低能耗藍(lán)牙被業(yè)界廣泛認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用愿景的關(guān)鍵技術(shù)。事實(shí)上，極低的功耗使其成為電池供電的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品最理想的無(wú)線通信解決方案，盡管目前低能耗藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范還是局限于幾種特定應(yīng)用，但是，創(chuàng)新的解決方案可促使這項(xiàng)技術(shù)拓展到不同的應(yīng)用領(lǐng)域，例如，多媒體流。按照這個(gè)發(fā)展方向，本文介紹一個(gè)叫做 BlueVoice的低能耗藍(lán)牙設(shè)備語(yǔ)音流應(yīng)用。

　　本文從支持語(yǔ)音流服務(wù)所需的擴(kuò)展服務(wù)集開(kāi)始介紹BlueVoice應(yīng)用，然后在實(shí)際硬件設(shè)備上評(píng)估BlueVoice的性能。在所選的硬件平臺(tái)上，BlueVoice應(yīng)用完全支持語(yǔ)音流服務(wù)，同時(shí)避免能源浪費(fèi)。

　　I. 前言

　　經(jīng)歷過(guò)去幾十年的快速增長(zhǎng)，互聯(lián)網(wǎng)幾乎滲透到人類社會(huì)日常生活的方方面面。未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)將擴(kuò)展到萬(wàn)物互聯(lián)，數(shù)十億甚至數(shù)百億個(gè)有唯一身份的“物品”通過(guò)無(wú)線通信與人類和周?chē)h(huán)境交互，執(zhí)行高級(jí)任務(wù)。在這一構(gòu)想中，“物品”可能是傳感器、致動(dòng)器、家電、玩具，總之，可以是任何能夠被識(shí)別的虛擬或?qū)嶓w物品，這種互聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)構(gòu)想被稱為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）。

　　物聯(lián)網(wǎng)概念是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議解決方案（即互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）和無(wú)線通信接口，把所有產(chǎn)品設(shè)備連接在一起，組成一個(gè)全球網(wǎng)絡(luò)。實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)，雖然可以使用現(xiàn)有的大量的射頻通信技術(shù)，但是當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品是部署在現(xiàn)場(chǎng)的自主型電池供電裝置時(shí)，低功耗無(wú)線通信技術(shù)才會(huì)是最適合的通信解決方案。在這個(gè)方面，低能耗藍(lán)牙 （Bluetooth LE） ［1］技術(shù)被視為最有效的物聯(lián)網(wǎng)通信解決方案，同時(shí)正在融入互聯(lián)網(wǎng)世界［2］。

　　在今天的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，低能耗藍(lán)牙解決方案主要用于生命參數(shù)監(jiān)視用途。除傳統(tǒng)的監(jiān)視服務(wù)外，近幾年業(yè)界開(kāi)始探索基于其它技術(shù)的先進(jìn)應(yīng)用。例如，參考文獻(xiàn)［3］提出并分析了基于IEEE802.15.4的網(wǎng)絡(luò)［4］語(yǔ)音通信。在這個(gè)方面，通過(guò)低能耗藍(lán)牙傳輸多媒體數(shù)據(jù)還是處于起步階段，缺少可用的解決方案主要是因?yàn)樽畛踉O(shè)想時(shí)未考慮到這些應(yīng)用（例如，最初主要考慮的是醫(yī)療、健身等應(yīng)用）。本文以在低能耗藍(lán)牙設(shè)備上支持語(yǔ)音流服務(wù)的BlueVoice應(yīng)用為例，探討如何解決這些技術(shù)限制問(wèn)題。我們先了解一下低能耗藍(lán)牙技術(shù)，然后詳細(xì)介紹支持該新應(yīng)用概念所需的擴(kuò)展服務(wù)集，再介紹應(yīng)用設(shè)計(jì)，最后在STM32 Nucleo L476板上測(cè)試實(shí)際性能。

　　本文的有要內(nèi)容安排如下：第二章介紹低能耗藍(lán)牙工作原理，先描述整個(gè)工作棧;然后介紹配置文件（Profiles）概念。第三章介紹應(yīng)用方案設(shè)計(jì)，描述其低能耗藍(lán)牙配置文件，然后介紹其設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及實(shí)際性能。第四章是結(jié)論。

　　M. Gentili and R. Sannino are with AST Audio/Sensors Platforms R&D and Audio SW Ecosystem， STMicroelectronics， Agrate Brianza， Italy （e-mail： ［maurizio.gentilijroberto.sannino］@st.com）。

　　M. Petracca is with Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa and National Inter-University Consortium for Telecommunications， Pisa， Italy （e-mail:matteo.petracca@sssup.it） 。

