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蓝牙技术

蓝牙动态多协议技术


ZigBee蓝牙动态多协议技术

一、动态多协议技术简介

ZigBee/蓝牙动态多协议技术是由Silicon Labs公司提出的能在单一系统芯片上并发运行低功耗蓝牙和ZigBee两种不同协议的技术。这种技术结合了两种协议的主要优势,可完成两种协议栈的主要功能,并没有增加硬件的结构复杂度和成本。相比于具有相同功能的双芯片结构,动态多协议通过共用射频模块将芯片面积和成本降低了接近四成。在支持动态多协议技术的芯片中,运行其中的软件系统内核基于优先级分时运行ZigBee任务和蓝牙任务,并在切换任务时快速修改无线射频模块配置参数,以便可靠地支持不同协议栈。系统在运行每个任务时还要侦听所有系统相关任务和任务间的通信。因此,有效的动态多协议系统除了需要具有公共代码基础结构、足够的内存和通用无线接口外,还需要能支持任务切换、资源共享以及用于管理时间分片的无线电调度程序。

二、动态多协议技术原理

2.1动态多协议系统框架

(1)硬件架构:动态多协议系统硬件框架如图3-10所示,由RAIL(Radio Abstraction Interface Layer,无线抽象接口层)提供直观、易于配置的无线电接口和应用程序接口(API)以支持多种无线协议。

图 3-10 动态多协议硬件架构图

RAIL包含一个公有的无线配置接口和无线电调度器,支持动态多协议操作。无线电调度程序视重要程度和时间敏感度为每个协议中的不同无线电操作分配默认优先级,以便在无线电使用发生冲突时进行决策。在动态多协议设计时可利用两种协议特性的不同。在蓝牙低功耗的任务中无线电使用计划非常严格且可以预测,广播和连接都在预定时间内进行。相比之下,ZigBee任务在处理消息事件的时间方面更加灵活,ZigBee中的CSMA-CA具有随机躲避机制,可将ZigBee事件延迟数毫秒。蓝牙信标的数据包非常短,不超过30个字节,发送时仅占用大约1ms时间的无线电。信标之间的时间间隔通常不短于100ms,所以蓝牙在无线电使用中仅有约1%的占空比,这意味着可以在其他99%的时间将无线电用于主要的ZigBee网络。因此可以保证在正常使用蓝牙低功耗的同时,还能使用ZigBee可靠地发送和接收数据。

图 3-11 动态多协议软件架构图

(2)软件架构:如图3-11所示,在动态多协议系统中每个堆栈使用Micrium OS内核运行单独的RTOS任务以提供任务切换,任务等同于其他操作系统中的线程。这些任务使用消息队列和信号量等进程间通信(IPC)机制来协调互相通信,实现数据共享。

2.2动态多协议无线电调度

由于两种不同协议不能依靠单个无线电收发器同时发送和接收数据,为了实现双协议,两个协议只能共享使用无线电收发器。为了不对任一协议的功能造成影响,它们必须能够在不显著降低性能或丢失数据的情况下间断地停止使用无线电。在不同情况下,两种协议中的不同无线电操作的重要程度或对时间敏感的程度不同,这就需要使用无线电调度对无线电使用进行规划。

无线电调度程序是一个软件程序,可以智能地响应堆栈请求以执行无线电操作,能最大限度地提高可靠性并减少延迟。在调度程序中每个事件都被分解为无线电操作,对应相应的无线电配置和优先级。如果调度程序接收到在时间上有冲突的更高优先级操作时,会中断当前操作并执行更高优先级操作,无法按照计划运行的较低优先级操作将失败,之后由堆栈进行重试。一旦调度程序开始执行无线电操作,堆栈就可以持续使用无线电直到操作结束或者调度程序接收到更高优先级的无线电操作。BLE无线电操作几乎总是比ZigBee无线电操作拥有更高的优先级。

每个堆栈可以请求无线电调度程序执行三种无线电操作:(1)后台接收:连续接收数据,除非被其他任务中断;(2)定时接收:在未来某个时间点以最短的时间接收数据;(3)定时发送:在未来某个时间点以最短的时间发送数据。

每种操作都有开始时间、预留时间、处理时间和优先级。其中,开始时间指示无线电操作将在何时进行,预留时间表示操作使用无线电且可以被堆栈接受的时间,处理时间表示完成操作所需的大概时间。发送操作通常具有明确的处理时间,而接收操作的处理时间通常是未知的,无线电调度程序通过处理时间确定是否允许该操作。

三、动态多协议技术优势

动态多协议技术通过时间复用来切换运行不同协议,共享无线电收发器的方式简化了系统设计并降低了物料成本。通过综合使用两种协议,动态多协议拥有了ZigBee和蓝牙的关键优势。

与ZigBee技术相比,动态多协议技术有如下优势:(1)支持直接的基于智能手机的配置和控制;(2)提供诊断功能,可通过智能手机检查设备的健康状况;(3)可通过蓝牙对固件进行高速OTA升级;(4)支持定位功能。

与蓝牙技术相比,动态多协议技术有如下优势:(1)在ZigBee端组网更加灵活、简单;(2)采用路由方式的ZigBee网状网络容量更大,而BLE Mesh采用大数据流的泛洪,网络负载更大且拓展性更差;(3)遵守规范的ZigBee设备互通性优秀,而蓝牙互通需要手动修改蓝牙连接的设置。

相对于传统的双芯片支持的双协议(例如ZigBee/蓝牙网关),动态多协议有如下优势:(1)通过共用射频模块将尺寸和物料成本降低了近四成并简化了无线子系统设计;(2)动态多协议采用分时复用降低了工作在同频段的蓝牙和ZigBee之间信号的干扰。综上可知动态多协议比起单种协议以及双芯片支持的双协议优势明显,不仅综合利用了蓝牙和ZigBee各自的强大之处,还能节省成本并增强可拓展性。因此,本文在控制中心处采用动态多协议技术,并将ZigBee技术作为系统节点间的主要通信方式。

本文讨论了 ZigBee/蓝牙动态多协议技术, 说明了其工作原理,并分析了动态多协议技术相对于单种协议和传统双芯片双协议的优势。

使用该技术的解决方案

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