原创 物联网系统中常用的低功耗自组网无线传输方案（一）_蓝牙综述篇

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物联网系统中为什么要使用蓝牙模块

物联网系统中使用蓝牙模块的原因主要有以下几点：

技术特性与优势

• 短距离无线通信能力：蓝牙模块作为一种短距离无线通信技术，能够在短距离内实现设备之间的快速连接和数据传输，非常适合物联网中设备间的互联互通。
• 抗干扰能力强：蓝牙模块具有较强的抗干扰能力，能够在复杂环境中稳定工作，确保数据传输的可靠性和稳定性。
• 低功耗特性：低功耗蓝牙（BLE）技术的引入，使得蓝牙模块在保持连接和数据传输的同时，能够显著降低能耗，延长设备的使用寿命，这对于物联网中的可穿戴设备、智能家居设备等尤为重要。
• 体积小、易集成：蓝牙模块体积小、重量轻，易于集成到各种设备中，不会增加设备的体积和重量，便于物联网系统的部署和应用。
• 全球免费协议：蓝牙协议是全球免费的，这降低了物联网系统的成本，使得蓝牙模块在物联网中的应用更加广泛和普及。

应用场景广泛

• 智能穿戴设备：蓝牙模块在智能手环、智能手表等穿戴设备中广泛应用，通过蓝牙连接手机等终端设备，实现数据的实时同步和远程控制。
• 智能家居：在智能家居领域，蓝牙模块可用于智能音箱、智能电视、智能家电等设备的互联互通，实现智能家居系统的远程控制和管理。同时，蓝牙传感器还可以用于家庭安防监测、环境检测等。
• 智慧医疗：蓝牙技术在智慧医疗领域的应用也越来越广泛，如通过蓝牙定位实现医院室内导航、医疗设备的远程监控和管理等。此外，蓝牙模块还可以用于实时监测患者的健康数据，提高医疗服务的效率和质量。
• 工业物联网：在工业物联网中，蓝牙模块可用于自动化生产线的监测和管理，提高生产效率和质量控制。同时，蓝牙传感器还可以监测机器设备的运行状态，及时预测故障并进行维护。
• 智慧城市：蓝牙技术在智慧城市中的应用前景广阔，如通过蓝牙定位技术实现城市中的室内导航、人员定位、交通管理等。此外，蓝牙传感器还可以用于城市环境监测、智能路灯管理等。

综上所述，物联网系统中使用蓝牙模块的原因主要基于其技术特性和广泛应用场景。蓝牙模块以其短距离无线通信能力、抗干扰能力强、低功耗特性、体积小易集成以及全球免费协议等优势，在物联网中发挥着重要作用。同时，随着物联网技术的不断发展和应用场景的不断拓展，蓝牙模块在物联网中的应用前景将更加广阔。

本文会再为大家详解无线通信模块家族中的一员——蓝牙。

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蓝牙模块定义

蓝牙模块，是一种集成蓝牙功能的PCBA板，用于短距离无线通讯，蓝牙模块将芯片和外围硬件电路集成到一个PCB上，开发出所需的内置程序实现蓝牙功能的设备。可以通过相关接口和MCU控制设备进行数据传输、可实现蓝牙标准通信和组网。本文从蓝牙模块的不同的分类方式上去梳理蓝牙模块的类型，尽量的从分类方式的角度去了解蓝牙模块所具备一些特性和功能。

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蓝牙模块分类

3.1按照协议类型分

（1）经典蓝牙模块

经典蓝牙模块(BT)泛指支持蓝牙协议4.0以下的模块，可以细分为：传统蓝牙模块和高速蓝牙模块。

传统蓝牙模块：蓝牙诞生之初，使用的是BR基本速率技术，此时蓝牙的理论传输速率，只能达到721.2Kbps，在2004年推出支持蓝牙2.0协议的模块，在智能手机时代爆发，新增EDR蓝牙增强速率（Enhanced Data Rate）技术，通过提高多任务处理和多种蓝牙设备同时运行的能力，使得蓝牙设备的传输率可达 3Mbps，是蓝牙1.2技术传输速率的三倍。因此除了可获得更稳定的音频流传送和更低的耗电量之外，还可充分利用带宽优势同时连接多个蓝牙设备。

高速蓝牙模块：高速蓝牙模块在2009年推出，主要代表是支持蓝牙3.0协议的模块，新增了High Speed技术，可以使蓝牙调用802.11 WiFi用于实现高速数据传输，传输率高达24Mbps，是传统蓝牙模块的8倍。

