2014年12月30日  | Chim Chan 

2010年在發表藍牙智慧（以前稱為藍牙低功耗）是藍牙核心規範4.0版本（Bluetooth v4.0）的一部分後，其表現一直相對低調，但現在卻已躍為新聞的頭條。正如IHS公司分析師所預測的，藍牙智慧晶片的全球出貨量在2018年將上升至接近3億顆，而在2013年結束時，當時的出貨量僅超過3000萬顆，五年年均複合增長率（CAGR）將達到55%以上。2013年的出貨量比2012年的900萬顆增長了將近250%，2014年的出貨量預計又會加倍。 

2013年市場上出現了第一款大量出貨的應用配件（appcessory），而2014年銷售量預計超過5000萬個。與配備藍牙智慧即用（Bluetooth Smart Ready）技術的智慧型手機、平板電腦及桌上型電腦的無縫連接，使應用配件的領域迅速擴張。

 

圖1：2014年預計銷售超過5000萬個應用配件。

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 一個應用配件可將周邊產品例如健身感測器或玩具和配備藍牙智慧即用技術的智慧型手機、平板電腦或桌上型電腦上的軟體結合起來。應用配件通常由鈕扣電池等小型電池供電，並且利用超低功耗（ULP）的藍牙智慧晶片將資料傳送到行動裝置上，主機設備的應用程式（app）通常會先分析該資料，並將結果顯示出來。許多應用程式也可以很容易通過社交媒體分享資訊。

藍牙智慧即用產品，包含 Apple的設備以及大多數Android平臺的手機，都配備了Bluetooth v4.0/v4.1晶片，可以做到“標準”藍牙技術能做到的工作，而且還可以與藍牙智慧晶片相互通信，因此將它應用到以鈕扣電池供電的周邊設備和產品的情況也越來越多，例如智慧型手錶。

在未來幾年內，智慧型手機和平板電腦的銷售預計將會激增。Statista Research分析師估計，到2020年，行動設備全球累計的總出貨量將達到61億個。而HIS的分析師較為保守，但所提出的出貨量預測值也是很大，該公司估計，2013年底智慧型手機的用戶數為19.19億個，而之後的五年將成長到50.82億個。由於藍牙技術和智慧型手機及平板電腦之間的密切性，及多家公司正竭力推出應用配件，因此能和每款智慧型手機連接的藍牙智慧設備之數量即將激增。

 其實並不難想像每一位擁有智慧型手機或平板電腦的用戶，同時都會擁有三或四個應用配件。到2020年，累計市場上售出配備藍牙智慧產品的數量可能達到240億個，而一些分析師估計該市場每年的總值可達到1310億美元。

 但現在除了其它有用的新功能，新版本的藍牙技術“藍牙4.1版”引入了一些新功能，有助於建立最終實現藍牙智慧設備直接連接到互聯網的技術基礎 ── 而不需要提高智慧型手機或平板電腦的運算能力。行動設備可能仍然是當作一個集線器（hub）（可能作為Wi-Fi路由器）並收集資料，但是分析和控制資訊能力日益強大的軟體則存放在雲端上。

 雖然新版本仍然無法實現直接與網路連接，但它反映了藍牙技術聯盟（Bluetooth Special Interest Group, SIG）對擴大藍牙技術應用範圍的志向和決心，這種策略將鼓勵新一類產品推動一個較應用配件市場更為龐大的新市場領域。

 在IP上實現藍牙的基礎

 

 從技術的角度看來，Bluetooth v4.1可以更好地針對由該技術悠久的流媒體模式、ULP操作模式（使用遵守規範的“低功耗核心配置”技術）、以及互聯網協議（IP）連接操作而產生的不同使用情況加以調整。

 開發人員可能會認為Bluetooth v4.1帶來的最重要單一功能，是讓智慧型手機等設備可同時作為藍牙智慧即用集線器和藍牙智能周邊設備。設備採用按照新規範設計的晶片，具有將資料從感測器或智慧型手錶傳遞到智慧型手機及PC上的功能。

 

另一種可為開發人員提供更大自由度的特點，是建立分佈網（scatternet）的能力。以往，藍牙以建立多個微網（piconet）的方式來進行溝通，但是它的三位元位址空間將微網的最多數量限制在八個設備上： 一個集線器（hub）和七個周邊設備。這樣一來可能會限制藍牙技術的使用能力，因為設備的數量關係著技術的擴展。然而，如今一個設備可以設定為集線器或周邊設備，那麼一個集線器就可能與超過八個以上的設備通信。

 

