最新版本蓝牙增添可衍生大量潜在应用的功能

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蓝牙智能（以前称为蓝牙低功耗）作为蓝牙核心规范4.0版本（Bluetooth v4.0）的一部分，于2010年发表后表现一直相对低调，但现在已跃为新闻头条。
           
          正如IHS公司分析师所预测，蓝牙智能芯片的全球出货量在2018年将上升至接近3亿颗，相比2013年结束时仅超过3，000万颗，未来五年年均复合增长率（CAGR）将达到55%以上。2013年的出货量比2012年的900万颗增长了将近250%，今年的出货量预计又会加倍。
       
        2013年市场上出现了第一批大批量应用配件（Appcessory），其2014年销售量预计超过5，000万个（图1）。与配备蓝牙智能即用（Bluetooth Smart Ready）技术的智能手机、平板电脑及台式电脑的无缝连接，使应用配件的领域迅速扩张。

       
       
        图1：2014年预计销售超过5，000万个应用配件。

         
        应用配件可以将周边产品（例如健身传感器或玩具）与带有蓝牙智能即用技术的智能手机、平板电脑或台式电脑上的软件结合起来。应用配件通常由钮扣电池等小型电池供电，从超低功耗（ULP）的蓝牙智能芯片将数据发送到移动设备上。主设备的应用程序（App）通常会分析并显示该数据。许多App也可以很容易通过社交媒体分享信息。
       
        蓝牙智能即用产品（包含Apple的设备以及大多数Android平台的手机）都配备了Bluetooth v4.0/v4.1芯片，可以做到“标准”蓝牙技术能做到的工作，而且还可以与蓝牙智能芯片通信，因此越来越多地用于以钮扣电池供电的外设和产品，例如智能手表。
       
        在未来几年内，智能手机和平板电脑的销售预计将会激增。Statista Research分析师估计，到2020年移动设备的累计全球总出货量将达到61亿个。IHS公司的分析师较为保守，但仍提出了高数字的预测。该公司估计，2013年底智能手机的用户数为19.19亿个，而之后的五年将成长到50.82亿个。由于多家公司正竭力推出应用配件，且蓝牙技术与智能手机及平板电脑之间的密切关联性，未来连接至每个智能手机的蓝牙智能设备的数量即将激增。
       
        到2020年，市场累计出售的配备蓝牙智能的产品可能达到240亿个，而一些分析师估计该市场每年的总值可达到1，310亿美元。
       
        新版本的蓝牙技术（“蓝牙4.1版”）引入了一些新功能，有助于建立最终实现蓝牙智能设备直接连接到互联网的技术基础─而无需利用智能手机或平板电脑的运算能力。移动设备可能仍然充当一个集线器（Hub）或作为Wi-Fi路由器并收集数据，但是功能日益强大的软件则存放在云端，可用来分析和处理信息。
       
        虽然新版本仍然无法实现直接的互联网连接，但它体现了蓝牙技术联盟（SIG）对扩大蓝牙技术可触及范围的决心，这种策略将会鼓励并推动较应用配件市场更为庞大的新类型产品市场。
       
        在IP上实现蓝牙的基础
       
        从技术的角度看来，Bluetooth v4.1可以更好地针对由该技术固有的流媒体模式、ULP操作模式（使用遵守规范的“低功耗核心配置”技术），以及互联网协议（IP）连接操作而产生的不同使用情况加以调整。
       
        开发人员可能会认为Bluetooth v4.1带来的最重要的一项功能，是让智能手机等设备可同时作为蓝牙智能即用集线器和蓝牙智能外设的拓扑结构。设备采用按照新规范设计的芯片，具有将数据从传感器或智能手表传递到智能手机及PC上的功能。
       
        另一种可为开发人员提供更大自由度的特点，是建立散射网（scatternet）的能力。以往，蓝牙以建立多个微微网（piconet）的方式来进行沟通，但是它的三位地址空间将微微网最多数量限制在八个设备上—一个集线器和七个外设—这样可能限制蓝牙技术的使用能力。但是，现在的新技术可以让一个设备设定为集线器或外设，而一个集线器可能与超过八个的设备进行通信。
       
