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基于蓝牙低能传感器的无线传感器
摘 要：本文给出了基于蓝牙低能无线传感器的可行性研究结果。工业无线传感器的发展对无线技术提出了重要的要求，如低能耗、节约资源、简单的协议栈等。蓝牙低能标准是一种全新的无线标准，能够完全满足这些基本要求。利用自行设计的传感器系统，探讨了无线传感器系统的通用适用性。本文给出了用传感器系统进行各种分析的评价结果。
1引言
蓝牙等无线技术的提供，使科学和工业能够探索和发展无线传感器[2-4]。但是无线传感器的发展面临着许多挑战[7-9]。重要的挑战是：
- 因为有目的仅利用能量采集器[10]来提供无线传感器，因此，无线传感器本身的功耗是其本身的功率消耗；
- 内存的资源限制和所包含内存的计算能力；
- 可能的无线网络结构。
选择适当的无线技术将极大地影响这些挑战，并对无线传感器的成功至关重要[7-9]。新的蓝牙低能标准是由蓝牙技术公司[1]于2010年发布的，它应该能够应对这些挑战。针对传统蓝牙技术中无线传感器系统存在的诸多不足，设计了蓝牙技术（今天被称为蓝牙BR/EDR[1]）。为了对无线传感器的适用性做出更精确的预测，性能评估是必要的。基于这些事实，研制了一种基于传感器的演示传感器系统。该系统由德克萨斯仪器公司的一个芯片组成。BLE传感器系统的设计和架构将在第二节中进行描述。在下面的部分，将描述性能分析和进一步调查的结果，实现的传感器系统。第三节介绍了传感器系统的时序分析结果：在第四节中，将考虑堆叠的存储要求。在第五节中，将讨论数据通信和能源测试的功耗。论文最后在第六节作了简短的总结。
2 传感器系统的设计
如第一节所述，开发了基于BLE的演示传感器系统，以评估BLE无线技术并演示BLE的无线功能。
2.1传感器系统的结构
图1展示出了所实现的再现传感器系统的图。
图1.用于评价和演示的传感器系统
该系统的主要部分是基于自行开发的赛车跑道。该底盘由多个传感器和一个可转接芯片组成，该芯片包括一个转接芯片。这辆车在驾驶赛车时，正在传送像加速度这样的传感器数据。这些数据将被发送到一个基于PC的系统进行进一步的计算。PC机使用现成的传感器数据采集单元。如果需要的话，允许进行数据链路的辅助设备和汽车。
图2展示出了高级汽车传感器系统的详细结构。传感器系统的中心单元是德州仪器公司(TI)的一种单芯片解决方案CC2540F256。CC2540F256[5]包括一个BLE收发器和一个完整的8051微控制器。此外，BLE CC2540F256由TI免费提供的BLE软件堆栈组成[6]。
图2.传感器的体系结构
2.2部署无线转接芯片的特点
德州仪器公司生产的无线传感器是一种有着256KB可编程闪存和8KB静态存储器的小而强大的芯片。在操作期间，它有可能在三种不同的掉电模式下切换芯片。这种切换对于节约能源是很重要的。
BLE收发器 CC2540F256 运行在2.4GHz ISM的2402MHz-2480MHz频带上。变送器的发射功率可在0.01mW(-20dBm)和2.5mW( 4dBm)之间变化。BLE使用跳频扩频进行数据传输。此外，BLE组合了两种多址方案：频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)[8,9]。BLE使用的是40条射频通道，它们之间的距离为2MHz。三个信道用于广告和37用于数据通信本身。
无线传感器系统的开发得到了TI的支持。他们提供了开发工具包、软件和详细的文件。主要产品也来自TI公司，并在图1中作了说明。芯片的另一个有趣的特性是可以在芯片上运行一个名为硫柳汞的小型操作系统。OSAL有助于对程序进行编程[6]。
3 传感器系统的定时行为
传感器系统的定时行为将取决于BLE的一般工作方式。逻辑链路层的状态机描述了逻辑链路层的常见工作模式，如图3所示。设备的状态机保持非常简单。
