采用蓝牙4.2实现物联网

Zjianeng

在许多无线物联网设备中，如可穿戴电子设备和电池供电或自供电传感器，将功耗保持在水平至关重要。物联网的一些重要的应用包括智能家居，远程医疗保健，消费者零售，环境监控和商业资产跟踪。为了简化部署，这些设备需要方便终用户访问和控制，无需专用网关等特殊设备。
　　某些无线技术，如ZigBee?，可满足低功耗要求，并提供长距离和面向应用的配置文件，如ZigBee PRO或ZigBee家庭自动化（HA）。另一方面，与消费者域的连接可能有些复杂，并且可能需要特殊的网关以允许用户通过诸如普通智能手机或平板电脑之类的设备进行交互。
　　蓝牙?具有一些吸引力作为替代方案，但从历史上看，它并不适合物联网的某些方面。它的功耗相对较高，数据速率比通常更快，而且个蓝牙规范是基于一对一而不是一对多的连接。
　　蓝牙低功耗（BLE）标准（版本4.0/4.1/4.2）补充了基本速率（BR）和增强型数据速率（EDR）（版本2.0/2.1）标准，改变了蓝牙与物联网的关系。自2012年以来，每个智能手机，平板电脑和智能手表都支持BLE，允许用户使用自己的设备轻松直接与物联网应用进行交互，而不受网关需求的限制。
　　蓝牙移至满足物联网需求
　　BLE标准旨在交换短脉冲数据并使微硬件电流消耗大小而不是毫安，同时扩展通信范围。在这些规范中，后来的蓝牙4.2增加了重要的新功能，这些功能显然旨在使蓝牙尽可能地吸引物联网设备设计人员。
　　蓝牙4.2中添加的重要功能包括互联网协议支持配置文件（IPSP） ）使设备具有自己的IPv6地址，从而通过边缘设备直接连接到互联网，而无需智能手机充当网关或集线器等设备。通过使蓝牙设备能够发送和接收IP数据包，IPSP还可以与支持IP的其他非蓝牙设备（如6LoWPAN设备）进行通信，从而极大地扩展了互操作性。
　　此外，还有一些重要的新功能允许设备使用标准HTTP与基于互联网的服务进行交互。这些功能包括新的API，使用户能够通过Internet安全地发现蓝牙LE设备并与之互动。这些设备可以是智能家居传感器或执行器，例如窗户传感器或门锁。房主可以发现设备，检查其状态，并通过路由器或智能电视等设备进行调整。同样，智能家居所有者可以通过直接从智能手机，平板电脑或支持蓝牙的PC连接来控制所有这些设备，而无需任何其他网关设备。
　　新的HTTP代理服务（HPS）允许蓝牙4.2设备充当HPS客户端与云应用程序交互。在智能家居应用中，充当HPS客户端的蓝牙4.2温度传感器可以在家庭路由器上使用可发现的HPS服务将数据发送到基于云的应用程序，如能效服务（图1）。
　

　　图1：蓝牙4.2设备可以使用HPS直接向云端发送数据。
　　蓝牙4.2还指定了更大的消息包大小，允许数据传输到比之前版本的BLE快2.5倍。
　　BLE规范中一个比较有争议的方面是支持信标功能，它利用了BLE设备之间的自动交互。连接到移动设备的蓝牙信标在范围内可以支持诸如微位置，在商店中推销销售信息或在店内跟踪客户移动以用于营销目的的应用。画廊或艺术博物馆可以发布一个供访问者的应用程序，允许他们在展览中移动时自动接收每个展览的信息。
　　在企业场景中，信标非常有用。例如，它们可用于引导访问者访问大型站点中的特定位置，快速查找可能放错位置的资产，或者在需要维护时发出警报时广播警报。
　　隐私和安全性
　　通过识别蓝牙设备地址来跟踪智能手机用户的能力引发了隐私问题。为了解决这个问题，蓝牙4.2引入了一项隐私功能，可以使用安全加密密钥频繁生成新的设备地址。密钥对于可信设备是已知的，允许它们解析新地址。因此，用户有权选择何时允许跟踪，并且可以例如平衡接收销售要约或位置指导的价值以防止感知入侵或侵犯隐私。
　　这个新的隐私功能是其中之一蓝牙4.2中的许多安全功能，符合NIST或FIPS，包括更安全的密钥生成，加密和数据签名技术，以涵盖早期BLE规范中的漏洞。通过添加额外的配对方法，使用椭圆曲线加密技术进行密钥交换，确保更强的安全性，从蓝牙4.0和4.1的安全简单配对模型升级配对，确保更强的安全性。
　　结合蓝牙的优势4.2通过增强的互联网和云连接，消费者智能手机中无处不在的蓝牙技术可以使其成为物联网中使用广泛的技术。
　　需要新的硬件
　　一些增强功能通过更新固件，可以将蓝牙4.2（例如改进的安全功能）添加到现有BLE产品中。然而，其他方面，例如更快的数据速度，只能通过适当的硬件来实现。许多蓝牙4.2模块可用于帮助设计人员快速利用新标准。
　　Microchip RN4870和RN4871是完整的模块，将Microchip IS187x BLE IC与所有必需的外围组件相结合板式天线创建一个易于使用的插入式解决方案（图2）。该IC完全集成了蓝牙4.2基带控制器，蓝牙4.2堆栈，数字和模拟I/O以及RF功率放大器。该模块通过简单的UART接口连接到主机系统，并提供方便的ASCII命令API。 RN4870/71模块可以与板载陶瓷芯片天线一起订购，或者作为非屏蔽版本，具有外部天线连接，从而使尺寸更紧凑，适用于空间受限的应用。
　

　　图2：该模块提供了蓝牙4.2连接所需的一切，并可轻松连接到主控制器。
　　另一个模块，Silicon Labs BGM113，基于EFR32BG SoC采用ARM?Cortex?-M4微控制器，能够在空间或成本受限的应用中无需外部mcu即可托管终用户应用。该模块集成了各种外设，如比较器和ADC，以及便于连接其他外设或外部传感器的数字接口和GPIO。
　　结论
　　无线标准需要一段时间应对物联网迅速扩展到日常生活中。许多现有标准无法使物联网充分发挥其作为消费者或商业工具的潜力。增强功能和特殊配置文件（如ZigBee HA）说明了无线行业试图赶上快速发展的物联网机会的一些尝试。
　　蓝牙低功耗与低功耗，低功耗相比，具有超越其他无线标准的巨大优势由于对当今流行的移动设备的普遍支持，数据速率和适当的范围与纯粹无处不在。通过更时尚的IP连接，更高的安全性和隐私性以及有用的速度提升，蓝牙4.2可以为物联网提供理想的连接技术，以实现其崇高的目标。

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新的HTTP代理服务（HPS）允许蓝牙4.2设备充当HPS客户端与云应用程序交互。