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藍牙技術

藍牙動態多協議技術


ZigBee藍牙動態多協議技術

一、動態多協議技術簡介

ZigBee/藍牙動態多協議技術是由Silicon Labs公司提出的能在單一系統芯片上并發運行低功耗藍牙和ZigBee兩種不同協議的技術。這種技術結合了兩種協議的主要優勢,可完成兩種協議棧的主要功能,并沒有增加硬件的結構復雜度和成本。相比于具有相同功能的雙芯片結構,動態多協議通過共用射頻模塊將芯片面積和成本降低了接近四成。在支持動態多協議技術的芯片中,運行其中的軟件系統內核基于優先級分時運行ZigBee任務和藍牙任務,并在切換任務時快速修改無線射頻模塊配置參數,以便可靠地支持不同協議棧。系統在運行每個任務時還要偵聽所有系統相關任務和任務間的通信。因此,有效的動態多協議系統除了需要具有公共代碼基礎結構、足夠的內存和通用無線接口外,還需要能支持任務切換、資源共享以及用于管理時間分片的無線電調度程序。

二、動態多協議技術原理

2.1動態多協議系統框架

(1)硬件架構:動態多協議系統硬件框架如圖3-10所示,由RAIL(Radio Abstraction Interface Layer,無線抽象接口層)提供直觀、易于配置的無線電接口和應用程序接口(API)以支持多種無線協議。

圖 3-10 動態多協議硬件架構圖

RAIL包含一個公有的無線配置接口和無線電調度器,支持動態多協議操作。無線電調度程序視重要程度和時間敏感度為每個協議中的不同無線電操作分配默認優先級,以便在無線電使用發生沖突時進行決策。在動態多協議設計時可利用兩種協議特性的不同。在藍牙低功耗的任務中無線電使用計劃非常嚴格且可以預測,廣播和連接都在預定時間內進行。相比之下,ZigBee任務在處理消息事件的時間方面更加靈活,ZigBee中的CSMA-CA具有隨機躲避機制,可將ZigBee事件延遲數毫秒。藍牙信標的數據包非常短,不超過30個字節,發送時僅占用大約1ms時間的無線電。信標之間的時間間隔通常不短于100ms,所以藍牙在無線電使用中僅有約1%的占空比,這意味著可以在其他99%的時間將無線電用于主要的ZigBee網絡。因此可以保證在正常使用藍牙低功耗的同時,還能使用ZigBee可靠地發送和接收數據。

圖 3-11 動態多協議軟件架構圖

(2)軟件架構:如圖3-11所示,在動態多協議系統中每個堆棧使用Micrium OS內核運行單獨的RTOS任務以提供任務切換,任務等同于其他操作系統中的線程。這些任務使用消息隊列和信號量等進程間通信(IPC)機制來協調互相通信,實現數據共享。

2.2動態多協議無線電調度

由于兩種不同協議不能依靠單個無線電收發器同時發送和接收數據,為了實現雙協議,兩個協議只能共享使用無線電收發器。為了不對任一協議的功能造成影響,它們必須能夠在不顯著降低性能或丟失數據的情況下間斷地停止使用無線電。在不同情況下,兩種協議中的不同無線電操作的重要程度或對時間敏感的程度不同,這就需要使用無線電調度對無線電使用進行規劃。

無線電調度程序是一個軟件程序,可以智能地響應堆棧請求以執行無線電操作,能最大限度地提高可靠性并減少延遲。在調度程序中每個事件都被分解為無線電操作,對應相應的無線電配置和優先級。如果調度程序接收到在時間上有沖突的更高優先級操作時,會中斷當前操作并執行更高優先級操作,無法按照計劃運行的較低優先級操作將失敗,之后由堆棧進行重試。一旦調度程序開始執行無線電操作,堆棧就可以持續使用無線電直到操作結束或者調度程序接收到更高優先級的無線電操作。BLE無線電操作幾乎總是比ZigBee無線電操作擁有更高的優先級。

每個堆棧可以請求無線電調度程序執行三種無線電操作:(1)后臺接收:連續接收數據,除非被其他任務中斷;(2)定時接收:在未來某個時間點以最短的時間接收數據;(3)定時發送:在未來某個時間點以最短的時間發送數據。

每種操作都有開始時間、預留時間、處理時間和優先級。其中,開始時間指示無線電操作將在何時進行,預留時間表示操作使用無線電且可以被堆棧接受的時間,處理時間表示完成操作所需的大概時間。發送操作通常具有明確的處理時間,而接收操作的處理時間通常是未知的,無線電調度程序通過處理時間確定是否允許該操作。

三、動態多協議技術優勢

動態多協議技術通過時間復用來切換運行不同協議,共享無線電收發器的方式簡化了系統設計并降低了物料成本。通過綜合使用兩種協議,動態多協議擁有了ZigBee和藍牙的關鍵優勢。

與ZigBee技術相比,動態多協議技術有如下優勢:(1)支持直接的基于智能手機的配置和控制;(2)提供診斷功能,可通過智能手機檢查設備的健康狀況;(3)可通過藍牙對固件進行高速OTA升級;(4)支持定位功能。

與藍牙技術相比,動態多協議技術有如下優勢:(1)在ZigBee端組網更加靈活、簡單;(2)采用路由方式的ZigBee網狀網絡容量更大,而BLE Mesh采用大數據流的泛洪,網絡負載更大且拓展性更差;(3)遵守規范的ZigBee設備互通性優秀,而藍牙互通需要手動修改藍牙連接的設置。

相對于傳統的雙芯片支持的雙協議(例如ZigBee/藍牙網關),動態多協議有如下優勢:(1)通過共用射頻模塊將尺寸和物料成本降低了近四成并簡化了無線子系統設計;(2)動態多協議采用分時復用降低了工作在同頻段的藍牙和ZigBee之間信號的干擾。綜上可知動態多協議比起單種協議以及雙芯片支持的雙協議優勢明顯,不僅綜合利用了藍牙和ZigBee各自的強大之處,還能節省成本并增強可拓展性。因此,本文在控制中心處采用動態多協議技術,并將ZigBee技術作為系統節點間的主要通信方式。

本文討論了 ZigBee/藍牙動態多協議技術, 說明了其工作原理,并分析了動態多協議技術相對于單種協議和傳統雙芯片雙協議的優勢。

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