        对开发人员来说，Bluetooth v4.1另一个重要的改变是为他们保持通话提供了更多的灵活性。在Bluetooth v4.0中，蓝牙智能设备和蓝牙智能即用设备之间联机“广告”的间隔是固定的，即当一个活动设备（如健身监测仪）从集线器中被分离出来时，联机就可能很快被中断，且只能重新手动恢复。从Bluetooth v4.1开始，开发人员可以设定联机广告的时间间隔，进而适应任何可能使用的场景。
       
        Bluetooth v4.1最明显的增强之处，可能是通过实现逻辑链接控制和适配协议（L2CAP）的面向连接通道，来奠定IP连接操作的基础（最终实现与互联网的直接沟通）。虽然L2CAP早就是Bluetooth v4.0的一部分，但直到最新版本发表后，蓝牙智能及蓝牙智能即用才可利用L2CAP的面向连接通道。
       
        面向连接的通道具备建立专用通道的能力，而专用通道有与之相关的固定数值。面向连接的通道和专用通道对互联网协议版本6（IPv6）而言是基本要求（IPv6是通信协议的最新版本，可为网络上的电脑提供辨识和定位系统，并路由互联网上的流量）。
       
        此外，Bluetooth v4.1支持较长的数据包，被称为长型最大传输单元（MTU）。对于在蓝牙智能连接中承载IP封包数据，支持更长数据封包是必不可少的。要注意的是，在蓝牙智能设备可以直接和互联网连接之前，仍然有许多技术障碍需要克服，还有几个蓝牙技术的修订版。但是，正如蓝牙技术联盟所言：“Bluetooth v4.1专用通道的实施是未来在传感器层面支持IPv6的一个基础步骤。”
        蓝牙芯片的实力
          蓝牙智能芯片是现今蓬勃发展的应用配件和潜在的云端配件（cloudcessory）革命的关键。例如，Nordic Semiconductor公司的nRF51系列系统级芯片（SoC）便是先进的蓝牙智能芯片设计示范，并正用于广泛的革新性产品中。
       
        例如，最近在英国伦敦玩具展上赢得“2014年最佳新玩具”奖的Scalextric公司赛车控制系统（RC S ） （图2）就采用了Nordic的nRF51822蓝牙智能芯片，可让用户通过蓝牙智能即用设备上运行的App，以无线方式建立并管理比赛。该App支持比赛的统计数据和功能，其中一些直接影响了赛车的性能，包括车手的名字、圈数和时间、最快圈数、燃油量、轮胎磨损程度，以及定制的油门响应等。

       
       
        图2：Scalextric公司的赛车控制系统采用Nordic的nRF51822蓝牙智能芯片，通过在蓝牙智能即用设备上运行的App以无线方式管理比赛。

         
        另一个例子是由IDT Technology公司设计的气象站，它同样使用了Nordic的蓝牙智能芯片。该产品可直接与智能手机及平板电脑进行通信，使用户能够在气象站到智能手机相距长达50m的距离内，立即接收到当地的气压和天气预报更新，以及由气象站的嵌入式传感器和多达五个远程无线传感器收集的温、湿度读数。
       
        Nordic的SoC的核心部分是一个新型2.4 GHz无线电以及功能强大的ARM Cortex-M0微控制器。该微控制器是一个32位器件，与上一代ULP无线芯片通常嵌入的8位8051内核相比，可提供更强大的计算能力。该微控制器是专为ULP操作而设计，非常适合蓝牙智能应用。
       
        不过，虽然硬件规格出色，但关键的创新在于软件架构。在典型的ULP无线连接应用中，射频（RF）协议和应用程序代码作为单一整体架构的一部分。但nRF51系列SoC则不同，其协议和应用单元之间完全分离，这有效消除了介于两者之间的全部依赖关系。应用程序开发人员可以在没有与编译或运行时间有关的依赖或潜在抵触下，安全地构建或移植现有的应用程序。
       
        此外，这种安排意味着开发人员可以专注于开发最适合应用程序的方法。其他的无线连接IC则不同，其应用程序和协议代码具有关联的固有连接，开发人员在整个开发周期都必须小心对待这些限制和依赖。
       