對開發人員來說，另一個重要的改變是為他們在保持通話上提供更多的靈活性。在Bluetooth v4.0版本中，藍牙智慧設備和藍牙智慧即用設備之間連線“廣告（advertisement）”的間隔是固定的。可惜的是，這意味著當一個使用中設備（如健身監測儀）從集線器中被分離出來後，連線可能很快就會中斷，而且必須重新手動恢復。從Bluetooth v4.1開始，開發人員現在可以考慮任何可能使用的場景，從而設定連線廣告的時間間隔。

然而，這個藍牙技術版本最明顯的增強之處，是通過邏輯連結控制和適配協議（Logical Link Control and Adaptation Protocol, L2CAP）的連線導向通道（Connection-Oriented Channel），來奠定IP連接操作的基礎（最終實現與互聯網的直接溝通）。雖然L2CAP早就是Bluetooth v4.0的一部分，但直到最新版本發表後，藍牙智能及藍牙智能即用才可利用L2CAP的連線導向通道。

 連線導向的通道具備建立專用通道道（Dedicated Channel）的能力，而專用通道有與之相關的固定數值。連線導向的通道和專用通道對互聯網協定版本6（IPv6）而言是基本要求（IPv6是通訊協定的最新版本，可在互聯網上為電腦提供辨識和定位系統，以及路由網路上的流量）。

此外，Bluetooth v4.1支援較長的資料封包，被稱為長的最大傳輸單元（Maximum Transmission Unit, MTU）；對於在藍牙智慧連結中承載IP資料封包，支援更長資料封包是必不可少的。

 要注意的是，在藍牙智慧裝置可以直接和互聯網連接之前，仍然有許多技術障礙需要克服，還有幾個藍牙技術的修訂版。但是，正如藍牙技術聯盟所言：“Bluetooth v4.1專用通道的實施”是未來在感測器層面支持IPv6的基礎一步。

藍牙晶片的實力

 藍牙智慧晶片是現今蓬勃發展的應用配件和潛在的雲端配件（cloudcessory）革命的關鍵，例如Nordic Semiconductor的nRF51系列系統單晶片（SoC）便是先進的藍牙智慧晶片設計，也正廣泛地應用在各種革新性的產品中。 

Scalextric公司所開發的賽車控制系統（Race Control System, RCS）便是其中一個例子，它在英國的倫敦玩具展（London Toy Fair）上贏得著名的“2014年最佳新玩具”，此一賽車控制系統採用了Nordic的nRF51822藍牙智慧晶片，讓使用者可以通過藍牙智慧即用設備上運行的應用程式，以無線方式建立並管理比賽。該應用程式支援比賽的統計資料和功能，其中一些會直接影響賽車的表現，包括車手的名字、圈數和時間、最快圈數、燃油量、輪胎磨損程度、以及定制的油門反應。

圖2：Scalextric公司的賽車控制系統採用Nordic的nRF51822藍牙智慧晶片，通過在藍牙智慧即用裝置上運行的應用程式以無線方式管理比賽。

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另一個例子是由香港公司IDT Technology設計的氣象站，它同樣使用了Nordic的藍牙智慧晶片，可直接與智慧型手機和平板電腦進行通訊，在基地台到智慧型手機相距最長達五十米的距離內，使用者能夠立即接收到當地最新的氣壓和天氣預報更新資料，以及由基地台的嵌入式感測器和多達五個遙控無線感測器一起收集的溫度和濕度讀數。 

Nordic這款SoC的核心是一個新型2.4GHz無線電加上功能強大的ARM Cortex-M0微控制器。該微控制器是一個32位元裝置，與通常嵌入在上一代ULP無線晶片中的8位元8051 core晶片相比，可提供更強大的計算能力。該微控制器是專為ULP操作而設計的，非常適合藍牙智慧應用。 

不過，雖然硬體規格出色，但關鍵的創新在於軟體架構。在標準的ULP無線連接應用中，射頻（RF）協議和應用程式碼是作為單一整體架構的一部分。但nRF51系列SoC則不同，協定和應用單元之間完全分離，這可有效地消除介於兩者之間所有的依賴關係。應用程式開發人員可以在沒有與編譯或執行時間有關的依賴或潛在衝突下，安全地構建或移植現有的應用程式。  

圖3：Nordic的S110 SoftDevice包含一項支援無線軟體升級的功能。

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此外，這種安排意味著開發人員可以把心力集中於開發最適合應用程式的方法，其它的無線連接IC則不同，其應用和協議程式碼具有關聯的固有連結，開發人員在整個開發週期都離不開這些限制和依賴。

