藍牙技術是物聯網網絡層的短距離無線通信技術之一,也是無線數據傳輸的一種國際標準。利用藍牙技術,可以在固定設備與固定設備之間、固定設備與移動設備之間、移動設備和移動設備之間建立一個短距離的數據傳輸網絡,以便于這些設備之間交互和共享數據資源。通過藍牙技術建立的通信網絡成本較低,通用性強,適用范圍廣,它既可以作為一種控制軟件的標準,又可以作為一種無線電空中接口;對于企業來說,它可以代替電纜、電線等傳統的連接方式,使企業的各種機械設備能在短距離范圍內利用無線電波進行連接,實現機械設備之間的數據共享、相互操作、相互控制等工作內容。在日常生產中,特別是電子設備之間都需要藍牙技術進行連接,一方面利用這種技術連接可節約生產成本,提高生產效率;另一方面也避免了利用傳輸線連接設備所帶來的安全隱患。
一個電子設備的藍牙系統通常包含四個單元,分別是天線、鏈路控制、鏈路管理以及軟件。這四個單元分別具有以下特點:
(1)天線單元
一般來說,設備的藍牙系統都是由集成芯片構成,因此,藍牙系統的天線單元也應適應電子芯片的大小,體積要小,質量要輕。這也表明藍牙的天線不能像電視機和雷達的天線那樣又大又笨重,它需要的是一種微帶天線。藍牙的空中接口需要遵循ISM頻段的標準,它的天線電平為OdBm。
除了要遵循FCC有關電平為0dBm的標準,藍牙系統還要求自身的無線發射功率遵循FCC相關ISM頻段的標準。利用擴頻技術,藍牙系統可擁有最高100MW的發射功率,這樣大的功率范圍可以滿足多種電子設備的無線傳輸要求。從系統跳頻上來看,1600/s的跳頻數是現代藍牙技術可達到的最大頻數。通常,藍牙系統所使用的ISM波段的UHF無線電波在2.4GHz~2.485GHz之間,而在2.402GHz~2.480GHz之間存在的1MHz的頻點數為79個。利用這種頻率范圍和頻點數量,藍牙系統可以實現在0.1m~10m之間的無線通信,這一范圍內的無線通信可以使工廠中大多數具備藍牙的機械設備都能與彼此進行良好的通信。如果有特殊的要求,只需要增加藍牙系統的發射頻率,便可擴大無線通信范圍,一般可擴大到近百米范圍。
(2)鏈路控制單元
藍牙系統的鏈路控制單元由調諧元件和集成器件構成。其中,諧調原件單獨存在,數量有3~5個。集成器件有三種,一種是射頻傳輸/接收器,主要用于接收或傳輸信號;一種是鏈路控制器,主要用于處理基帶協議(如基帶鏈路控制器);一種是基帶處理器,主要用于處理基帶信號。另外,藍牙系統還具有藍牙基帶協議,這種基帶協議包含兩種交換內容,分別是電路交換和分組交換。結合這兩種交換方式,可以利用時分雙工的方式,使機器設備在藍牙技術的協助下實現信息的全雙工傳輸。
(3)鏈路管理單元
鏈路管理簡稱LM,屬于一種軟件模塊。該軟件模塊包含了鑒權、協議、數據設置、鏈路硬件配置等多方面內容,其特點是,在一定范圍內,利用這種鏈路管理軟件模塊可以識別并配對其他的鏈路管理軟件模塊,還可以利用鏈路管理協議(LMP)在這兩種相同的軟件模塊之間實現通信。
(4)軟件功能單元
利用藍牙技術可以讓兩個機器設備通過相互連接來實現相互操作。這種設備之間的相互操作性可以體現在多種過程之中,比如從無線電兼容模塊到應用協議的過程需要利用這種相互操作性,從空中接口到對象交換格式的過程也需要利用這種相互操作性。但也有一些設備對設備間的相互操作性要求較低,比如頭戴式設備等。藍牙技術實現無線通信的目的,一般都離不開藍牙設備之間的相互操作。作為獨立的操作系統,藍牙的軟件系統需滿足所制定的藍牙規范和標準,不能與其他任何操作系統進行定向捆綁。
藍牙系統的基本結構決定了藍牙技術的工作原理,與計算機一樣,藍牙設備也需要借助芯片來完成自身的工作,這種專用芯片就是藍牙芯片。藍牙設備在與其他藍牙設備連接時,會首先發送一個配對信號,這個以無線電承載的信號一旦在規定的范圍內找到另一個藍牙設備,就會提示操作者是否進行藍牙配對。配對時,通常會有一個配對密碼,以保證配對信息的準確以及數據的安全,操作人員輸入正確的密碼之后便可實現數據傳輸和交換。快速的頻跳以及段分組技術可以提高藍牙傳輸信號對外界環境的抗干擾能力,減少信號的持續衰弱,這樣一來,通過藍牙傳輸的信號將更加可靠,不會出現丟失數據的情況。1MHz的傳輸速率可以保證藍牙通過時分方式進行全雙工通信,如果在遠距離傳輸過程中出現了隨機噪聲,為避免隨機噪聲的干擾,可以利用前向糾錯編碼技術予以排除。為降低藍牙設備的復雜性,通常都會采用頻率調制方式進行調制。在語音通信方面,為提高語音的質量,人們利用連續可變斜率編碼方式對語音信號進行處理,這種方式的抗衰弱能力較強,可以確保語音音質無損。作為一種全球通用的無限接口和無限通信方式,藍牙技術所采用的工作頻段屬于非授權頻段,適用于醫學檢測、科學研究以及工業生產等多種領域。藍牙技術廣泛的適用范圍,為實現物聯網短距離無限通信創造了有利條件。
基帶、射頻收發器以及協議堆棧是藍牙技術的三大核心系統,這三大系統可以相互協調,共同作用,支持多種類型的數據傳輸和設備連接方式,既可以完成點對點的信息傳輸,又可以完成點對多點的信息傳輸。藍牙系統的拓撲網絡結構有兩種方式,分別是分布式網絡(Scatternet)和微微網(Piconet)。微微網是分布式網絡的子單元,多個非同步的獨立的微微網可以組成一個分布式網絡。一般來說,一個微微網中存在多個用戶,每個微微網對應一個調頻順序,分布式網絡可利用調頻順序來識別不同的微微網。由10個微微網組成的分布式網絡,其全雙工數據速率可達到6Mbps。作為一種微型網絡,微微網依靠藍牙技術相互連接,可以是一對一方式的連接,也可以是多對多方式的連接,并且這些連接的設備具有相同的級別和權限。微微網中的藍牙設備具有主設備和從設備的區別,而這是在微微網建立之初就已經決定的。