無線傳感器節點中的BLE藍牙低功耗研究

摘 要： 針對無線傳感器節點傳輸能耗較大的問題，提出一種基于藍牙低功耗技術（BLE）的功耗優化方法。與單純的藍牙模塊應用相比，該方法更具應用的靈活性和更低的傳輸功耗。通過研究BLE協議棧結構、OSAL軟件架構及其休眠機制，深入探究了休眠機制對傳輸功耗的影響，并通過實驗分析，得出應用數據包長度、數據吞吐率與傳輸功耗之間的關系。根據此關系來編程BLE協議棧的連接參數，進一步優化不同應用場所下無線傳感器節點的傳輸功耗。實驗結果表明，該方法能夠有效地降低傳輸功耗，延長電池的使用壽命。

關鍵詞： 無線傳感器節點； 藍牙低功耗技術； BLE協議棧； OSAL； 休眠機制

中圖分類號： TN915?34； TN92；TP212.9 文獻標識碼： A 文章編號： 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

藍牙低功耗技術（Bluetooth Low Energy，BLE）是藍牙4.0規范中一種專門解決超低功耗下低速數據傳輸問題的藍牙技術。此技術最大的亮點是能夠使設備在超低功耗下運作和待機，藍牙低功耗設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主要有ZigBee、IEEE 802.15.4、紅外數據通信、近場通信（Near Field Communication，NFC）、ANT等短距離無線通信技術，它們各有特點。然而，與這些無線技術相比，藍牙BLE技術具有超低待機功耗、較低發射峰值電流、不大于3 ms延時時間和可互操作的魯棒性等特點[1]。隨著人們對無線傳感器設備的功耗要求愈加苛刻，BLE技術的出現恰好可滿足此要求。

近幾年，有關BLE藍牙低功耗技術的應用研究雖有不少[1?10]，但他們主要是對BLE整個協議層架構進行了探究和對BLE低功耗傳輸技術的應用設計，對于BLE的低功耗機理的深度研究較少。因此，深入研究無線傳感器節點中的BLE低功耗機理，對于優化無線傳感器節點的傳輸功耗是很有意義的。

1 總體框架

基于藍牙BLE技術的無線傳感器網絡的總體結構，主要分為主機和從機兩部分。一般主機作為數據的監控端，用于對傳感器節點數據的監測、分析和控制，如PC、智能手機、支持BLE技術的監控中心設備等，而從機則是無線傳感器網絡中的信號采集節點，它把采集的信號數據作初步處理并傳輸到主機監控中心。

1.1 拓撲結構

本文所述的無線傳感器網絡節點由傳感器模塊、數據處理電路、BLE無線傳輸模塊等構成。無線傳感器網絡節點與主機通信的框圖如圖1所示。

藍牙BLE無線傳感器網絡節點的基本組成如圖1的虛線框所示。本結構中的藍牙主控芯片是TI的CC2541，此芯片不僅支持藍牙4.0單模BLE協議，而且芯片內部集成了多通道的ADC和多種通信接口，可接不同類型的傳感器且可同時掛載多個傳感器模塊。

1.2 BLE低功耗協議棧結構

BLE協議棧由兩部分組成：控制器和主機。與傳統的藍牙標準類似，控制器與主機通常是獨立實現的[3]。藍牙協議棧常采用分層的結構。BLE協議棧分層結構圖如圖2所示。

2 系統結構

本文重點研究無線傳感器節點的低功耗，因此，在節點硬件的設計當中，元器件的選取和電路的設計都力求滿足低功耗的要求。

本設計采用TI的CC2541作為節點的主控MCU和無線傳輸模塊，它集成了工業標準的增強型8051內核、RF收發器、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 系統架構

在BLE協議棧和應用程序的具體實現當中，為了使協議棧各層及應用層能夠有條不紊的執行，TI提供了一個操作系統抽象層（Operating System Abstraction Layer，OSAL）操作系統，用以管理系統的動態內存分配、消息隊列、協議層及應用層的任務事件處理等。BLE協議棧、Profiles（配置文件）和所有的應用程序都建立在OSAL系統架構上。OSAL系統執行流程圖如圖3所示。

