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1.4 蓝牙和低功耗蓝牙简介
蓝牙是短距离，低功耗，低成本，小型无线技术的全球标准，允许设备通过无线电链路相互通信。 它起源于电缆更换技术，主要用于替换连接各种设备的串行数据电缆。 多年来，用例已经发展到在PC，移动设备，听音乐，打印文档，浏览，在蓝牙耳机和车载套件上进行移动呼叫等等之间交换文件。
今天，对于手机、平板电脑和笔记本电脑，蓝牙的附着率几乎是100％。 蓝牙还广泛用于无线耳机，扬声器，照相机，汽车套件，游戏机以及键盘，鼠标，打印机和扫描仪等外围设备。
蓝牙低功耗（也称为LE）是作为蓝牙4.0规范的一部分而添加的蓝牙技术的最新增强之一。顾名思义，它的目标是“超”低功耗设备。这项技术在过去被称为无线技术（Wibree）和超低功耗（ULP）。 蓝牙低功耗和LE这两个术语将在本书中互换使用，以指代蓝牙低功耗。
蓝牙低功耗进一步扩展了蓝牙的低功耗特性。符合此标准的设备预计会消耗非常低的功率，因此它们可以在纽扣电池或更小的电池上运行数月甚至数年，而无需充电或更换电池。这在难以频繁充电且电池寿命很重要的应用中非常有用。数据通信通常是短暂的突发，不需要非常频繁。它最适合不需要高吞吐量或数据流的设备。
根据ABI研究[16]：
......在其生命的前10年（截至2010年），蓝牙设备的累计出货量达到50亿。增长主要是由于其在手机和配件中的使用。整体市场仍在增长，但未来五年将开始稳定下来......
......蓝牙v4.0的推出，以低能耗作为其关键推动因素，将推动第二波蓝牙设备出货量的增长。预计到2017年市场累计出货量将超过200亿......
蓝牙低功耗的一些主要功能包括：
bull;超低功率，可在纽扣电池或小型电池上运行数月甚至数年;
bull;小尺寸;
bull;低成本;
bull;短距离;
bull;连接速度更快（链路建立时间减少到3毫秒）;
bull;小块数据;
bull;不经常转移;
bull;安全;
bull;可互操作。
低功耗蓝牙可以找到各种各样的应用，包括：
bull;物联网;
bull;医疗保健设备，如温度计，血压计和血糖仪;
bull;智能手表，计步器，GPS定位器和心率监测器等运动和健身设备;
bull;家庭自动化;
bull;家庭娱乐，遥控器，无线键盘;
bull;智能能源（仪表和显示器）;
bull;广告;
bull;移动支付;
bull;汽车设备，如车辆轮胎压力传感器，运动传感器，温度传感器和污染传感器;
bull;安全。
什么是物联网？
越来越多的设备嵌入了传感器，并具有通信能力。这使得能够识别自己，收集数据以及彼此通信的设备网络成为可能。物联网是通信时代的下一个根本转变，小工具互相交谈而不需要人为干预。
一些示例是向公用事业公司报告电力和燃气使用的智能电表，具有用于更新库存和定价的蜂窝调制解调器的自动售货机，用于报告车队中的所有车辆到中央服务器的位置的车辆管理系统等等。
与其他类似技术相比，低功耗蓝牙的主要优势之一是它能够在现有的蓝牙基础设施上构建，尤其是智能手机，平板电脑和笔记本电脑。目前蓝牙对这些设备的附着率几乎是100％。一旦这些设备升级为使用低功耗蓝牙芯片，它们就可以充当低功耗蓝牙传感器的网关。可以为最终用户以非常低的增量成本启用各种用例。因此，低功耗蓝牙有望成为整个无线传感器市场的重要贡献者。
引入与LE相关的增强功能的蓝牙4.0核心规范[13]于2010年7月发布。从那时起，一些设备已经上市，还有一些已经开发和宣布。 这也为硬件和软件开发人员提出了几项要求。 正在开发的新设备和用途需要硬件实现和软件应用程序。
1.5 应用
本节介绍低功耗蓝牙的一些可能的实际用途。
1.5.1查找和警报设备
低功耗蓝牙可用于查找放错位置的设备。一些示例场景是：
1.如果家用电器或车钥匙的遥控器放错位置，则可以通过移动设备找到它们。用户按下移动设备上的按钮，放错位置的设备将开始提供音频或视觉警报。例如，它可能会开始发出哔哔声或其上的发光二极管可能会开始闪烁。
2.一旦烹饪食物或洗涤衣物，微波炉或洗衣机就会向手机或手表发出警报。
1.5.2接近和存在检测
低功耗蓝牙可用于检测设备的存在或不存在并相应地采取措施。它还可用于检测设备何时远离预定范围。
