面向可穿戴设备的蓝牙技术

原作者：willtu

原帖地址：Bluetooth Technology for Wearable Devices

可穿戴技术在拉斯维加斯 2014 年国际消费电子展上大放异彩。医疗保健、运动健身、游戏乃至时尚等多个行业展示了下一代概念，这些概念或许会转变为“真正”的产品。这一市场预计会在未来几年中迎来爆炸式增长，潜在价值达 500 亿美元。

“挖掘可穿戴技术领域的时机已经成熟。我觉得，将有成百上千家企业插足这一市场空间。”Apple 首席执行官 Tim Cook

若要洞察可穿戴技术的发展趋势，或许可以去看看各式各样的蓝牙软件堆栈供应商，他们正在这些产品与智能手机之间搭建衔接桥梁。我联系到了嵌入式软件商店中的一家供应商——SEARAN，与他们的首席执行官 Arkady Pittel谈了谈。

Will Tu (WT)：最初，手机与无线耳机和车载免提系统的配对使得蓝牙技术逐渐流行。它现在已经进化了许多 – 那么，是什么让蓝牙现在这么风行，您认为蓝牙技术未来会走向何方？

Arkady Pittel (AP)：最初，蓝牙技术是为在分散网络和网状网络中工作而设计的。如果现实世界中不可行，它在很大程度上就不是很实用。蓝牙应用最终变得更加简单化，大多数使用情形中要求一个作为服务器的主机（智能手机）和多个（最多 7 个）从设备（客户端）之间进行通信。虽然有些应用（如音频流）需要高达 1Mbps 或以上的高数据速率，其他应用仅要求偶尔每秒传送几个字节。此类应用见于各式各样的传感器，它们要求以纽扣电池供电工作数月时间。这样的需求催生了架构特性稍有不同的低功耗蓝牙技术 (BLE)。主要区别为：

• BLE 使用较宽的频道（2MHz 40 个频道，而蓝牙为个频道），而且吞吐量较低（1Mbit/s，BR/EDR 则为2/3Mbit/s）
• BLE 具有三个专用广告频道（利用较少的功率建立连接）
• BLE 在连接行为上接近于始终嗅探（原始蓝牙）连接，最低延迟为，而为0.625ms。
• BLE 的安全性更差一些，容易受到被动式窃取攻击

我曾试着寻找一份能展示 BLE 和 BR/EDR之间主要特征的综合表格，在维基百科中找到了下面这张表格。我当然有一些评论（见下文），而且相信其他蓝牙开发人员对这一表格也有一些疑虑，但它至少展示了一些关键要点。

** SEARAN 评论

• 根据我们的经验，使用嵌入式平台和蓝牙无线电控制器时实际数据吞吐量达到
  1.5Mbps（蓝牙）和大约。iOS 甚至进一步限制了吞吐量，即使用时大约为。
• 至于数据覆盖范围，BR/EDR
  2 类为类为，开放空间中实际为
• 现在中允许分散网络，但市面上的大多数控制器目前尚不支持

正如您所看到的，从产品开发人员的角度而言，BR/EDR 和 BLE 的主要差别在于数据速率和覆盖范围，当然电池寿命也是。

在审视应用时，需要考虑所有主要的参数、数据吞吐量、距离限制和功耗。如果希望在 10 到 30 米范围内进行连接并且数据吞吐量最高为1.5Mbps，那么典型蓝牙将是完美选择。BLE 则是另一码事，其数据速率要低得多。

功耗可能是绝对优势，使用 BLE 时最多可低 100 多倍。但要注意的是，使用适当工作周期和较低处理器频率的嗅探模式时，功耗可以降低，在一些处理器上甚至能以纽扣电池供电。

从软件开发者的角度看，使用 BLE 还有许多优点，除非安全性非常重要。芯片制造商可以提供单一模式 BLE 堆栈（无典型蓝牙）和一些特定配置文件。然而，当开发人员需要混合使用 BLE 和典型蓝牙这两种技术时（称为“双模”），工程师就需要使用来自SEARAN 等第三方开发商的软件堆栈。客户还需要认识到，为了让单一 BLE 芯片价格低并且功耗小，一些制造商选用了 RAM 很少的微小控制器，因此数据吞吐量受到限制；例如，德州仪器的 CC254X 为 1.5KB/s。