2.2 休眠機制

從OSAL的系統結構流程中可知，當BLE協議棧各層及應用層無立即要處理的任務事件時，系統便讓設備進入休眠，而當有事件要發生時，則立刻喚醒設備。與經典藍牙相比，BLE協議規范采用這種休眠機制替換了經典藍牙的空閑狀態，且藍牙發送數據的射頻時間[5]也由傳統的22.5 ms減少到0.6～1.2 ms，使得休眠的時長遠遠大于喚醒的時長，這樣大大降低了藍牙數據通信的平均功耗。

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

由表1可知，PM1模式的休眠時長短且功耗較大，所以，在BLE協議休眠機制中幾乎不會用到PM1模式。

CC2541的BLE休眠處理機制是通過一個休眠函數來實現的，該函數運用PM2和PM3休眠模式完成了低功耗機制的底層要求，函數的具體實現細節如圖4所示。

休眠函數中llTimeout和osal_timeout這兩個變量值非常重要，它們決定了PM2定時休眠的休眠時長。llTimeout是鏈路層（LL層）的RF控制器相關的定時事件間隔時間值，即藍牙RF模塊數據傳輸的時間間隔，而osal_timeout則是除LL層外其他層的定時事件的時間周期值。通過相關接口函數讀取這兩個值，再判斷是深度睡眠還是進入定時睡眠。BLE協議及應用都是通過建立定時事件來完成廣播數據的節拍、連接握手的間隔及數據傳輸的速率，因此，在BLE休眠機制中與睡眠定時器相關的PM2模式使用的頻率最高，而PM3深度休眠模式，大多應用于藍牙待機的場合。

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點設備進行供電并做功耗測試分析。如圖5所示是兩個實測波形圖，實測時設備的供電電壓為3.3 V，圖5（a）、圖5（b）分別是設備廣播狀態和連接狀態的電流波動圖。

從圖5可以看出，單個事件（Event）的工作時間非常短暫，設備大部分時間都處于PM2休眠狀態。而設備工作時的最大功耗又主要來自于藍牙RF射頻模塊的發射能耗，因此，RF控制器相關事件是主要研究的問題。RF控制器相關的事件主要是藍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點作為從機向周圍的主機傳送廣播數據包（包含設備地址、廣播類型、服務信息等數據）的鏈路層任務事件，它告知附近的主機此從機設備是一個可以連接的設備。

廣播事件通過三個專門的RF物理通道來傳送廣播數據包，這三個廣播通道的索引號分別為37，38，39。單個廣播事件會將廣播數據包由三個廣播通道分別發送一次[7]。從圖6中可看出有三個發射窗口（Tx），單個廣播事件大致分為四個部分：MCU喚醒、數據收發、數據處理和進入睡眠。雖然廣播發送數據時的電流高達23 mA，但是整個事件的工作時長只有將近4 ms，相對整個廣播間隔100 ms而言，其工作的平均電流只有499.4 μA。

從機與主機連接配對成功后，從機便由廣播狀態切換到連接狀態執行周期性的連接事件，連接事件采用其余的37個RF物理通道來傳送應用數據，這些通道被稱之為數據通道，其通道索引號[8]分別為0～36。圖7是單個連接事件的波形圖，它和圖6中的單個廣播事件類似，也分為MCU喚醒、數據收發、數據處理、進入睡眠等部分。圖8是數據通道傳送的一個數據包格式構成圖。BLE協議規定，一個數據包中的應用數據長度，最大為20 B。

