什么是低功耗？

我們先來界定一下何為低功耗：

平均工作電流 uA 級
峰值電流不超過 15mA
采用紐扣電池供電响谓，電池壽命可達(dá)數(shù)年

在很多低功耗應(yīng)用場景中损合，是采用紐扣電池(CoinCell)來供電的，采用紐扣電池來供電是低功耗藍(lán)牙設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)娘纷，而紐扣電池的使用通常有較為嚴(yán)苛的限制條件嫁审。

典型的 CR2032 紐扣電池的容量通常為 210 mAh~230 mAh，依據(jù)品牌等有所差異赖晶，在使用中需要注意的是律适，其可用能量并不能完全的轉(zhuǎn)化，還受到溫度的影響遏插。通常情況下捂贿，在零度時(shí)僅能提供室溫下能量的約 80%。此外電池自身的自放電特性也需要予以考慮涩堤，常溫下儲存眷蜓，每年容量損失小于 2%分瘾。這些因素在計(jì)算工作時(shí)間時(shí)需要予以考慮胎围。

CR2032 紐扣電池可提供的最大峰值一般不超過 15mA，因此衡量產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否滿足低功耗的要求通常以峰值電流不超過 15mA 作為標(biāo)準(zhǔn)德召。

低功耗藍(lán)牙如何實(shí)現(xiàn)低功耗白魂？

和傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)相比，低功耗藍(lán)牙技術(shù)功耗方面的降低主要得益于以下幾個(gè)方面的改變：

1. 待機(jī)功耗的減少

傳統(tǒng)藍(lán)牙設(shè)備的待機(jī)耗電量大一直是為人所詬病的缺陷之一上岗，這與傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)采用 16～32 個(gè)頻道進(jìn)行廣播不無關(guān)系福荸，而低功耗藍(lán)牙僅使用 3 個(gè)廣播通道，且每次廣播時(shí)射頻的開啟時(shí)間也由 22.5 ms 減少到 0.6～1.2 ms肴掷，這兩個(gè)規(guī)范上的改變顯然大大降低了廣播數(shù)據(jù)導(dǎo)致的功耗敬锐。

此外低功耗藍(lán)牙設(shè)計(jì)了用深度睡眠狀態(tài)來替換傳統(tǒng)藍(lán)牙的空閑狀態(tài)背传，因此這樣的設(shè)計(jì)也節(jié)省了最多的能源。

在深度睡眠狀態(tài)下台夺，協(xié)議也針對此通訊模式進(jìn)行了優(yōu)化径玖，數(shù)據(jù)發(fā)送間隔時(shí)間也增加到 0.5～4 s，傳感器類應(yīng)用程序發(fā)送的數(shù)據(jù)量較平常要少很多颤介，而且所有連接均采用先進(jìn)的嗅探性 (Sniff-Subrating)功能模式梳星，因此此時(shí)的射頻能耗幾乎可以忽略不計(jì)，綜合以上因素滚朵，低功耗藍(lán)牙的待機(jī)功耗較傳統(tǒng)藍(lán)牙大大減少冤灾。

2. 快速連接的實(shí)現(xiàn)

低功耗藍(lán)牙的機(jī)制和理念在于連接是瞬態(tài)實(shí)現(xiàn)的，需要發(fā)送命令或傳送狀態(tài)時(shí)辕近，可以極快的建立連接韵吨，完成后迅速斷開連接。

通過連接機(jī)制的改善移宅，低功耗藍(lán)牙下的設(shè)備連接建立過程已可控制在 3 ms 內(nèi)完成学赛，幾乎瞬間即可完成，并以數(shù)毫秒的傳輸速度完成經(jīng)認(rèn)可的數(shù)據(jù)傳遞后并立即關(guān)閉連結(jié)吞杭。而傳統(tǒng)藍(lán)牙協(xié)議下盏浇，即使只是建立鏈路層連接都需要花費(fèi)100 ms，建立 L2CAP (邏輯鏈路控制與適應(yīng)協(xié)議)層的連接建立時(shí)間則更長芽狗，通常需要幾秒鐘的時(shí)間绢掰。

