無線傳感器節(jié)點(diǎn)中的BLE藍(lán)牙低功耗研究

摘 要： 針對無線傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸能耗較大的問題，提出一種基于藍(lán)牙低功耗技術(shù)（BLE）的功耗優(yōu)化方法。與單純的藍(lán)牙模塊應(yīng)用相比，該方法更具應(yīng)用的靈活性和更低的傳輸功耗。通過研究BLE協(xié)議棧結(jié)構(gòu)、OSAL軟件架構(gòu)及其休眠機(jī)制，深入探究了休眠機(jī)制對傳輸功耗的影響，并通過實(shí)驗(yàn)分析，得出應(yīng)用數(shù)據(jù)包長度、數(shù)據(jù)吞吐率與傳輸功耗之間的關(guān)系。根據(jù)此關(guān)系來編程BLE協(xié)議棧的連接參數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化不同應(yīng)用場所下無線傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸功耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠有效地降低傳輸功耗，延長電池的使用壽命。

關(guān)鍵詞： 無線傳感器節(jié)點(diǎn)； 藍(lán)牙低功耗技術(shù)； BLE協(xié)議棧； OSAL； 休眠機(jī)制

中圖分類號(hào)： TN915?34； TN92；TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）20?0067?05

Abstract： Aiming at the problems of large energy consumption of the transmission in wireless sensor nodes， a power consumption optimization method based on bluetooth low energy （BLE） is proposed. Compared with the application of bluetooth module， this method is more flexible in application and less power consumption in transmission. The relationship among the packet length， data throughput and transmission power consumption were got by studying the structure of BLE protocol stack， architecture of OSAL software， sleeping mechanism， effect of sleeping mechanism on transmission power and experiment analysis. Based on this relationship， the connection parameters of BLE protocol stack were programmed， and the output power consumption of wireless sensor nodes in different application occasion was optimized further more. The experimental results show that this method can effectively save the transmission power consumption and prolong the life of batteries.

Keywords： wireless sensor node； bluetooth low energy； BLE protocol stack； OSAL； sleeping mechanism

0 引 言

藍(lán)牙低功耗技術(shù)（Bluetooth Low Energy，BLE）是藍(lán)牙4.0規(guī)范中一種專門解決超低功耗下低速數(shù)據(jù)傳輸問題的藍(lán)牙技術(shù)。此技術(shù)最大的亮點(diǎn)是能夠使設(shè)備在超低功耗下運(yùn)作和待機(jī)，藍(lán)牙低功耗設(shè)備使用一粒紐扣電池便可工作一年之久。目前市場上存在的低功耗無線技術(shù)主要有ZigBee、IEEE 802.15.4、紅外數(shù)據(jù)通信、近場通信（Near Field Communication，NFC）、ANT等短距離無線通信技術(shù)，它們各有特點(diǎn)。然而，與這些無線技術(shù)相比，藍(lán)牙BLE技術(shù)具有超低待機(jī)功耗、較低發(fā)射峰值電流、不大于3 ms延時(shí)時(shí)間和可互操作的魯棒性等特點(diǎn)[1]。隨著人們對無線傳感器設(shè)備的功耗要求愈加苛刻，BLE技術(shù)的出現(xiàn)恰好可滿足此要求。

近幾年，有關(guān)BLE藍(lán)牙低功耗技術(shù)的應(yīng)用研究雖有不少[1?10]，但他們主要是對BLE整個(gè)協(xié)議層架構(gòu)進(jìn)行了探究和對BLE低功耗傳輸技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)，對于BLE的低功耗機(jī)理的深度研究較少。因此，深入研究無線傳感器節(jié)點(diǎn)中的BLE低功耗機(jī)理，對于優(yōu)化無線傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸功耗是很有意義的。

1 總體框架

基于藍(lán)牙BLE技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的總體結(jié)構(gòu)，主要分為主機(jī)和從機(jī)兩部分。一般主機(jī)作為數(shù)據(jù)的監(jiān)控端，用于對傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測、分析和控制，如PC、智能手機(jī)、支持BLE技術(shù)的監(jiān)控中心設(shè)備等，而從機(jī)則是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)，它把采集的信號(hào)數(shù)據(jù)作初步處理并傳輸?shù)街鳈C(jī)監(jiān)控中心。

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理電路、BLE無線傳輸模塊等構(gòu)成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與主機(jī)通信的框圖如圖1所示。

