原创 蓝牙低功耗技术瞄准更多应用，让外设无需更换电池

所有外设的一个共同问题是功耗太高。大家都希望用无需充电的电池来驱动这些外设。所有低功耗、低电压技术都是为了达到延长电池使用寿命这一目的。蓝牙低功耗技术也因此被提出。

瑞士EM 微电子公司，时尚科技股份有限公司（EM大中华区代理）和广州碧德电子科技有限公司（BDE），日前在深圳联合举办了“2013年低功耗蓝牙技术国际研讨会”。该研讨会介绍了经过蓝牙联盟认证的EM低功耗蓝牙（Bluetooth Smart）芯片平台，低功耗蓝牙协议栈，蓝牙技术的发展和现状，以及低功耗蓝牙和MEMS 传感器的未来结合应用。

瑞士EM微电子公司无线部门产品负责人Philippe Koller（图1）介绍说，EM微电子公司隶属于瑞士SWATCH集团，该公司是全球最大的手表供应商，产品覆盖手表的低、中、高端市场。SWATCH最新发布的一款触摸腕表如图2所示，其中的触摸屏，触摸IC以及MCU均由EM提供。目前的这款手表还未加入BLE（蓝牙低功耗）技术，但是在不久的将来会有这种产品推出。另外，研讨会现场也设置了抽奖环节，送出3只SWATCH Touch手表。

图1：EM微电子公司无线部门产品负责人Philippe Koller。
 

图2：SWATCH Touch手表。

蓝牙技术联盟（Bluetooth SIG）大中华区经理吕荣良（图3）谈到，不管在车载还是在立体声音箱、耳机中，传统蓝牙都广泛用到。现在的手机、电脑等也都提供对蓝牙4.0的支持。对于电视来讲，蓝牙4.0在遥控器上的应用也相当有潜力。另外，带有蓝牙的鼠标和键盘在市场上也相当多。苹果、微软和谷歌在蓝牙上有相当多的投入。在2013年，随着手机的替换和蓝牙4.0的进展，蓝牙的市场将相当乐观。

图3：蓝牙联盟大中华区经理吕荣良。

手机、平板等智能设备，既可以和传统蓝牙相结合，也可以和蓝牙4.0相结合。蓝牙联盟正在推广的Smart Ready技术，具有操作系统的可交互性，能够提供可升级的网关和原生API。

苹果操作系统从iOS4开始，就提供了对蓝牙4.0（Smart Ready）的支持。蓝牙4.0在网关有一个Smart Hub，不管是蓝牙4.0还是蓝牙低功耗，都会通过它来进行数据传输、分析和转换。蓝牙4.0的一个应用是在儿童用牙刷中植入蓝牙低功耗模块或者芯片。通过在手机app上查看小孩刷牙的曲线，便可以据此对刷牙姿态进行校正。另一个应用是，某人由于天气等原因无法到户外运动时，在室内运动可以通过电视屏连接到网关，提供运动数据（血压、心跳）的分析。ADIDAS和NIKE的很多平台也都提供蓝牙低功耗支持。另外，还有医疗保健等等应用。

Philippe表示，对于蓝牙，全球有采用Smart和Smart Ready这两种技术的趋势。由于EM具有手表行业背景，所有产品都不断要求降低功耗，因此该公司在低功耗技术上有非常长的历史。除低功耗外，低电压也是为了延长电池的使用寿命，因此现在EM的很多产品工作电压都低于1V。这一技术也与通信距离有关。低功耗蓝牙的距离约为30m，如果需要增加距离，功耗也将增加。

如果从IEEE 802.11技术看，市面上有很多相似的技术：ZigBee主要用在工业领域，它的特点是网络比较强壮；WiFi技术已广为使用；WiMax目前还未普及；另外还有超宽带（UWB）技术。在蓝牙之前，运动和健康领域主要采用的是ANT+私有协议。但在这些无线技术中，最成功的还是蓝牙技术。

EM主要在蓝牙低功耗方面，以数据的传输速率和距离为研发方向。现在的蓝牙主要分为经典蓝牙（耳机等传统应用）、Smart蓝牙（键盘等新兴应用）和Smart Ready蓝牙（手机、PC等）（图4）。