1.一旦汽车靠近车库，车钥匙将自动指示车库门打开而无需按任何按钮。
2.当一个人停放汽车时，家中的设备将检测他或她的存在并自动采取一些行动。可以打开灯并启动温度控制（空调或加热器）。
3.一旦人离开家，灯就会关闭，门会锁定，温度控制会自动调节。
4.如果一个人在拥挤的地方并且他或她的手机被盗，当小偷用移动设备逃跑时，与所有者的距离会增加。在这种情况下，主人的手表和手机都会开始发出警报，手机会锁定自己。如果主人是幸运的，小偷可能会惊慌失措，把手机扔下去，然后逃跑！至少自动锁定移动设备将确保存储在移动设备上的敏感数据不被滥用。
1.5.3医疗保健
低功耗蓝牙的主要市场之一是医疗保健领域。
1.温度计，心率监测仪，血糖监测仪和秤等医疗保健设备可以进行测量并将数据发送到智能手机或笔记本电脑。智能手机或笔记本电脑可以对历史趋势等数据进行一些分析，并在任何参数超出规定限制时提醒用户。它也可以通过互联网将数据发送给医生。
2.医疗保健设备可以编程为根据患者的状况以不同的间隔进行测量。这些也可以编程为以各种单位（如摄氏或华氏）报告数据。
1.5.4运动和健身设备
低功耗蓝牙可用于多种运动和健身应用。一些示例应用程序（见图1.5）：
1.可穿戴心率监测器，用于监测心肺功能锻炼期间的心率。
2.计步器和速度计，以跟踪锻炼。
3.使用低功耗蓝牙传感器的GPS定位器提供有关速度，行进距离，当前位置等信息。
1.5.5移动支付
低功耗蓝牙可用于电子钱包应用程序以进行移动支付。一些示例场景是（参见图1.6）：
用户可以走进商店并选择要购买的商品。 用户可以使用支持低功耗蓝牙的移动电话，而不是使用信用卡进行支付。手机电话将与商店中的零售终端建立安全链接以进行PIN验证，等等。金融交易的验证和接受可以基于云。
1.6竞争技术
还有许多其他无线技术在与蓝牙低功耗相同的空间中竞争。这些技术中的每一种都有其自身的优缺点，其中一些用途与蓝牙低功耗的用途重叠。 这里简要介绍了其中一些技术。 这些信息已从相关技术的相应网站上获取（参见参考资料）。
这里的目的不是比较技术，而是将这些技术引入读者，以便可以在参考文献中查找这些技术的细节。 互联网上已经有一些很好的资源，从技术角度和商业角度对这些技术进行了深入的比较。
1.6.1 ANT和ANT
ANTtrade;[16]是经过验证的超低功耗（ULP）无线协议，负责以稳健和灵活的方式从一个设备无线发送信息到另一个设备。凭借数百万个部署的节点，ANT非常适合任何类型的低数据速率传感器网络拓扑 - 从点对点或星形到实用的网状个人区域网络（PAN），非常适合运动，健身 ，健康和家庭健康应用。 ANT是家庭和工业自动化应用中局域网（LAN）的实用解决方案。
ANT专为无线传感器网络（WSN）而设计，需要：
bull;超低功耗（在纽扣电池上运行多年）;
bull;高度优化资源（适合紧凑型存储器）;
bull;网络灵活性和可扩展性（自适应，能够做到实用的网状网络;
bull;易于使用，系统成本低（单个芯片独立运行）。
ANT 表示可以添加到基本ANT协议的互操作性功能。 这有助于收集，自动传输和跟踪传感器数据。 ANT 正在寻找运动和健康设备的应用，如心率监测器，运动手表，自行车，温度传感器等。
1.6.2 ZigBee
ZigBee是一种基于标准的无线技术，旨在满足几乎任何市场中低成本，低功耗无线传感器和控制网络的独特需求。由于ZigBee几乎可以在任何地方使用，易于实施，运行所需的能力很小，因此进入新市场的机会以及现有市场的创新都是无限的。以下是ZigBee网站上有关ZigBee的一些事实：
bull;ZigBee在全球拥有数百名成员，使用2.4-GHz无线电频率在世界任何地方提供各种可靠且易于使用的标准。
bull;消费者，企业，政府和工业用户依赖各种智能且易于使用的ZigBee标准来更好地控制日常活动。
bull;凭借可靠的无线性能和电池操作，ZigBee为人们提供了更多自由和灵活性。
bull;ZigBee提供各种创新标准，旨在帮助人们实现绿色环保并节省资金。
1.6.3近场通信（NFC）
NFC技术使交易更简单，交换数字内容以及通过触摸连接电子设备，使全世界的消费者的生活更轻松，更方便。 基于标准的连接技术，NFC协调当今多样化的非接触式技术，在以下领域实现当前和未来的解决方案：
bull;访问控制;