藍(lán)牙BLE無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本組成如圖1的虛線框所示。本結(jié)構(gòu)中的藍(lán)牙主控芯片是TI的CC2541，此芯片不僅支持藍(lán)牙4.0單模BLE協(xié)議，而且芯片內(nèi)部集成了多通道的ADC和多種通信接口，可接不同類型的傳感器且可同時(shí)掛載多個(gè)傳感器模塊。

1.2 BLE低功耗協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

BLE協(xié)議棧由兩部分組成：控制器和主機(jī)。與傳統(tǒng)的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)類似，控制器與主機(jī)通常是獨(dú)立實(shí)現(xiàn)的[3]。藍(lán)牙協(xié)議棧常采用分層的結(jié)構(gòu)。BLE協(xié)議棧分層結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文重點(diǎn)研究無線傳感器節(jié)點(diǎn)的低功耗，因此，在節(jié)點(diǎn)硬件的設(shè)計(jì)當(dāng)中，元器件的選取和電路的設(shè)計(jì)都力求滿足低功耗的要求。

本設(shè)計(jì)采用TI的CC2541作為節(jié)點(diǎn)的主控MCU和無線傳輸模塊，它集成了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051內(nèi)核、RF收發(fā)器、8 KB RAM和256 KB FLASH[3]，且具有超低的休眠功耗及非常小的尺寸封裝。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

在BLE協(xié)議棧和應(yīng)用程序的具體實(shí)現(xiàn)當(dāng)中，為了使協(xié)議棧各層及應(yīng)用層能夠有條不紊的執(zhí)行，TI提供了一個(gè)操作系統(tǒng)抽象層（Operating System Abstraction Layer，OSAL）操作系統(tǒng)，用以管理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配、消息隊(duì)列、協(xié)議層及應(yīng)用層的任務(wù)事件處理等。BLE協(xié)議棧、Profiles（配置文件）和所有的應(yīng)用程序都建立在OSAL系統(tǒng)架構(gòu)上。OSAL系統(tǒng)執(zhí)行流程圖如圖3所示。

2.2 休眠機(jī)制

從OSAL的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程中可知，當(dāng)BLE協(xié)議棧各層及應(yīng)用層無立即要處理的任務(wù)事件時(shí)，系統(tǒng)便讓設(shè)備進(jìn)入休眠，而當(dāng)有事件要發(fā)生時(shí)，則立刻喚醒設(shè)備。與經(jīng)典藍(lán)牙相比，BLE協(xié)議規(guī)范采用這種休眠機(jī)制替換了經(jīng)典藍(lán)牙的空閑狀態(tài)，且藍(lán)牙發(fā)送數(shù)據(jù)的射頻時(shí)間[5]也由傳統(tǒng)的22.5 ms減少到0.6～1.2 ms，使得休眠的時(shí)長遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于喚醒的時(shí)長，這樣大大降低了藍(lán)牙數(shù)據(jù)通信的平均功耗。

CC2541有5種電源工作模式[6]，表1描述了這5種電源模式，其中與休眠有關(guān)的是PM1，PM2和PM3模式。

由表1可知，PM1模式的休眠時(shí)長短且功耗較大，所以，在BLE協(xié)議休眠機(jī)制中幾乎不會(huì)用到PM1模式。

CC2541的BLE休眠處理機(jī)制是通過一個(gè)休眠函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，該函數(shù)運(yùn)用PM2和PM3休眠模式完成了低功耗機(jī)制的底層要求，函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)如圖4所示。

休眠函數(shù)中l(wèi)lTimeout和osal_timeout這兩個(gè)變量值非常重要，它們決定了PM2定時(shí)休眠的休眠時(shí)長。llTimeout是鏈路層（LL層）的RF控制器相關(guān)的定時(shí)事件間隔時(shí)間值，即藍(lán)牙RF模塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間間隔，而osal_timeout則是除LL層外其他層的定時(shí)事件的時(shí)間周期值。通過相關(guān)接口函數(shù)讀取這兩個(gè)值，再判斷是深度睡眠還是進(jìn)入定時(shí)睡眠。BLE協(xié)議及應(yīng)用都是通過建立定時(shí)事件來完成廣播數(shù)據(jù)的節(jié)拍、連接握手的間隔及數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩虼?，在BLE休眠機(jī)制中與睡眠定時(shí)器相關(guān)的PM2模式使用的頻率最高，而PM3深度休眠模式，大多應(yīng)用于藍(lán)牙待機(jī)的場合。

3 功耗分析

本文通過安捷倫的直流電源分析儀對無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行供電并做功耗測試分析。如圖5所示是兩個(gè)實(shí)測波形圖，實(shí)測時(shí)設(shè)備的供電電壓為3.3 V，圖5（a）、圖5（b）分別是設(shè)備廣播狀態(tài)和連接狀態(tài)的電流波動(dòng)圖。

