市，也適用于工業環境。

　　#8 藍牙設計具有高度安全性。藍牙憑借其多重特性成為高度安全的無線技術。先前提及的自適應跳頻技術基于一個特定的偽隨機跳頻序列，該序列只有發送器和接收器知道。這意味著竊聽者必須追蹤所有信道，將數據包正確拼湊成消息。

　　自藍牙4.2以來，藍牙設備的配對（它們之間的通信的先決條件）使用符合聯邦信息處理標準（FIPS）的算法來生成所謂的橢圓曲線Diffie-Hellman（ECDH）公鑰 - 私鑰對。此功能稱為LE安全連接，可保護傳輸的數據不被中間人（MITM）攻擊攔截 [3] 。

　　藍牙模塊還可以配置為對其它藍牙設備不可見，意味著潛在的黑客將無法發現這些模塊。這時，只有提前配對的設備間才能建立連接。

　　2 未來的可靠性能

      自藍牙技術聯盟(SIG)開發該技術的20年來，藍牙技術通過適應應用場景的不斷更新，成功地保持了自身價值。它最初用于移動電話之間的無線數據同步傳輸，很快便擴展到更多的應用場景中，通常包括個人電子設備間的數據傳輸等。目前，低功耗藍牙（從4.0版本開始）和藍牙5.0在完全不同的領域工作，為物聯網的不同應用場景提供服務。

　　從一開始，藍牙就向用戶證明，它可為工業制造流程提供穩健的連接性解決方案。多年來，從工業制造、醫療設備到井下測量，藍牙已經成為各行各業必不可少的成功伙伴（如圖2），這份輝煌仍將繼續。

　　參考文獻：

      [1]Flammini,Alessandra & Ferrari,P & Marioli,et al.用于工業應用的有線和無線傳感器網絡.微電子學,2008(8):12.

　　[2]五份協議的故事.物聯網無線通信領域的終極指南,2018年2月.

　　[3]Ren K.藍牙配對第1部分：配對功能交換.藍牙博客(2016-3-29).

     本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第6期第20頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處