bull;消费类电子产品;
bull;卫生保健;
bull;信息收集和交换;
bull;忠诚度和优惠券;
bull;付款;
bull;运输。
NFC为消费者和企业提供了一系列好处，例如：
bull;直观：NFC交互只需要简单的触摸即可。
bull;功能多样：NFC非常适合最广泛的行业，环境和用途。
bull;开放和基于标准：NFC技术的基础层遵循普遍实施的ISO，ECMA和ETSI标准。
bull;技术支持：NFC有助于快速简单地设置蓝牙和Wi-Fi等无线技术。
bull;固有安全：NFC传输是短距离的（从触摸到几厘米）。
bull;可互操作：NFC可与现有的非接触式卡技术配合使用。
bull;安全就绪：NFC具有支持安全应用程序的内置功能。
1.7总结
无线技术已成为我们生活的重要组成部分。 根据应用要求，无线技术在数据速率和覆盖范围方面提供了充足的选择。 有几个标准机构帮助开发这些技术的规范。
低功耗蓝牙可在多个领域中找到应用。 它建立在现有的蓝牙设备生态系统之上，并解决了需要超低功耗的用例。 这些包括可能难以更换电池或为电池充电的情况。 LE设备预计可以工作几个月到几年而无需充电。
第2章 蓝牙背景
2.1简介
本章简要介绍了蓝牙技术，并介绍了一些常用的概念和术语。如果读者精通蓝牙技术，可以跳过它。
2.2 Ad Hoc网络（多跳网）-为什么？
在当今世界，随着“始终连接”设备和“移动中”用户的出现，用户希望设备能够无缝连接并交换信息，而无需安装驱动程序，升级软件，找出电缆连接，查找集中式服务器上的配置甚至是用户手册。信息是这个互联世界的关键，而且能够在各种设备之间快速交换信息的能力已经成为奢侈品的必需品。
有许多应用程序，用户希望将设备彼此靠近并期望它们方便地交换数据而无需经过冗长的设置过程。设置→数据交换→拆卸周期越快，用户体验越好。
无线自组织网络可以定义如下：
无线自组织网络是分散类型的无线网络。该网络被称为ad hoc，因为它不依赖于预先存在的基础设施，例如有线网络中的路由器或WiFi等无线网络中的接入点。
下面描述了ad hoc网络的一些现实场景。
2.2.1打印文档，照片
考虑用户使用相机拍摄照片并希望打印照片的情况。 最方便的方案是只需选择打印机并将文档或照片发送给它，而无需连接任何电缆或安装任何打印机驱动程序。
2.2.2交换名片，照片，音乐，文件
假设一个人在火车站遇到一个朋友，他们需要交换电话号码，电子邮件地址和其他联系信息。 他们也可能决定在火车到达之前交换一些其他的东西，如照片，音乐或其他文件，并且他们各自的方式。 在这种情况下，需要ad hoc技术来快速建立连接并以高数据速率发送信息。 除了高数据速率之外，ad hoc技术还需要是安全的，因为它们在公共场所使用它们并且他们希望确保其他人不接收他们的敏感信息。
2.3什么是蓝牙？
蓝牙是短距离，低功耗，低成本，小尺寸无线技术的全球标准，允许设备通过无线电链路相互通信。它起源于电缆更换技术，主要用于替换连接各种设备的串行数据电缆。多年来，它的用途已经发展到在PC，移动设备，听音乐，打印文档，浏览，在蓝牙耳机和车载套件上进行移动呼叫等等之间交换文件。
如今，手机，平板电脑和笔记本电脑的蓝牙连接率几乎达到100％。蓝牙还广泛用于无线耳机，扬声器，相机，车载套件，游戏机以及键盘，鼠标，打印机和扫描仪等外围设备。
蓝牙的一些关键功能包括：
bull;Ad hoc;
bull;小尺寸;
bull;低成本;
bull;低电量;
bull;短距离;
bull;安全;
bull;可互操作;
bull;全球标准;
bull;便于使用;
bull;不需要视线;
bull;不受墙壁等障碍物的干扰;
bull;可以与其他无线技术共存;
bull;已有大量配置文件可用于解决实际情况。
蓝牙也被称为无线个人区域网（WPAN）技术。如第1章所述，个人局域网（PAN）用于个人设备（如笔记本电脑，PC和移动电话）之间的通信。通信可以通过USB，Firewire或普通旧串行电缆等有线总线完成。WPAN使用无线媒体连接个人设备，如手机，PDA，平板电脑和配件。有许多无线技术，如IrDA，蓝牙，无线USB，NFC和ZigBee，用于WPAN。
2.4蓝牙
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