從圖5可以看出，單個(gè)事件（Event）的工作時(shí)間非常短暫，設(shè)備大部分時(shí)間都處于PM2休眠狀態(tài)。而設(shè)備工作時(shí)的最大功耗又主要來自于藍(lán)牙RF射頻模塊的發(fā)射能耗，因此，RF控制器相關(guān)事件是主要研究的問題。RF控制器相關(guān)的事件主要是藍(lán)牙配對前的廣播事件和配對后的連接握手事件。下面主要從這兩個(gè)部分來深入研究功耗問題。

3.1 廣播事件和連接事件功耗

廣播事件是無線傳感器節(jié)點(diǎn)作為從機(jī)向周圍的主機(jī)傳送廣播數(shù)據(jù)包（包含設(shè)備地址、廣播類型、服務(wù)信息等數(shù)據(jù)）的鏈路層任務(wù)事件，它告知附近的主機(jī)此從機(jī)設(shè)備是一個(gè)可以連接的設(shè)備。

廣播事件通過三個(gè)專門的RF物理通道來傳送廣播數(shù)據(jù)包，這三個(gè)廣播通道的索引號(hào)分別為37，38，39。單個(gè)廣播事件會(huì)將廣播數(shù)據(jù)包由三個(gè)廣播通道分別發(fā)送一次[7]。從圖6中可看出有三個(gè)發(fā)射窗口（Tx），單個(gè)廣播事件大致分為四個(gè)部分：MCU喚醒、數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)處理和進(jìn)入睡眠。雖然廣播發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的電流高達(dá)23 mA，但是整個(gè)事件的工作時(shí)長只有將近4 ms，相對整個(gè)廣播間隔100 ms而言，其工作的平均電流只有499.4 μA。

從機(jī)與主機(jī)連接配對成功后，從機(jī)便由廣播狀態(tài)切換到連接狀態(tài)執(zhí)行周期性的連接事件，連接事件采用其余的37個(gè)RF物理通道來傳送應(yīng)用數(shù)據(jù)，這些通道被稱之為數(shù)據(jù)通道，其通道索引號(hào)[8]分別為0～36。圖7是單個(gè)連接事件的波形圖，它和圖6中的單個(gè)廣播事件類似，也分為MCU喚醒、數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)處理、進(jìn)入睡眠等部分。圖8是數(shù)據(jù)通道傳送的一個(gè)數(shù)據(jù)包格式構(gòu)成圖。BLE協(xié)議規(guī)定，一個(gè)數(shù)據(jù)包中的應(yīng)用數(shù)據(jù)長度，最大為20 B。

根據(jù)BLE協(xié)議規(guī)范可知，應(yīng)用數(shù)據(jù)的吞吐率等于單個(gè)數(shù)據(jù)包中應(yīng)用數(shù)據(jù)長度與連接間隔的比值[9]。如圖9所示，實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)吞吐率和理論值基本一致。

當(dāng)單個(gè)數(shù)據(jù)包中的應(yīng)用數(shù)據(jù)長度達(dá)到了協(xié)議允許的最大值20 B時(shí)，不同連接間隔的數(shù)據(jù)吞吐率也達(dá)到了最大。下面討論應(yīng)用數(shù)據(jù)長度和連接間隔對設(shè)備功耗的影響。從圖10中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，應(yīng)用數(shù)據(jù)包的長度對設(shè)備平均電流的波動(dòng)幾乎沒有影響，而當(dāng)連接間隔發(fā)生變化時(shí)，設(shè)備的平均電流則有明顯的變化。造成此結(jié)果的原因在于發(fā)送1～20 B不同長度的數(shù)據(jù)包時(shí)單個(gè)連接事件的喚醒時(shí)長基本不變，當(dāng)連接間隔發(fā)生變化時(shí)，休眠時(shí)長會(huì)有明顯的變化。

因此，在應(yīng)用程序設(shè)計(jì)時(shí)，需盡量使應(yīng)用數(shù)據(jù)包長度達(dá)到最大值20 B，且在滿足數(shù)據(jù)傳輸速率的同時(shí)，增大連接間隔，方能有效地降低功耗。

3.2 實(shí)例測試結(jié)果

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，不同傳感器所需要的傳輸速率和數(shù)據(jù)長度參差不齊，特別是在無線傳感器節(jié)點(diǎn)采集多個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)時(shí)，難免會(huì)出現(xiàn)功耗的多余浪費(fèi)。下面是心電信號(hào)、人體溫度、設(shè)備電池電量等多個(gè)傳感器組成的無線傳感器采集節(jié)點(diǎn)實(shí)例，根據(jù)前文研究的方法，計(jì)算出適合此應(yīng)用的方案與一般的方案進(jìn)行對比。