经典蓝牙模块一般用于连续流式传输音频和数据量比较大的传输，如：语音、音乐、无线耳机、设备间文件传输、打印机、无线音箱等。

（2）低功耗蓝牙模块

低功耗蓝牙模块（BLE）指支持2010年推出蓝牙协议4.0或更高的模块，最大的特点是成本和功耗的降低。蓝牙低功耗技术采用可变连接时间间隔，这个间隔根据具体应用可以设置为几毫秒到几秒不等。BLE技术采用非常快速的连接方式，因此可以处于“非连接”状态(节省能源)，此时链路两端只有在必要时才开启链路，然后在尽可能短的时间内关闭链路。

低功耗蓝牙应用于实时性要求比较高，但是低速率，低功耗的场景，如鼠标键盘、心率检测器和温度计等传感器设备、智能家居、智能穿戴这类不需要大数据量交互的场景中，非常适合物联网应用。

综上所述，经典蓝牙并不是BLE的过时版本，经典蓝牙和低功耗蓝牙共存并用于不同的应用，这完全取决于每个人的不同需求。

3.2按照对协议的支持分

按照对蓝牙协议栈支持的数量可以分为单模模块和双模模块。单模和双模的概念是在BLE蓝牙出现之后才有的，我们应该根据成本、应用程序和功能选择需要的模块。

（1）单模模块

单模模块就是指支持蓝牙某一种协议的模块，仅支持经典蓝牙(BT)协议或者低功耗蓝牙(BLE)协议。

（2）双模模块

双模式模块是指同时支持经典蓝牙(BT)协议和低功耗蓝牙(BLE)协议的模块，可以运行两套协议堆栈。双模模块有两类：经典蓝牙(仅限数据)+ BLE和经典蓝牙(数据+音频)+ BLE。因此双模模块具有很好的灵活性和兼容性。

蓝牙双模无疑是未来的主流。经典蓝牙功耗较大，4.0以后的蓝牙BLE功耗小，但不支持音频协议及受数据传输速度限制，蓝牙双模则是综合了两者的优缺点，既可以支持音频传输，同样可支持数据传输，功耗低，并且兼容性也是两者之和。

3.3按照功能分

站在蓝牙模块传输内容大小的功能角度来说，可以分为以下几种。

（1）数据模块

一般使用比较多的是数据模块，也就是低功耗蓝牙，也叫透传蓝牙模块。对于数据量不大，传输近距离，运行和待机功耗有严格要求的设备来说是一个很好的选择，由于功耗方面的优势，4.0蓝牙模块目前已占据移动数据传输大部分份额，并且规模和份额还有望继续成长。

（2）音频模块

而音频模块就需要非常大码流的数据传输，所以比较适合经典的蓝牙模块。

（3）数据和音频复合模块

可以同时实现语音、音频、数据的传输，在移动互联，数据+音频应用的大趋势下，数据和音频复合的双模模块是一个很好的选择。

3.4按照芯片设计分

这是根据模块中蓝牙芯片使用的存储类型来区分的。

（1）ROM版本

一般是芯片厂家的ROM版芯片，特点是芯片厂家将标准的应用PROFILES 固化在芯片中，一般是固定功能的，用户无法对芯片内程序进行修改。可外接EEPROM，存储空间较小，可用于存放蓝牙地址、设备名称、PIN 码等。

使用ROM版本芯片做的产品差异化较少，但是开发简单，对于一些常规产品，不需要深度定制化的产品，选用ROM版本芯片可以开发进度，加快产品上市时间。适合大规模的批量生产，价格很低，比较常见的是用于dongle、蓝牙耳机模块、手机模块、鼠标键盘模块等，可以修改配置参数，但基本功能是固定的。大规模民用产品一般选用ROM版模块，如市场上的USB蓝牙适配器，由于大部分协议会运行在PC内部，对芯片处理能力要求很低，因此芯片厂家会推出价格很低的产品。

（2）FLASH版本

芯片一般内置FLASH，存储空间较大，如果要做一些客户自定义的产品，比如需要增加一些传感器、与外部MCU进行通信，增加蓝牙协议或服务，则需要使用FLASH版本，客户可在FLASH版本芯片的已有工程上添加自己的工程代码，开发自己的固件，做出差异化的产品，相对来说灵活性高一些。

