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2016-05-15

低功耗蓝牙如何实现超低功耗?

在我之前发布的文章:《能同时给多台设备进行无线充电的 A4WP 技术,究竟是什么黑科技?》中,低功耗蓝牙是A4WP 无线充电技术的一大技术难点,这次我主要讲述低功耗蓝牙是如何实现低功耗的。

什么是低功耗?

我们先来界定一下何为低功耗:

  • 平均工作电流 uA 级
  • 峰值电流不超过 15mA
  • 采用纽扣电池供电,电池寿命可达数年

在很多低功耗应用场景中,是采用纽扣电池(CoinCell)来供电的,采用纽扣电池来供电是低功耗蓝牙设计的主要目标,而纽扣电池的使用通常有较为严苛的限制条件。

典型的 CR2032 纽扣电池的容量通常为 210 mAh~230 mAh,依据品牌等有所差异,在使用中需要注意的是,其可用能量并不能完全的转化,还受到温度的影响。通常情况下,在零度时仅能提供室温下能量的约 80%。此外电池自身的自放电特性也需要予以考虑,常温下储存,每年容量损失小于 2%。这些因素在计算工作时间时需要予以考虑。

CR2032 纽扣电池可提供的最大峰值一般不超过 15mA,因此衡量产品设计是否满足低功耗的要求通常以峰值电流不超过 15mA 作为标准。

低功耗蓝牙如何实现低功耗?

和传统蓝牙技术相比,低功耗蓝牙技术功耗方面的降低主要得益于以下几个方面的改变:

1. 待机功耗的减少

传统蓝牙设备的待机耗电量大一直是为人所诟病的缺陷之一,这与传统蓝牙技术采用 16~32 个频道进行广播不无关系,而低功耗蓝牙仅使用 3 个广播通道,且每次广播时射频的开启时间也由 22.5 ms 减少到 0.6~1.2 ms,这两个规范上的改变显然大大降低了广播数据导致的功耗。

此外低功耗蓝牙设计了用深度睡眠状态来替换传统蓝牙的空闲状态,因此这样的设计也节省了最多的能源。

在深度睡眠状态下,协议也针对此通讯模式进行了优化,数据发送间隔时间也增加到 0.5~4 s,传感器类应用程序发送的数据量较平常要少很多,而且所有连接均采用先进的嗅探性 (Sniff-Subrating)功能模式,因此此时的射频能耗几乎可以忽略不计,综合以上因素,低功耗蓝牙的待机功耗较传统蓝牙大大减少。

2. 快速连接的实现

低功耗蓝牙的机制和理念在于连接是瞬态实现的,需要发送命令或传送状态时,可以极快的建立连接,完成后迅速断开连接。

通过连接机制的改善,低功耗蓝牙下的设备连接建立过程已可控制在 3 ms 内完成,几乎瞬间即可完成,并以数毫秒的传输速度完成经认可的数据传递后并立即关闭连结。而传统蓝牙协议下,即使只是建立链路层连接都需要花费100 ms,建立 L2CAP (逻辑链路控制与适应协议)层的连接建立时间则更长,通常需要几秒钟的时间。

快速连接对于许多低功耗设备而言是一个极大的福音,可以显著大幅度降低功耗,并大大降低低功耗产品开发的门槛。甚至于在一些特定的应用场景,可以无需电池供电,而采用能量回收的方式提供能量。(能量回收是近年来出现的为低功耗设备提供供电的方式,包括光能,机械能,以及温差等)。

按照传统蓝牙协议规范,若某一蓝牙设备正在进行广播,则它不会响应当前正在进行的设备扫描。低功耗蓝牙协议规范允许正在进行广播的设备连接到正在扫描的设备上,这就有效避免了重复扫描。

3.峰值功耗的降低

射频物理层进行了低功耗设计优化,使得在发射和接收时的峰值电流与经典蓝牙相比,大为降低。

以下是 Nordic semiconductor 的 nRF52 系列在 DC/DC 模式下的功耗参数

调制方式传统蓝牙和低功耗蓝牙都使用高斯频移键控(GFSK )调制。但是低功耗蓝牙使用的调制系数为 0.5 (接近高斯最小频移键控 GMSK 方案),而传统蓝牙技术的调制系数为 0.35 。这种调制方式的变化有利于降低功耗和提高 BLE 的通信距离。

4.以时间来换取能量

时间的使用对于低功耗蓝牙来说是实现低功耗的关键,由于无线电处于发射及接收状态时对于能量的使用和消耗是较多的,因此通过以下几个方面减少无线电部分的活动时间:

(1)高效率编码

高效率的编码方式可以用更少的时间发送同等数量的数据。

(2)短数据包格式

与经典蓝牙相比,低功耗蓝牙支持超短数据包(8~27 Byte),这使得发送时所需的时间更少。

(3)较快的发射和接收启动时间

较快的启动时间缩短发射和接收的等待时间。

(4)占用较少的资源

协议越复杂,相应占用的资源就会多,在同等情况下对于功耗的需要就会增加。低功耗蓝牙仅采用一个协议来实现服务器发现,名称发现,信息的读取和写入,这比采用多个协议的经典蓝牙所需的开销少得多,从而也对降低功耗作出了贡献。

(5)非对称架构的设计

低功耗蓝牙在架构采用了非对称设计,这对于低功耗来说是十分重要的,即从设备主要从事一些简单的操作,而无需进行复杂的处理,这样可以有效的降低功耗并降低成本;主设备端要负责加密,系统同步定时等复杂的操作及任务。

(6)客户端-服务器架构

低功耗蓝牙协议中采用了大家所熟知的客户端-服务器架构,它是软件系统体系结构,通过它可以充分利用两端环境的优势,将任务合理分配到客户端和服务器端来实现,降低了系统的通信开销。

谭晖从事无线技术开发二十多年,目前主要专注于蓝牙技术应用,已出版多本著作,有兴趣的小伙伴点击此处与他连接

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