        虽然Nordic的nRF51系列芯片是先进的解决方案，但Bluetooth v4.1等开放标准的好处之一就是鼓励建立多厂商的供应链，为工程师提供产品选择，并且培育竞争环境来刺激创新。Nordic和其他半导体供货商已经准备好一年交付多达10亿个蓝牙智能芯片，这些芯片将提供优异的性能，而每个器件的成本只需几美元，并且每个芯片都保证能与其他所有器件互相操作。
       
        通过在现有蓝牙技术生态系统的基础上创建，再加上关注RF工程复杂性的制造商的支持，以及从商业公司到“创客（maker）”社群的创新者，如今可以在几乎任何产品上加入无线连接功能，并为产品增添“智能性”。更好的是，其中有些蓝牙智能芯片能够升级其软件，消费者甚至不会察觉到其正在进行升级。
       
        这类“OTA （空中下载）”更新对其他无线技术而言是例行程序。例如，消费者很熟悉通过手机网络在智能手机上更新App，或是通过Wi-Fi下载用于便携计算机操作系统的安全补丁。但是对于ULP无线芯片而言，OTA更新并不是例行程序。
       
        直到现在，这种情况才转变过来。这是因为Bluetooth v4.1应对了这个挑战，在L2CAP层打开了直接通道，从而可进行大量的信息交换（加速下载）。有些（并非全部）蓝牙智能芯片如今可以使用自己的无线连接，利用这项功能简便、快速地升级RF协议软件（“栈”）或开发人员的应用程序代码。
       
        例如，Nordic刚刚发布了最新的SoftDevice （用于nRF51系列SoC的独立协议栈，包含了RF协议软件和符合Bluetooth v4.1的相关管理架构）。SoftDevice（v7.0）包含了“OTA设备固件更新（OTA-DFU）”功能（图3），支持无线软件升级。

       
       
        图3：Nordic的S110 SoftDevice包含一项支持无线软件升级的功能。

         
        OTA无线更新对产品开发人员十分有利，因为即使产品已经在消费者手中，他们仍可以添加新功能到现有的产品中并修复缺陷（bug）。最独特的是，Nordic芯片使得开发人员可只更新应用软件，而不会承担破坏协议栈的任何风险。
       
        但更重要的是，消费者能够受益于重要软件的升级，为他们现有的无线外设带来真正的新功能。这个能力可让未来的新一代连接设备在云端服务器发出指示后更新软件。如此一来，消费者就无需为了使用新的软件（例如新版本蓝牙技术），就要丢弃手上的产品而改买新产品。同样，如果产品采用了Nordic的蓝牙智能芯片，无需涉及应用程序，蓝牙协议栈就可以进行升级。这样加快了升级，节省了电池电量，并且限制了未正确完成升级的风险。
       
        物与物的连接
       
        当代的蓝牙智能应用配件（比如动作传感器），只能通过智能手机等Hub才能连接到网络。但是由Bluetooth v4.1引入的未来功能中，传感器将可直接访问储存在云端的服务器软件。
       
        这样的功能将使原本“无脑的”物体变得“聪明”。例如，一把伞可以连接到互联网，以确认是否会下雨，并提醒物主在出门时带上它─无需任何人为干预。另一种情况是，物主在观察到满天乌云后从伞架抓起一把雨伞，可以将信息传回服务器上，使当地的天气预报变得更加精确。
       
        未来版本的蓝牙技术可能通过路由器或机顶盒等设备实现互联网连接，它们能够通过网关设备上的软件层接收蓝牙信息并重新传回云端服务系统。与智能手机和平板电脑不同，这些网关将不需要一个完整的操作系统（OS）来转发信息。
       
        虽然蓝牙智能设备可以利用这样的网关连接到互联网，但网关将只是一个将传感器的数据发送到云端的服务器，而不会执行任何分析或处理。此外，这些未来版本的蓝牙将使应用配件得以和其他设备互相沟通，而且同样无需通过智能集线器。
       
        这项技术将可实现物体对物体以及物体对互联网之间的无缝无线连接，从而形成所谓物联网（IoT）的基础技术。
       
        2003年，Nordic是首家使用ULP无线技术来连接物体到物体，以及连接物体到PC的企业。一年后，它成为了第一家通过将简单计步器经PC连接到互联网而使其变得智能的公司。2010年，该公司率先采用蓝牙智能技术将应用配件连接到智能手机，2014年，Nordic在开发芯片方面一路领先，很快即可使产品能直接连接到云端。