心電信號(hào)、人體溫度、電池電量的采樣率分別為500 SPS，1 SPS，0.05 SPS，它們的數(shù)據(jù)長度分別為2 B，1 B，1 B?？紤]數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性及功耗，它們的應(yīng)用數(shù)據(jù)包長度應(yīng)分別設(shè)置為20 B，1 B，1 B，下面是最佳方案與一般方案的對比。

3.2.1 由連續(xù)廣播換成限時(shí)廣播

連續(xù)廣播：從機(jī)節(jié)點(diǎn)在建立連接前，一直周期性地廣播數(shù)據(jù)（間隔為100 ms），其優(yōu)點(diǎn)是主機(jī)隨時(shí)可連接到從機(jī)節(jié)點(diǎn)，缺點(diǎn)是在長期不使用且忘斷電的情況下會(huì)造成電量的浪費(fèi)。

限時(shí)廣播：中速廣播（間隔為100 ms）30 s后切換成慢速廣播（1 s），30 s后智能進(jìn)入深度休眠，此優(yōu)點(diǎn)是可避免長期無使用時(shí)的電量浪費(fèi)，缺點(diǎn)是主機(jī)要連接時(shí)需手動(dòng)喚醒設(shè)備，且可連接狀態(tài)有時(shí)間限制。表2為兩種方式的對比。

雖然此方法在小于1 min的短時(shí)間內(nèi)功耗不會(huì)降低多少，但是在長期未使用且忘記給設(shè)備斷電的狀況下可節(jié)省大量的能耗。

3.2.2 由不變連接間隔改成可變連接間隔

由式（1）可算出心電信號(hào)的連接間隔為20 ms，人體溫度連接間隔為1 000 ms，電池電量連接間隔為20 000 ms（協(xié)議規(guī)定最大連接間隔為4 000 ms）。

不變連接間隔：為滿足所有參數(shù)數(shù)據(jù)的傳輸速率，連接間隔設(shè)置為20 ms。其優(yōu)點(diǎn)是主機(jī)給從機(jī)傳送數(shù)據(jù)時(shí)也是20 ms的間隔，實(shí)時(shí)性好，缺點(diǎn)是在傳送不含心電信號(hào)數(shù)據(jù)的情況下，20 ms的間隔必然造成能量的浪費(fèi)。可變連接間隔：根據(jù)BLE協(xié)議規(guī)定，可設(shè)置連接間隔和連接延遲，連接間隔設(shè)置為20 ms，連接延遲設(shè)為4個(gè)，則有效連接間隔為1 000 ms，即傳送不含心電信號(hào)數(shù)據(jù)的情況下，連接間隔變?yōu)? 000 ms。其優(yōu)點(diǎn)是比不變連接間隔更省功耗，缺點(diǎn)是主機(jī)在給從機(jī)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的間隔是1 000 ms，實(shí)時(shí)性相對差些。但主機(jī)傳送的控制命令，其數(shù)據(jù)量不大，與控制命令的實(shí)時(shí)性相比，功耗性能更重要。兩個(gè)方案的對比情況如表3所示。

通過實(shí)際功耗的測量分析與計(jì)算，當(dāng)設(shè)備采用CR2032（210 mA·h）紐扣電池供電時(shí)電池的使用壽命情況如圖12所示。雖然表3與圖12中的結(jié)果是根據(jù)單個(gè)傳感器傳輸數(shù)據(jù)時(shí)得到的，但是在多傳感器數(shù)據(jù)同步傳輸或異步傳輸時(shí)，可變連接間隔的平均功耗也要低于不可變連接間隔。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)藍(lán)牙BLE協(xié)議原理，研究了BLE低功耗協(xié)議應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的傳輸功耗?；贐LE協(xié)議棧的分層結(jié)構(gòu)和OSAL系統(tǒng)架構(gòu)的休眠機(jī)制，編寫了相應(yīng)的應(yīng)用層控制程序，并通過實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)的分析得出了連接間隔、數(shù)據(jù)吞吐率、數(shù)據(jù)長度對傳輸功耗的影響關(guān)系。利用這層關(guān)系估算出了最節(jié)能的方案，實(shí)驗(yàn)測試表明，根據(jù)不同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸需要，選出對應(yīng)的最佳方案，的確可有效地降低功耗，增長供電電池的使用壽命。

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