BLE是一种面向连接的无线技术，即要交换数据的两个设备必须进入固定连接才能进行数据传输。在这里BLE设备可以像普通的扫描设备一样将更多的数据传送给扫描设备。此外，广告设备可以对它们准备进入固定连接的扫描和启动设备进行扫描和启动。在40个数据通道中，只有3个用于广告通信。状态为“扫描”(扫描器)和状态“启动”的设备将监听来自特定广告设备的数据包。此设备将响应这些数据包以启动新的连接。处于“连接”状态的设备称为处于连接中的设备。在状态“连接”中有两个不同的角色。这些角色被命名为“主角色”和“辅助角色”。当从状态“启动”到状态“连接”时，设备将具有主角色。从状态“广告”进入状态“连接的连接”时，设备将完成从角色。重要的是知道主设备定义了传输的所有定时。
图3.设备的状态(工作模式)[1]
3.1 BLE的连接建立时间
基于蓝牙的无线传感器系统在“连接”状态下的功耗通常大于“待机”状态下的功耗。为了在无线传感器系统的运行过程中节约能源，只有在必须交换数据的情况下，才能建立两个蓝牙设备之间的连接。连接设置时间是两个蓝牙设备之间建立连接的持续时间。传统蓝牙BR/EDR技术的连接设置时间在几秒之间[7]。这样长的连接建立时间对于传感器系统来说是一个很大的缺点，特别是当无线传感器系统对即将到来的传感器事件做出快速反应的时候。
对于新技术，连接建立时间现在已经减少了。测量到的最长连接建立时间为4.7ms。因此，可以将无线传感器系统切换到节能待机模式，并对必须传输的传感器事件做出快速反应。
3.2 传感器系统的数据吞吐量
测量了所实现的传感器系统的数据吞吐量。因此，可以估计所实现的数据吞吐量对于无线传感器系统是否足够。
如果连接了不同的设备，它们可以在特定的数据通道上发送和接收数据。此操作称为“连接事件”。两个连接事件之间的时间是连接间隔。连接间隔可以从最小7.5ms到最大4.0s[6]不等。
有许多选项可以为处于“连接”状态的设备交换数据。将通知[1]的传输作为从传感器系统到PC的数据传输的一个例子进行了研究。通知是允许数据传输的消息。未确认通知数据包。图4展示出了基于数据分组数量的传感器系统的测量数据吞吐量。一个数据包由20个有效载荷字节组成。传输功率为0dBm，连接间隔设置为7.5ms。通信直接链接到连接间隔。在只有少数数据包被传输的情况下，这一事实导致了较低的数据吞吐量。
图4.在发送通知过程中测量的数据吞吐量
另一种在设备间交换数据的可能性是响应-请求-过程。这是一个过程，发送设备可以“请求”从接收。成功的数据传输将通过“响应”从接收设备确认。与通知传输相比，由于数据传送被确认的事实，数据吞吐量较低。至少需要两个连接间隔来发送最多20字节数据的一个数据分组。如果传输的数据超过20字节，则这一事实导致最高的数据吞吐量。
总之，测量结果表明，对于许多无线传感器应用来说，吞吐量是足够好的。
4 BLE堆栈的存储要求
减少了BLE堆栈的复杂度，以获得用于传感器节点应用的轻量级堆栈。这导致许多收发机制造商支持开发者并利用免费的软件栈进行研究。
TI支持并向开发人员提供两种不同的无线传感器系统：从设备的堆栈和主设备的堆栈。表1显示了与现有的蓝牙和ACCEL相比，所测量的分配内存空间。现有蓝牙和新技术的基准图是从以前对无线技术的性能分析中得出的[7]。与传统的蓝牙BR/EDR相比，BBLE的协议栈的大小相当小。值得注意的是，整个新堆栈的内存分配不足，无法将完整的新堆栈存储在小型的并行堆栈上。在实现的无线传感器系统中，仅需256个内存的8位控制器就足以承载堆栈和传感器应用程序。
表1.TI协议栈的分配内存空间在蓝牙BR/EDR与ZIGBEE的比较
5 数据通信和能量测试的功耗
对该传感器系统进行了详细的能量分析。我们精确地测量了电流消耗和放电特性，以获得关于不同状态对电力消耗的影响的详细信息的BLE传感器系统。
5.1测量方法
为了测量传感器系统的电流消耗，采用了1Ω的测量方法和一种新的测量方法。图5展示出在广告状态下数据传输期间测量到的传感器系统的电流消耗和放电的示例。
图5.广告状态下测量的电流消耗(绿色曲线)和放电(曲线)的例子
在图5的测量过程中，系统的传输功率设置为-6级，电源调整为3.3V。平均字节数为31个字节。在这个例子中，测量的峰值电流为25 mA。整个传输时间的放电量为0.043mAs。因此，它可以被计算为表示，这比一个整体的能源消耗142千兆焦耳。