基本要求是，开发人员需要清楚他们要实施的使用情形。他们需要仔细选择使用蓝牙或 BLE（或者两者兼用），以适合包括可穿戴设备在内的大量应用。

另一考量因素是与 Apple 设备的连接。如果觉得使用 BLE 时刚过 30kbps这样的数据速率不够，并且需要通过 RFCOMM连接来加快速度，那么您需要使用 Apple 专用的 iAP 协议和认证芯片。您还需要成为 MFI 会员，并向 Apple 支付会费。从技术角度而言，您需要考虑这一事实，即通过 iAP 与 iOS 设备连接时数据吞吐量要稍稍低于使用 SPP 时。

这两种技术都很成熟。而且毫不含糊地说，蓝牙和最近的低功耗蓝牙 (BLE) 已经成为几乎所有智能手机和平板电脑上用于邻近感应和适度数据吞吐量无线通信的一项标配功能。蓝牙在智能手机上的激增是可穿戴设备等全新无线应用身后最大也最为重要的推动因素。

蓝牙发展的一个重要趋势是它能够“省掉线缆”。这是消费者以及许多不同行业（如健康和医疗）中的一大推动力。省掉传感器等外围设备的线缆，替换为与连入互联网的主机设备直接无线连接。这里，您可以看到蓝牙可以借助主机设备实现“物联网”。

无线音频是“省掉线缆”的另一个例子。蓝牙为市场带来的不仅仅是单一蓝牙扬声器或者多无线扬声器，而且使得用户能够从与同一扬声器系统连接并同步工作的许多手持设备（手机和平板电脑）控制音频流。

正如您所指出的，市面上已有各式各样的新型可穿戴设备。例如，智能手表能够向用户通知语音、信息和其他信号，并将反馈提供到手机上；健康手环可以帮助计算运动量和燃烧的卡路里；还有智能珠宝、无线信用卡和徽章、衣服、带摄像头的智能眼镜、包含完整计算机的眼镜镜框，以及许多其他可穿戴传感器和设备。

尽管蓝牙和 BLE 是智能手机和其他消费型设备上唯一可用的中短距离无线技术，但 ZigBee和 ANT 等其他无线技术也在努力加入到竞争中来。低功耗能力加上不存在每个微微网七个设备的限制，使得它们很有吸引力。然而，它们大多应用于主机设备为专有特殊设备的场景中，例如健康训练机器或者工业传感器网络等。就目前而言，ZigBee 和 ANT 技术渗入到手机的尝试已经失败。

WT：贵公司在蓝牙上最成功的方面是什么？可以分享一些成功案例吗？

AP：这里涉及到两个问题，一个关于SEARAN 这家公司和产品，另一个则关于我们融入到无线产品开发中的嵌入式堆栈技术。

如果您问起我们的产品和公司，那么我们的最大的成功在于那些希望在拥有极少资源供无线连接使用的最小、最廉价处理器上实施 BR/EDR或双模
(BR/EDR+BLE) 的客户。同样也在于那些尝试在现有产品上加装蓝牙功能的客户。客户发现，我们的堆栈是市面上最小的，使用 SPP 配置文件时存储器占用仅为 3KB
RAM 和 40KB 闪存。他们还发现，我们的堆栈 API 非常简单直观。我们的定价也非常实惠，而且我们拥有响应快速的支持服务。

如果您指的是技术，那么我或许应该沿着典型蓝牙及双模和单一模式 BLE 之间的技术分割画一条线。虽然我们的客户对与前者相关的所有应用感兴趣，但仅含 BLE 的应用中大多采用自带堆栈的单一 BLE 芯片。其中一部分可穿戴设备，尤其是不需要传输大量数据而仅发送数据（无语音和消息）的设备，使用的是 BLE 芯片附带的 BLE 堆栈。在这些情况下，单一 BLE 堆栈已经足够，客户不需要嵌入式堆栈。在大多数情形中，芯片制造商提供的堆栈就能够满足他们的需求。但是，如果可穿戴设备需要更高的数据速率，发送或接收语音、音频或 BLE 无法胜任的其他信号，那么客户将需要双模堆栈。另外，如果可穿戴设备需要与没有 BLE 的旧款设备通信，或者像
Android 那样拥有 BLE 但没有为开发打开，那就需要嵌入式双模堆栈。

我们擅长的另一个领域是帮助客户优化处理器利用率来获得最大性能。我们可以帮助客户细调其应用，从而达到最大效率。下图显示了使用STMicroelectronics的
Cortex-M3 处理器 STM32F103ZE 和 CSR的CSR8811™ 双模蓝牙控制器时，不同 RFCOMM缓冲大小和缓冲数量之间的性能差别。