雖然Nordic的nRF51系列晶片是先進的解決方案，但Bluetooth v4.1等開放標準的好處之一就是鼓勵建立多家供應商的供應鏈，為工程師提供產品選擇，並且培育競爭環境來刺激創新。Nordic和其他矽半導體供應商已經準備好要一年交付多達10億顆的藍牙智慧晶片，提供優異的性能，而每個器件的成本只需幾美元，每一個晶片都保證能與其它所有器件互相操作。

基於現有藍牙技術生態系統，加上關注RF工程複雜性的製造商的支援，對於從商業企業到“自造者（maker）” 社群的變革創新者來說，如今可以在幾乎任何產品上加入無線連接功能，並為產品增添“智慧”的功能。更好的是，其中有些藍牙智慧晶片能夠自行升級軟體，消費者甚至不會察覺到正在進行升級。

這類“OTA（over-the-air）” 無線更新對其他無線技術而言是例行程式。例如，消費者很熟悉經由手機網路在智慧型手機上更新應用程式，或是經由無線Wi-Fi網路下載用於可攜式電腦作業系統的安全修補程式（security patches），但對於ULP無線晶片而言，OTA無線更新並不是例行程式。

直到現在，這種情況才轉變過來。這是因為Bluetooth v4.1因應此一挑戰，在L2CAP層打開了直接通道，從而可進行大量的資訊交換（加速下載）。有些（並非全部）藍牙智慧晶片如今可以使用自己的無線連接，利用這項功能，便可以簡便而快速地將RF協定軟體（棧）或開發人員的應用程式碼升級。 

例如，Nordic的SoftDevice 是nRF51系列SoC的獨立棧，包含了RF協定軟體和符合Bluetooth v4.1的相關管理架構，此一SoftDevice（v7.0）包含了“OTA裝置韌體更新（OTA-DFU）”功能，支援無線軟體升級。 

OTA無線更新對於產品開發人員有利，因為即便產品已經在消費者手中，他們仍可以將新功能添加到現有的產品中並修復缺陷（bug）。最獨特的是，Nordic晶片使得開發人員只需要更新應用軟體，而無需承擔會破壞軟體棧的任何風險。 

但也許更重要的是，消費者能夠從重要軟體的升級而受益，為他們現有的無線周邊設備設備帶來真正的新功能。這個能力可讓未來的新一代連接設備在雲端伺服器發出指示後更新軟體。如此一來消費者就無需為了使用新的軟體（例如新版本藍牙技術），而丟棄手上的產品，再改買新產品。同樣地，如果產品採用Nordic的藍牙智慧晶片，無需涉及應用程式，藍牙棧就可以進行升級。這樣就可加快升級的速度、節省電池的電量，並且限制了未正確完成升級的風險。 

 物體和物體的連接

  當代的藍牙智慧應用配件，比如動作感測器，只能通過智慧型手機等中樞才能連接到網路。但是由Bluetooth v4.1引入的未來功能中，感測器將可直接存取儲存在雲端上的伺服器軟體。 

這樣的功能將使原本“無腦的”物體變得“聰明”。例如，一把傘可以連接到互聯網，以確認是否有可能下雨，並提醒物主在出門時帶上它 ── 無需任何人為的干預和連接到智慧型手機。另一種情況是，使用者在觀察到滿天烏雲後從傘架抓起一把雨傘，並將資訊傳回伺服器上，使當地的天氣預報變得更加精準。

藍牙技術的未來版本可能通過路由器或機上盒等設備實現互聯網連接，它們能夠通過閘道設備上的軟體層接收藍牙資訊並重新導回雲端服務系統。與智慧型手機和平板電腦不同的是，這些閘道並不需要一個完整的作業系統（OS）來轉發資訊。 

雖然藍牙智慧設備可以利用這樣的閘道來連接到互聯網，但是閘道只是一個中立設備，將感測器的資料發送到雲端上的伺服器，而不會執行任何分析或處理。此外，這些藍牙的未來版本將使應用配件得以和其他設備互相溝通，而且同樣地，它也不需要智慧型的集線器。這項技術將可實現物體對物體、以及物體對互聯網之間無縫的無線連接（從而形成所謂物聯網（IoT）的基礎技術）。 

2003年Nordic是首家使用ULP無線技術來連接物體到物體（例如，Sunnto運動手錶連接到心率監測儀），以及連接物體到PC（相同的手錶通過USB無線藍牙收發器連接到桌上型電腦）的公司。一年後，Nordic也是第一家實現將智慧計步器連接到互聯網（通過PC）的公司。而後在2010年，該公司率先採用藍牙智慧技術來連接應用配件到智慧型手機；如今，Nordic在開發可將產品直接連接到雲端的晶片方面，仍然是一路保持領先。

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