　　II. 低能耗藍(lán)牙技術(shù)概述

　　BLE低能耗藍(lán)牙規(guī)范于2010年寫(xiě)入藍(lán)牙4.0核心規(guī)范，盡管與基本藍(lán)牙相似，但是低能耗藍(lán)牙規(guī)范主要是為超低功耗應(yīng)用設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。通過(guò)低能耗藍(lán)牙技術(shù)連接電池供電設(shè)備的潛在應(yīng)用非常少，醫(yī)療、健身和智慧家居是其中僅有的幾例。

　　圖1. 低能耗藍(lán)牙協(xié)議棧

　　如圖1所示，低能耗藍(lán)牙協(xié)議?？傮w結(jié)構(gòu)主要由兩個(gè)部分組成：控制器和主機(jī)。應(yīng)用軟件使用協(xié)議棧主機(jī)層的協(xié)議提供的服務(wù)。主機(jī)層分為五層：邏輯鏈路控制和適配協(xié)議（L2CAP）、屬性協(xié)議（ATT）、通用屬性配置文件（GATT）、安全管理協(xié)議（SM）、通用訪問(wèn)配置文件（GAP）。控制器部分只有兩層：物理層（PHY）和鏈路層（LL）。如圖1所示，主機(jī)-控制器（HCI）接口是控制器與主機(jī)的通信通道。

　　物理層負(fù)責(zé)比特調(diào)制，通過(guò)無(wú)線通道收發(fā)數(shù)據(jù)。最高數(shù)據(jù)速率是1 Mb/s，典型通信距離是幾十米。

　　鏈路層規(guī)定兩個(gè)設(shè)備之間雙向通信的功能。低能耗藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)角色：主設(shè)備和從設(shè)備。通常是主設(shè)備（例如，筆記本電腦、智能手機(jī)）搜索從設(shè)備（例如，體感設(shè)備）;必要時(shí)，從設(shè)備向主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。從設(shè)備通常處于睡眠狀態(tài)，并在固定間隔內(nèi)喚醒，以便被主設(shè)備搜到。

　　在鏈路層之上，邏輯鏈路控制和適配協(xié)議（L2CAP）有兩個(gè)主要功能。該協(xié)議的主要作用是提供多路傳輸功能，按照標(biāo)準(zhǔn)低能耗藍(lán)牙分組數(shù)據(jù)格式，封裝轉(zhuǎn)換頂層多協(xié)議數(shù)據(jù)。安全管理協(xié)議（SM）和通用訪問(wèn)配置文件（GAP）分別提供數(shù)據(jù)安全和服務(wù)管理功能。詳細(xì)的說(shuō)，安全管理協(xié)議定義密鑰的生成方式，以及如何在兩個(gè)設(shè)備（主從設(shè)備）之間交換密鑰，建立安全加密通信通道，而通用訪問(wèn)配置文件則規(guī)定兩個(gè)設(shè)備如何在底層交互操作

　　屬性協(xié)議（ATT）和通用屬性配置文件是開(kāi)發(fā)新應(yīng)用時(shí)需要重點(diǎn)考慮的兩個(gè)協(xié)議組件。屬性協(xié)議是一個(gè)無(wú)狀態(tài)的客戶機(jī)/服務(wù)器協(xié)議：不考慮設(shè)備的底層角色是主設(shè)備還是從設(shè)備，每個(gè)設(shè)備都可以設(shè)為服務(wù)器、客戶機(jī)或是客戶機(jī)兼服務(wù)器?？蛻魴C(jī)請(qǐng)求服務(wù)器數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)，服務(wù)器向客戶機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以屬性的形式保存在服務(wù)器內(nèi)，每個(gè)屬性都含有GATT管理的數(shù)據(jù)，而且該數(shù)據(jù)被分配一個(gè)通用唯一標(biāo)識(shí)符（UUID）。通過(guò)一個(gè)L2CAP專用通道，屬性協(xié)議在服務(wù)器屬性與客戶機(jī)之間建立一條通信通道。通用屬性配置文件（GATT）在屬性協(xié)議層添加一個(gè)數(shù)據(jù)抽象模型，負(fù)責(zé)搜索屬性協(xié)議保存的數(shù)據(jù)，在兩個(gè)設(shè)備之間交換特征。每個(gè)低能耗藍(lán)牙設(shè)備都有一套可能屬性（存儲(chǔ)服務(wù)）和特征（與存儲(chǔ)服務(wù)相關(guān)的屬性）。如果在低能耗藍(lán)牙棧上建立一個(gè)新應(yīng)用，則必須定義屬性和特征。某一特定應(yīng)用的特征、屬性和底層規(guī)范合稱配置文件，標(biāo)準(zhǔn)配置文件可保證不同品牌的產(chǎn)品能夠互聯(lián)互通。