低功耗蓝牙无线技术和专用协议在HID市场的应用

选择 PC HID 无线电的关键是成本（PC HID 市场对价格非常敏感）、安全性、范围、功耗、响应时间、干扰、共置和设计的简易性。 一般来说，标准协议比专有协议在市场上更具竞争力，因为它实现了设备之间的互操作性。 然而，直到 2009 年，当谈到 PC HID 时，只有专用协议主导着市场。 这主要是因为没有单一无线标准在成本、功耗和效率方面最适合 PC HID 市场。 随着低功耗蓝牙无线技术试图进军低功耗市场，我们可以预期新的无线电标准将占领 PC 市场。 本文比较了蓝牙4.0无线技术和专有协议在HID市场的应用。

专用射频解决方案

为了在2.4GHz射频频段获得可靠的通信链路，专用射频网络充分利用了自己的协议。 网络在安静通道上工作，以确保网桥接收来自节点的数据包。 如果信道变得拥塞，网络会搜索安静的信道，在那里建立通信并成功传输。 如果硬件支持直接序列扩频（DSSS）传输，当检测到干扰时，协议将切换到该模式并开始寻找更安静的信道。 这些协议不遵守任何 IEEE 标准，其代码很小且经过优化，专用于具有严格功耗和数据包开销要求的应用。

蓝牙低功耗

蓝牙技术是一种短距离通信系统，旨在取代电缆来连接便携式或固定电子设备，是 IEEE 标准。 蓝牙无线技术有两种形式：基本速率 (BR) 和低功耗 (LE)。 这两个系统都包括设备发现、连接建立和连接机制。 低功耗蓝牙也可以设计有特色，可以设计出比BR蓝牙功耗更低、复杂度更低、成本更低的产品。 低功耗系统也可用于数据速率较低且占空比较低的情况。 使用这两个系统的设备可以相互通信。

成本

无线HID市场有非常严格的价格要求。 无线 HID 产品开发人员通常关心选择低成本微控制器作为其应用的射频基带控制器。 微控制器还需要有足够的闪存来存储无线协议栈。 由于蓝牙低功耗是一种标准，因此堆栈代码大小比专有协议大得多，需要更多闪存并增加成本。 由于协议栈较小，无线 HID 市场一直由专有协议主导。 但是，专用网络需要外部网桥来连接到 PC 或主机，以便它们可以与网络上的其他设备进行通信。 蓝牙技术在大多数个人电脑和移动电话中都很常见。 这些设备将具有完整的双模蓝牙桥（BR 和 LE），并且将来不再需要外部桥。 低功耗蓝牙与我们今天使用的蓝牙不同，它是一种“关闭”技术。 这使得使用蓝牙低功耗的设计能够通过小型纽扣电池实现多年的电池寿命。 蓝牙技术是由蓝牙 SIG（特别兴趣小组）维护的标准。 任何蓝牙相关设备都需要经过这个认证委员会的认证，这进一步增加了开发成本。

能量消耗

专有射频芯片制造商通常不会完全披露功耗。 他们会指出功耗取决于占空比。 因此，开发人员必须使用面包板设置和自己的固件测试环境来获取他们想要的功耗数据。 由于功耗是HID市场的主要关注点，蓝牙低功耗标准规定，在最大3毫秒数据传输应用中，峰值电流一般不会超过20mA，在纽扣电池应用中，峰值电流不会超过15mA。 使用蓝牙低功耗无线技术的设备消耗的能量只是其他蓝牙产品的一小部分。 很多情况下，低功耗蓝牙产品只需要一块纽扣电池就可以运行一年以上而不需要充电。 例如，通过这种方式，小型传感器可用于连续工作并与其他设备（例如移动电话或 PDA）通信。 基于蓝牙低功耗的小型设备（例如手表和运动传感器）将具有许多低功耗的优点。 支持蓝牙和低功耗蓝牙的双模实现将使用一些现有的蓝牙硬件并共享物理收发器设备和天线。 双模实现将基本保持与典型蓝牙技术相同的功耗。

可靠性和安全性

防止其他技术干扰或共享相同频段的能力非常重要，因为这也会影响用户性能。 2.4GHz 的抗干扰能力意味着能够与 802.11b/g、蓝牙以及一系列无绳电话和微波炉可靠地共存。 只有提供良好的信道跳变方法学的智能编码方法才能保证数据的可靠性。 例如，一些发送设备可以使用直接序列扩频（DSSS）和跳频扩频（FHSS）传输。 低功耗蓝牙仅使用跳频技术，这与所有版本的蓝牙技术相同。 DSSS 可确保数据稳健性，而 FHSS 则允许无线电信号在干扰过大时跳至新频道。 与专有协议相比，缺乏 DSSS 也是蓝牙的一个缺点，因为专有射频可以在嘈杂的环境中共存，而不必跳转到更安静的通道。 低功耗蓝牙提供完整的 AES-128 加密技术，可对数据包进行强力加密和身份验证。 同时，这会消耗大量的数据包。 为了保证系统的稳定性和可靠性，开发人员必须根据设备的硬件能力和应用程序所需的安全级别来选择现有的专有协议或蓝牙等标准协议。 对于某些应用，例如无线鼠标，不需要安全性。