FLASH版本的芯片价格高，但用户可以按自已的应用需求进行，由于芯片内置了FLASH存储，其各性能表现出色，同时内置了音频编解码电路，适合各种语音网关等应用。工业蓝牙应用一般应采用FLASH版本的芯片生产的模块，运行速度快，具备高集成度、高可靠性、高性能指标等特点。

（3）EXT版本

EXT模块采用的芯片没有FLASH存储，需外扩存储器件，用户可以进行应用开发，特点是价格适中，不足是稳定性、功耗等性能差异大，同时大部分EXT芯片没有音频解码电路，如需实现音频传输需外接编解码器件。

3.5按照功率分

针对功率来说，低功耗蓝牙和经典蓝牙又有区别。

低功耗蓝牙没有功率的级别，传输距离可超过100m，5.0协议的距离甚至可达300m，具体距离看产品的设计功率。低功耗蓝牙技术的调制与传统蓝牙技术略有不同。这一不同的调制以10mwdb的无线芯片组（低功耗蓝牙最大功率）实现最远300m的连接范围，也就是说整个家居及楼宇范围都能覆盖，实现更加稳健且可靠的连接。

经典蓝牙有3个级别的功率，用Class表示，按照蓝牙规范的规定，Class并不用来规定距离的，而是标明发射功率。蓝牙模块发射功率参数确定后，实际发射效率与射频电路、天线效率相关，蓝牙模块的通讯距离与发射功率、接收灵敏度及应用环境密切相关，蓝牙工作在2.4G频段，穿透能力较差，在有遮挡的情况下，应在实际现场测试通讯效果。功率控制的目的是将辐射控制在限制范围内，而不会干扰相邻蓝牙设备的正常工作，使用链路管理协议来实现主从设备之间的功率控制算法。

（1）Class 1

Class 1输出功率为1mW (0dBm)～100mW (20dBm)，支持100m传输距离，为达到最大范围，功率控制是强制。Class 1是用在大功率，远距离的蓝牙产品上，但因成本高和耗电量大，不适合作个人通讯产品之用(手机、蓝牙耳机、蓝牙Dongle等等)，故多用在远距离传输上。

远距离传输一般很少人会用到，但如果想要远距离传输音频，远距离连接音响，更常见是在一些大型会场、舞台、工业场景，用支持Class 1的蓝牙适配器是最好的解决方案。

（2）Class 2

Class 2输出功率为0.25mW (-6dBm)～2.5mW (4dBm)，功率控制可选，正常情况下1mW(0dBm)支持10m传输距离，只要发射功率能超过0dBm就是属于Class 2的范围，但是如果超过4dBm的话，那就是Class 1。

现在市面上常见的蓝牙设备大多是功耗Class 2，多用于手机内、蓝牙耳机、蓝牙Dongle 的个人通讯产品上，耗电量和体积较小，同时方便携带。

（3）Class 3

Class 3输出功率为≤ 1mW (0dBm)，支持1m传输距离。输出功率最低，Class 3类设备由于其覆盖距离非常有限，所以不常见。

3.6按照支持的温度分

（1）商业级

温度范围约为0℃~70℃。一般用在普通的民用产品中，在生活中较为常见且价格较低便宜。适用于环境条件(如温度、EMC和机械应力)处于轻度至中等水平的消费产品应用。如各种消费类的电子产品，智能家电，娱乐设备、移动计算、相机、显示器、路由器和测试设备等。

（2）工业级

温度范围约为-40℃～85℃。一般用在工业环境中，同时也能够在环境不太好的室外或者有干扰的情况下运行。与商业级产品相比，工业级产品可以承受更极端的环境，适合、预期或要求用于工业用途的类型或质量，例如在运输、工厂自动化、高冲击和振动的环境。

（3）汽车级

温度范围约为-40℃～125℃。一般用在车载或恶劣环境中，由于汽车在启动过程中，会产生很高的热量，因此在高温方面，会比工业级高一些，在价格上也会比工业级贵一些，其可能会受到高水平的EMI、碰撞、冲击和振动以及极端温度的影响。因此该类型产品专为汽车、交通运输和其它关键任务应用而设计，符合行业标准汽车规范。

（4）军工级

温度范围约为-55℃～150℃。一般用在军方的设备中，因此对其要求也是最严格的，主要使用在导弹、飞机、坦克、航母等军工领域，档次是最先进的，精密度高，工艺先进同时价格也很昂贵，军工级一般要比工业级领先数年时间。

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