低功耗蓝牙节能算法SustainaBLE：实现高效能源管理

### 低功耗蓝牙节能算法SustainaBLE：实现高效能源管理 #### 1. BLE网络节点角色与数据交换方式 在低功耗蓝牙（BLE）网络中，节点主要分为主节点（MN）和从节点（SLN）。主节点能够从多个外围节点（PN）获取数据并作出响应，而从节点则允许主节点对其特定寄存器（即特征，以服务形式分组）进行读写操作。部分特征具备通知或指示属性，可在信息接收时通知主节点。在主从连接模式下，主节点和从节点保持连接并持续传输数据包以维持通信。 此外，还有扫描节点（SCN）和广播节点（AN）这两种无连接的数据交换角色。扫描节点负责扫描网络以寻找广播数据包，广播节点则是能够向作为扫描节点的中央节点（CN）发送数据的外围节点。不过，这种角色的数据流动是单向的，仅从外围节点流向中央节点。 #### 2. 算法概述 本文提出了一种针对外围节点的分时段占空比算法——SustainaBLE，该算法考虑了节点的活动和睡眠模式。为了进行对比，定义了两种运行模式：连接模式和SustainaBLE模式。同时，根据节点睡眠时的状态，又定义了睡眠时不广播（NAS）和睡眠时广播（AS）两种模式。 连接模式是BLE标准定义的主从连接模式，信息到达会被通知，中央节点和外围节点始终保持连接，信息传输时间最短。而SustainaBLE算法则是一种节能算法，允许外围节点进入睡眠状态以降低功耗。唤醒设备有两种方式：通过实时时钟（RTC）编程中断（固定睡眠间隔，FSI）或由传感器触发中断（可变睡眠间隔，VSI）。在SustainaBLE算法中，FSI和VSI模式是每个节点的默认配置。VSI模式下，外围节点可因特定传感器读数或连接事件（若BLE模块开启）而唤醒。 NAS模式是默认配置，在外围节点进入睡眠时，BLE模块关闭，可大幅降低功耗。AS模式虽然功耗较高，但能在外围节点睡眠时保持BLE模块活跃，使执行器能立即响应用户请求。 以下是SustainaBLE算法与BLE标准模式的对比表格： |模式|ACK|PNsend|PNrec|Sleep|Tsend|Trec|PN per CN| | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | |BLE标准 - 主从通知|✗|✓|✓|✗|<0.4 s|<0.4 s|5 - 8| |BLE标准 - 主从指示|✓|✓|✓|✗|<0.4 s|<0.4 s|5 - 8| |BLE标准 - 读写特征|✓|✓|✓|✗|<0.4 s|<0.4 s|5 - 8| |SustainaBLE - FSI - NAS|✓|✗|✓|Fixed|<0.7 s|Fixed <0.7 s|-| |SustainaBLE - FSI - AS|✓|✓|✓|Fixed|<0.7 s|Fixed <0.7 s|-| |SustainaBLE - VSI - NAS|✓|✗|✓|Variable|<0.7 s|Fixed <0.7 s|-| |SustainaBLE - VSI - AS|✓|✓|✓|Variable|<0.7 s|Fixed <0.7 s|-| #### 3. 外围节点的SustainaBLE算法 SustainaBLE算法旨在在外围节点与中央节点的通信中最大程度地节省能源。其工作流程如下： ```mermaid graph TD; A[START] --> B[Sleep]; B --> C{Interruption source?}; C -- Cyclic --> D[Data acquisition]; C -- Sensor --> E[Data acquisition]; C -- Connection --> F[Wait for connection event]; D --> F; E --> F; F --> G[Send data]; G --> H{Command received?}; H -- Yes --> I[Execute action]; I --> J[Send ACK]; J --> K[Wait for disconnection event]; K --> B; H -- No --> K; ``` 外围节点首先进入固定的睡眠模式，直到编程的中断事件发生。此时，BLE模块可以处于开启（AS模式）或关闭（NAS模式）状态。节点唤醒后，等待中央节点发起连接请求。连接建立后，外围节点发送收集到的数据（自身数据和基于网状网络的数据），并请求执行传入的命令。处理完来自中央节点的命令后，节点回到初始的低功耗状态。 中断源主要有三种：周期性中断、基于传感器的中断和基于连接的中断。周期性中断由外围节点定时器（主要是实时时钟）的周期性警报触发，节点唤醒后会开启传感器收集数据。基于传感器的中断用于处理意外情况，当特定传感器输出发生变化时，节点会被唤醒。基于连接的中断适用于外围节点在睡眠时保持BLE模块开启，等待连接事件中断的情况。当连接事件发生时，外围节点变为从节点角色，中央节点变为主节点，开始数据传输。 #### 4. 中央节点的SustainaBLE算法 由于外围节点之间没有同步要求，连接事件可能随时发生。为了尽可能节省能源，中央节点必须立即处理这些连接事件。中央节点的工作流程如下： 1. 