5.2基于能量采集的传感器系统
在未来，无线传感器系统只能在无电池和无电池的情况下运行。由于功率测量，已经进行了仅由能量采集器提供的布尔传感器系统的短估计。
下面的能量消耗已经用实现的传感器系统进行了测量(注意，传感器被忽略了，该系统由3.3V的电源和一个SU供电) m已发送20个字节)：
- 连接设置的能耗：0.3mJ
- 具有通知包的数据传输的能耗：0.13mJ
- 单个数据传输的能量消耗(如果数据传输之间的开关为开关)：0.78mJ
如果前面的DC-DC转换器(效率为60％)考虑到最后的情况(78mJ)，然后，一个能量必须为那些单一的数据传输提供至少1.3mJ的更多的能量。表2指出了今天可用能源的输出功率[10]。假设有良好的能量条件，为这种基于传感器的系统提供计算出的能量是可能的。只有在需要较短的数据传输周期的情况下，才能提供这种能量。
表2.市售能量采集器输出功率[10]
6 结论
本文给出了一种基于蓝牙低能无线传感器的可行性研究结果。自设计的BLE传感器系统已被用于探索BLE对无线传感器系统的普遍适用性。研究结果表明，无线传感器系统尤其是能量驱动的无线传感器系统是一种非常有趣的无线技术。主要事实 基于BLE的无线传感器系统是：
- 低功耗
- 良好的数据吞吐量
- 适用于8位微控制器的小型和简单软件栈
- 基于收发器制造商的良好的堆栈支持，简单地实现基于BLE的无线传感器
在未来的研究中，我们的重要研究成果将被用来详细计算基于传感器的寿命，并计算新的仿真模型。
参 考 文 献
- Bluetooth SIG (Hrsg.): Specification of the Bluetooth System: Covered Core Package version:4.0, Juni 2010.
- Omre, A.H.: Reducing Healthcare Costs with Wireless Technology. In: Wearable and Implantable Body Sensor Networks, 2009. Sixth International Workshop on BSN. Oslo, 2009.
- Huasong, C.; Leung, V.; Chow, C.; Chan, H.: Enabling Technologies for Wireless Body Area Networks: A Survey and Outlook. In: Communication Magazine, IEEE, Dezember 2009, pp.84-93
- Chen, M.: Body Area Networks: A Survey. In: MOBILE NETWORKS AND APPLICATIONS, Volume 16, Number 2, Aug 2011.
- Texas Instrument (Pub..): Texas Instruments CC2540 Bluetooth Low Energy Texas Instruments Inc. (Hrsg.): 2.4-GHz Bluetooth low energy System-on-Chip, CC2540F256, Oktober 2010 – Datasheet
- Texas Instrument (Pub.): Software Developeracute;s Guide. V1.0, 2010. – Document Number: SWRU271
-
Mackensen, E.: Analyse, Simulation und Entwurf intelligenter, autarker Mikrosysteme fuuml;r drahtlose Sensor-Aktor-Netzwerke. Freiburg, Universit
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