图4：蓝牙设备类型（右：经典；中：Smart；左：Smart Ready）。

以往蓝牙很少在鼠标和键盘等外设中用到，其原因是蓝牙的功耗太高，需要充电。EM从07年开始便和蓝牙联盟合作，共同定义蓝牙Smart规范，并对其进行优化。蓝牙低功耗实际上是对工作和休眠状态的比例进行优化。比如在上电后，蓝牙低功耗芯片发送传感器数据，然后进入休眠状态。

EM最早从07年开始研发蓝牙芯片，最早是研发物理层。该公司EM9201和EM9203芯片基于蓝牙2.0私有协议研制，于2010年量产。在设计这些产品时，其物理层兼容蓝牙4.0协议。EM基于相同的物理层，加入了链路层及HCI控制部分，发布了第一颗蓝牙4.0芯片EM9301。市场上的很多产品采用的是SoC方式，而EM提供收发器产品，用户可以对单片机进行自由选取（EM也有SoC芯片EM9601/9604）。

现在大家都采用智能手机作为通信的载体。手机上采用的是蓝牙Smart Ready双模芯片，手机可以连接各种各样的产品（比如智能家居，医疗保健，汽车，手机相关的外设，都采用蓝牙Smart技术设计）——这也显示了Smart和Smart Ready的区别。

EM和BDE是战略合作伙伴，若选取EM的蓝牙芯片，可以由BDE开发相应的蓝牙协议栈。BDE根据不同的MCU核，开发了几种Spec。EM9301中集成了MCU，外部也加入MCU，但这两个MCU有区别。内部MCU主要用于底层处理，而外部MCU则用于处理Spec和Profile等。这样能够让客户达到最佳的功耗和性能。

EM9301蓝牙低功耗控制器具有许多优势：灵活的解决方案，可以根据应用复杂程度选择不同的单片机；同时具有主/从模式；可以在不同的主MCU上运行协议栈（由BDE完成）；EM和BDE的产品都通过了蓝牙协议认证；根据不同要求进行优化，比如只需要从模式等。

EM9301提供两种工作电压版本：带DC/DC及不带DC/DC，即0.8V~1.8V和1.9V~3.6V（图5）。RF模式（包含链路层）下，Tx时的峰值电流为12.0mA，Rx时峰值电流为12.5mA；空闲模式时的峰值电流为150μA；睡眠模式下，峰值电流为5.0μA（DC/DC）或3.0μA（无DC/DC），关闭模式下，峰值电流为1.0μA。蓝牙中一个很重要的指标是唤醒时间，这决定了功耗可以做到多低。EM9301唤醒时间的典型值为10ms，具体取决于外部晶振。

图5：EM9301/02典型参数。

BDE公司CEO田军博士（图6）及该公司工程师则对蓝牙4.0低功耗协议栈进行了介绍。BLE协议栈的最顶层为Profile/应用层。蓝牙技术联盟已发布的标准Profile服务有31项，这些服务由BDE开发，并通过了全部的蓝牙认证。在不同的Profile上可以实现不同应用，比如心率Profile可用于开发心率监视器。

图6：广州碧德电子科技有限公司CEO田军博士。

蓝牙低功耗具有快速发现、更低待机时间、更快建立连接、更低峰值功率、更低空闲功率（由传感器app主导）以及广播包（在未连接状态下传输数据）的特点。

BDE在现场展示了该公司的部分产品。该公司的智能家居解决方案（例如用手机实现蓝牙台灯控制的应用），具有低延时（毫秒级）、多对多控制、多对多状态反馈和功耗低的特点（Tx为13mA）。

另外，Bosch（博世）传感器公司华南区负责人毛梦可（图7）则对该公司的加速度计、地磁传感器、指南针、陀螺仪和气压传感器等MEMS传感器的工作原理和相关应用做了简要介绍。对于MEMS传感器的融合，博世提供了sensor fusion架构。这一架构的优势是，用户可以自行选择所需要的传感器，sensor fusion直接提供传感器所对应的数据（角度、高度等）。如果用户设计的MCU系统，需要获得原始数据，那么通过sensor manager，便可以将数据直接传送至蓝牙输出。

图7：博世传感器公司华南区负责人毛梦可。