快速連接對于許多低功耗設(shè)備而言是一個(gè)極大的福音，可以顯著大幅度降低功耗童擎，并大大降低低功耗產(chǎn)品開發(fā)的門檻滴劲。甚至于在一些特定的應(yīng)用場景，可以無需電池供電顾复，而采用能量回收的方式提供能量班挖。（能量回收是近年來出現(xiàn)的為低功耗設(shè)備提供供電的方式，包括光能芯砸，機(jī)械能萧芙，以及溫差等）。

按照傳統(tǒng)藍(lán)牙協(xié)議規(guī)范假丧，若某一藍(lán)牙設(shè)備正在進(jìn)行廣播双揪，則它不會(huì)響應(yīng)當(dāng)前正在進(jìn)行的設(shè)備掃描。低功耗藍(lán)牙協(xié)議規(guī)范允許正在進(jìn)行廣播的設(shè)備連接到正在掃描的設(shè)備上包帚，這就有效避免了重復(fù)掃描渔期。

3.峰值功耗的降低

射頻物理層進(jìn)行了低功耗設(shè)計(jì)優(yōu)化，使得在發(fā)射和接收時(shí)的峰值電流與經(jīng)典藍(lán)牙相比，大為降低疯趟。

以下是 Nordic semiconductor 的 nRF52 系列在 DC/DC 模式下的功耗參數(shù)

調(diào)制方式傳統(tǒng)藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙都使用高斯頻移鍵控（GFSK ）調(diào)制拘哨。但是低功耗藍(lán)牙使用的調(diào)制系數(shù)為 0.5 （接近高斯最小頻移鍵控 GMSK 方案），而傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)的調(diào)制系數(shù)為 0.35 信峻。這種調(diào)制方式的變化有利于降低功耗和提高 BLE 的通信距離宅静。

4．以時(shí)間來換取能量

時(shí)間的使用對于低功耗藍(lán)牙來說是實(shí)現(xiàn)低功耗的關(guān)鍵，由于無線電處于發(fā)射及接收狀態(tài)時(shí)對于能量的使用和消耗是較多的站欺，因此通過以下幾個(gè)方面減少無線電部分的活動(dòng)時(shí)間：

（1）高效率編碼

高效率的編碼方式可以用更少的時(shí)間發(fā)送同等數(shù)量的數(shù)據(jù)姨夹。

（2）短數(shù)據(jù)包格式

與經(jīng)典藍(lán)牙相比，低功耗藍(lán)牙支持超短數(shù)據(jù)包(8～27 Byte)矾策，這使得發(fā)送時(shí)所需的時(shí)間更少磷账。

（3）較快的發(fā)射和接收啟動(dòng)時(shí)間

較快的啟動(dòng)時(shí)間縮短發(fā)射和接收的等待時(shí)間。

（4）占用較少的資源

協(xié)議越復(fù)雜贾虽，相應(yīng)占用的資源就會(huì)多逃糟，在同等情況下對于功耗的需要就會(huì)增加。低功耗藍(lán)牙僅采用一個(gè)協(xié)議來實(shí)現(xiàn)服務(wù)器發(fā)現(xiàn)蓬豁，名稱發(fā)現(xiàn)绰咽，信息的讀取和寫入，這比采用多個(gè)協(xié)議的經(jīng)典藍(lán)牙所需的開銷少得多地粪，從而也對降低功耗作出了貢獻(xiàn)取募。

（5）非對稱架構(gòu)的設(shè)計(jì)

低功耗藍(lán)牙在架構(gòu)采用了非對稱設(shè)計(jì)，這對于低功耗來說是十分重要的蟆技，即從設(shè)備主要從事一些簡單的操作玩敏，而無需進(jìn)行復(fù)雜的處理，這樣可以有效的降低功耗并降低成本质礼；主設(shè)備端要負(fù)責(zé)加密旺聚，系統(tǒng)同步定時(shí)等復(fù)雜的操作及任務(wù)。

（6）客戶端-服務(wù)器架構(gòu)

低功耗藍(lán)牙協(xié)議中采用了大家所熟知的客戶端-服務(wù)器架構(gòu)眶蕉，它是軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)砰粹，通過它可以充分利用兩端環(huán)境的優(yōu)勢，將任務(wù)合理分配到客戶端和服務(wù)器端來實(shí)現(xiàn)造挽，降低了系統(tǒng)的通信開銷碱璃。