WT：或许更好的问题是，您最喜欢的蓝牙可穿戴产品是什么？

AP：我最喜欢的可穿戴产品是我们前几年开发的无线蓝牙电子笔，它可以在任何表面上书写，然后通过蓝牙将手写或绘画数据即时发送到手机和互联网。可惜的是，该产品未能面市，而那完全是另一码事了。不过，我们因此也开发出了存储器空间占用最小的真正嵌入式蓝牙堆栈。dotstack™对许多需要让设备尺寸更小、价格更低的产品设计师而言很有吸引力。

在我看来，有一些应用的前景非常广阔。佩戴一个健康无线手环或智能手表非常自然，而且有许多用户千方百计想要降低卡路里和减脂减重。在衣服上饰以 LED 可以是非常有趣的应用，而且您也必须要穿衣服嘛。我可以告诉您的是，Erogear 这家 SEARAN 客户对这一概念有一个非常有趣的实施。

WT：为何选择从第三方购买蓝牙堆栈，而不是自己编写？

AP：有诸多因素需要考虑。当然，一个强大的软件工程师团队可以编写蓝牙堆栈。问题在于愿意投入的时间和资源有多少。整个过程需要经过下面这些步骤：

1. 创建蓝牙堆栈本身，以及各种配置文件。
2. 将这些配置文件集成到各种嵌入式平台，编写嵌入式代码示例，对整个系统执行压力测试和其他测试。
3. 在产品可被称为支持蓝牙之前，它必须满足所有
   Bluetooth SIG 规范要求，利用其 PTS 测试套件进行
   Bluetooth SIG 测试，还必须要向 Bluetooth SIG 支付 QDID 费用。
4. BR/EDR 和 BLE 在不断发展。规格更改要求持续升级到最新版本和功能。
5. 必须重复进行互操作性测试和压力测试。

简而言之，这就是嵌入式堆栈开发与支持的大致面貌。

如果您将所有这些考虑在内，再加上 SPP 这样的基本配置文件也需要编写数万行代码，进行测试并持续提供支持，包括许多参数的变动，以及使用的蓝牙功能，那么许多人显然会决定选择一个由专属蓝牙开发人员团队提供支持的良好堆栈。

WT：客户如何着手评估蓝牙堆栈供应商？客户在购买之前应该询问的主要问题有哪些？

AP：首先，客户需要了解他们真正想要并可从蓝牙获得的功能是什么。我们花费大量时间了解客户需求，针对他们的架构提供建议。我们力劝客户尽快开始将蓝牙集成到其产品架构中。下面是SEARAN 提供的其中一张表格，其中包含可体现存储器参数和 MIPS 要求的一组配置文件。当然，还有许多其他设计细节需要考虑。

正如这张表格所示，我们的 RAM 和闪存占用大小允许将蓝牙解决方案集成到尺寸很小、价格很低的处理器中，为应用程序代码释放宝贵的空间和资源。我们在每一步骤上为客户提供帮助，与我们合作并听取我们建议的客户至少在各个项目的蓝牙方面取得了成功。不幸的是，许多时候我们会碰到这样的客户，他们已经根据一些草率的建议开发了硬件，然后开始根据一套它们硬件不能支持的配置文件和功能寻找蓝牙堆栈。

在了解到所需的配置文件和功能后，客户就会希望了解嵌入式堆栈蓝牙供应商之间的基本区别：对他们所选处理器的存储器占用、不同蓝牙控制器的具体信息、使用 RTOS 还是专有调度程序（非 RTOS），以及不同配置文件和应用程序的 MIPS 要求。我们首先询问客户非常具体的问题，例如他们产品的数据吞吐量、低功耗模式要求、具体音频编解码器和架构需求，以及对多连接和多频道模式的需求等。在评估过程中，客户希望观看工作演示。我们有不少演示，其中一些可以在我们的演示网站上观看。

WT：蓝牙和 BLE 这两种已经非常成熟的技术似乎依然在进化和演变之中，以满足新的市场需求。在嵌入式阵线上，如可穿戴设备中，存储器资源受到限制，而与SEARAN 这样的公司合作能够让客户获得满足其特定需求的堆栈，而不必包揽一切而付出不必要的存储器成本。当然，像SEARAN 这样的公司不仅提供软件，他们也擅长针对应用优化软件以及选择正确的硬件。SEARAN 似乎拥有可观的现成解决方案产品组合，其中有不少基于ARM 处理器，这尤其吸引我们的目光。这可以快速验证蓝牙解决方案，甚至能利用可用的开发套件进行深度开发，然后再将它们落实到您自己的硬件中。