覆盖范围

无线 HID 应用通常在相对较短的距离内进行通信，因此需要十米以上的情况非常罕见。 如果所需的通信距离较长，设备的功耗也会增加。 专用射频协议提出，使用外部功率放大器可以支持更远的距离，低功耗蓝牙规范提出可能的范围超过100米。

速度/吞吐量

低功耗蓝牙支持 1Mbps 的数据速率，足以满足无线 HID 应用的需求。 然而，由于额外的开销，实际吞吐量仅为 . 专用协议的优点是数据包开销根据应用需求而受到限制，从而可以支持更高的吞吐量。 对于某些需要大于 250 kbs 的有效吞吐量的应用（例如游戏鼠标、音频应用和触摸应用），蓝牙低功耗实现不如专有标准。

拓扑结构

大多数无线 HID 应用需要点对点网络（例如无线键盘或鼠标）或星形网络（例如传感器网络）。 专用协议将协议优化为特定的拓扑。 可连接到网络的从设备数量根据所使用的微控制器和系统中的从设备寻址方法而受到限制。 低功耗蓝牙技术针对一对一连接进行了优化，但也允许一对多星形拓扑连接。 通过使用快速连接和断开连接，数据可以像网状拓扑一样移动，但无需维护网络所需的复杂性。 例如，如果所有这些电路都集成到蓝牙 LE 中，则拥有集成蓝牙 BR/LE 的手机的用户可以通过手表记录脉搏、通过鞋子燃烧的卡路里以及通过帽子记录外部温度。

认证

蓝牙专家组 (SIG) 是一个监督蓝牙标准发展并向制造商颁发许可证和商标的组织。 为了获得许可证，公司必须成为蓝牙 SIG 的成员。 SIG 还负责管理 SIG 认证流程。 任何使用蓝牙的产品都需要经过认证，并且需要事先获得蓝牙技术知识产权的许可。 SIG的主要使命是发布蓝牙规范、保护蓝牙商标、推广蓝牙无线技术。 认证流程的介绍，包括认证步骤、认证类型和费用，已发布在蓝牙 SIG 公共门户上。 在使用专有协议的情况下，许多制造商提供自己的认证规范，这些规范几乎是免费的，因此产品开发人员可以在自己的终端上评估协议，并且可以最大限度地减少开发成本和时间。

应用

使用专有的射频，可以针对任何应用轻松修改协议。 使用这种方法，通过改变输出功率电平，可以修改应用程序以适应环境，以更鲁棒的通信模式运行，或者可以移动到更安静的环境进行通信。

在充斥着窄带、本地、专有和其他连接解决方​​案的市场中，低功耗蓝牙技术本身也有其自身的差异：

*易于实施和多供应商互操作性

*超低峰值电流、平均功耗和空闲模式功耗

*低成本集成

*功率可控

*接口阻抗

蓝牙低功耗技术扩展了个人局域网 (PAN)，将小型纽扣电池供电的蓝牙设备纳入其中。 使用低功耗技术、运动和保健设备、人机界面 (HID) 和其他娱乐设备可以增强优势。 该技术可以集成到许多产品中，例如手表、无线键盘、游戏和运动传感器，并且可以与主机设备（例如手机和个人电脑）连接和通信。

蓝牙低功耗技术的其他标志性特征包括低成本和广泛的范围。 由于新型低功耗蓝牙芯片体积小且价格便宜，因此增加了将其应用到日常消费产品中的可行性。 例如，它可以放置在鞋底上来跟踪人的速度、距离、配速和其他统计数据。 使用具有低功耗无线标准的产品，例如嵌入鞋底的低功耗蓝牙芯片，可以提供更长的服务，因为电池寿命超过了一双跑鞋的平均寿命。

尽管低功耗蓝牙对于多种应用来说看起来都是一项不错的技术，但在 HID 应用采用该技术之前，业界还需要解决一些现有的问题。 当然它不需要外部桥接器，这就是它的优点。 然而，当电子行业准备集成双模蓝牙收发器时，问题就会出现。 将双模/单模收发器集成到主机中也会导致蓝牙技术与WiFi、WiMax、典型蓝牙设备和其他2.4 GHz技术共存的问题。 对于开发人员来说，提供完整的解决方案可能是一个巨大的挑战。 当时的临时解决方案是使用外部桥接器与PC配合工作。 由于低功耗蓝牙仍处于开发阶段，所有应用规范尚未最终确定，这将长期影响低功耗蓝牙在无线HID领域的应用。

蓝牙技术虽然是标准协议，但其在绑定方式上的缺陷是不可避免的。 例如，考虑一个教室环境，其中许多学生使用蓝牙鼠标，并且所有人都试图将他们的鼠标同时绑定到各自的电脑。 这时可能会出现交叉捆绑，鼠标被捆绑到了另一台计算机上，而不是它应该捆绑的那台计算机上。 诸如赛普拉斯半导体解决方案之类的专有协议将避免这些问题，并且可以使用 KISS (Keep It) 绑定、供应商绑定和自动绑定技术。 如果开发人员尝试将低功耗蓝牙用于此类 HID 应用，他们将需要自己的绑定方法。

就像任何其他产品一样，适应应用程序是成功的关键。 低功耗蓝牙具有低成本、低能耗的特点，在无线HID市场上似乎是一个不错的解决方案。 然而，虽然低功耗蓝牙吸引了许多公司进入无线 HID 市场，但它不一定会成功，除非它实现并超过了专有协议十年前成功实现的功能。