根據BLE協議規范可知，應用數據的吞吐率等于單個數據包中應用數據長度與連接間隔的比值[9]。如圖9所示，實驗測得的數據吞吐率和理論值基本一致。

當單個數據包中的應用數據長度達到了協議允許的最大值20 B時，不同連接間隔的數據吞吐率也達到了最大。下面討論應用數據長度和連接間隔對設備功耗的影響。從圖10中的實驗數據可知，應用數據包的長度對設備平均電流的波動幾乎沒有影響，而當連接間隔發生變化時，設備的平均電流則有明顯的變化。造成此結果的原因在于發送1～20 B不同長度的數據包時單個連接事件的喚醒時長基本不變，當連接間隔發生變化時，休眠時長會有明顯的變化。

因此，在應用程序設計時，需盡量使應用數據包長度達到最大值20 B，且在滿足數據傳輸速率的同時，增大連接間隔，方能有效地降低功耗。

3.2 實例測試結果

在無線傳感器網絡的應用中，不同傳感器所需要的傳輸速率和數據長度參差不齊，特別是在無線傳感器節點采集多個參數數據時，難免會出現功耗的多余浪費。下面是心電信號、人體溫度、設備電池電量等多個傳感器組成的無線傳感器采集節點實例，根據前文研究的方法，計算出適合此應用的方案與一般的方案進行對比。

心電信號、人體溫度、電池電量的采樣率分別為500 SPS，1 SPS，0.05 SPS，它們的數據長度分別為2 B，1 B，1 B。考慮數據的實時性及功耗，它們的應用數據包長度應分別設置為20 B，1 B，1 B，下面是最佳方案與一般方案的對比。

3.2.1 由連續廣播換成限時廣播

連續廣播：從機節點在建立連接前，一直周期性地廣播數據（間隔為100 ms），其優點是主機隨時可連接到從機節點，缺點是在長期不使用且忘斷電的情況下會造成電量的浪費。

限時廣播：中速廣播（間隔為100 ms）30 s后切換成慢速廣播（1 s），30 s后智能進入深度休眠，此優點是可避免長期無使用時的電量浪費，缺點是主機要連接時需手動喚醒設備，且可連接狀態有時間限制。表2為兩種方式的對比。

雖然此方法在小于1 min的短時間內功耗不會降低多少，但是在長期未使用且忘記給設備斷電的狀況下可節省大量的能耗。

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（協議規定最大連接間隔為4 000 ms）。

不變連接間隔：為滿足所有參數數據的傳輸速率，連接間隔設置為20 ms。其優點是主機給從機傳送數據時也是20 ms的間隔，實時性好，缺點是在傳送不含心電信號數據的情況下，20 ms的間隔必然造成能量的浪費。可變連接間隔：根據BLE協議規定，可設置連接間隔和連接延遲，連接間隔設置為20 ms，連接延遲設為4個，則有效連接間隔為1 000 ms，即傳送不含心電信號數據的情況下，連接間隔變為1 000 ms。其優點是比不變連接間隔更省功耗，缺點是主機在給從機傳輸數據時的間隔是1 000 ms，實時性相對差些。但主機傳送的控制命令，其數據量不大，與控制命令的實時性相比，功耗性能更重要。兩個方案的對比情況如表3所示。

通過實際功耗的測量分析與計算，當設備采用CR2032（210 mA·h）紐扣電池供電時電池的使用壽命情況如圖12所示。雖然表3與圖12中的結果是根據單個傳感器傳輸數據時得到的，但是在多傳感器數據同步傳輸或異步傳輸時，可變連接間隔的平均功耗也要低于不可變連接間隔。

4 結 語

本文根據藍牙BLE協議原理，研究了BLE低功耗協議應用于無線傳感器網絡節點中的傳輸功耗。基于BLE協議棧的分層結構和OSAL系統架構的休眠機制，編寫了相應的應用層控制程序，并通過實驗測試數據的分析得出了連接間隔、數據吞吐率、數據長度對傳輸功耗的影響關系。利用這層關系估算出了最節能的方案，實驗測試表明，根據不同的無線傳感器網絡的傳輸需要，選出對應的最佳方案，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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