当中央节点接收到来自NAS模式外围节点的接收信号强度指示（RSSI）时，向该外围节点发送连接请求进行身份验证。 2. 连接建立后，中央节点（此时为主节点）需要发现BLE服务和特征，以获取之前传感器收集的数据。 3. 主节点向从节点发送请求以发现其特定服务，然后等待服务可发现的通知。 4. 服务发现后，主节点为每个服务发送请求以发现其所有特征。 5. 主节点读取数据并上传到中央控制层（CCL），若CCL未发送命令，则进入待机状态，直到收到确认（ACK）。 6. 最后，主节点触发断开连接事件，外围节点进入低能耗模式，直到下一次中断发生。 #### 5. 双检查算法 为了增强通信的可靠性，提出了双检查算法。由于BLE与多种无线技术共享物理信道，容易受到干扰和其他现象的影响，可能导致偶尔的事件被误解，使外围节点进入未定义状态。双检查算法可以避免这些情况，确保BLE占空比无故障。 例如，当由于某个外围节点状态未定义，中央节点触发同步事件后，会等待一段预定义的时间，并尝试与该外围节点断开连接，以确保其进入睡眠状态。 #### 6. 案例研究 在一个典型的工业环境中部署了10个外围节点和1个中央节点，根据不同传感器的需求，对节点角色进行了如下分配： - **连接模式**：由于加速度计或超声波传感器需要实时交互，定义了2个基于连接的节点。 - **AS SustainaBLE算法**：热成像相机、感应接近传感器或引伸计等常用于工业环境，需要连接到能够随时被中央节点唤醒的外围节点。因此，在案例研究中定义了4个AS SustainaBLE节点。 - **NAS SustainaBLE算法**：温度、湿度、气体、振动和光度传感器通常用于收集上下文信息，不需要实时操作。这些传感器用于4个执行NAS SustainaBLE算法的外围节点，以大幅降低功耗。 #### 7. 实验结果 本案例研究基于实际电流测量，使用INA219运算放大器以0.1Ω的精度测量负载电流消耗。选择LightBlue Bean平台作为原型微控制器板，分别在连接模式和SustainaBLE算法下进行编程。同时，连接了温度 - 湿度传感器板DHT - 22和亮度传感器板TSL - 2561，以提供相同的电流消耗增加，并测量算法相对于BLE连接模式的效率。最终，Raspberry Pi 3平台作为BLE控制器，执行中央控制层的角色。 实验中设置了5秒的睡眠占空比，并将测量结果外推到更大的间隔。不同广告间隔下的平均功耗如下表所示： |广告间隔|活跃广告（mA）|睡眠 - 无线电关闭（mA）|睡眠 - 无线电开启（mA）| | ---- | ---- | ---- | ---- | |20 ms|10.5848|≈0|1.2043| |1 s|10.1973|≈0|0.8621| |3 s|10.1116|≈0|0.2340| |6 s|9.5790|≈0|0.1611| |9 s|9.3328|≈0|0.1428| 通过计算加权平均，将5秒间隔的数据外推到[0, 20]秒的范围。结果发现，当睡眠间隔大于约1秒时，SustainaBLE算法开始显示出优势，其盈亏平衡点为0.77秒。 进一步将5秒间隔外推到5分钟间隔，得到不同算法下的功耗值： - \(I_{SustainaBLE(NAS)}(t) = 0.0206 mA \to P_{SustainaBLE,NAS} = 0.06 mWh\) - \(I_{SustainaBLE(AS)}(t) = 1.2229 mA \to P_{SustainaBLE,AS} = 3.67 mWh\) - \(I_{Connection}(t) = 7.2167 mA \to P_{Connection} = 21.65 mWh\) 根据这些测量结果，计算出不同算法下设备的使用寿命： - \(t_{SustainaBLE,NAS(ls)} = \frac{232 mAh}{0.0206 mA} = 11262.1359 h \approx 1.3年\) - \(t_{SustainaBLE,AS(ls)} = \frac{232 mAh}{1.2229 mA} = 189.613 h \approx 7.9天\) - \(t_{Connection} = \frac{232 mAh}{7.2167 mA} = 32.1477 h \approx 1.4天\) 对比传统的基于连接的BLE场景和本文提出的异构网络方案（4个NAS、4个AS和2个连接节点），异构网络的功耗为0.06 Wh，而传统连接网络的功耗高达0.22 Wh。在10小时的全时运行中，异构网络的功耗为0.582 W，几乎是全连接网络典型功耗2.17 W的四分之一。 #### 8. 结论与展望 SustainaBLE算法在节能方面表现出色，能够显著降低工业环境中BLE网络的功耗。通过实际测量和实验验证，该算法在睡眠间隔大于1秒时具有明显的节能优势。异构网络方案的功耗远低于传统连接网络，设备的使用寿命也得到了大幅延长。 未来，可将该算法的通用架构应用于集成基于广泛标准的系统，如Wi-Fi、LTE、Sigfox、ZigBee或LoRaWAN等，不仅要开发异构算法，还要根据工业需求开发相应的技术。同时，需要对这些技术的集成进行多次分析和实验，以验证它们的协作性和可持续性。 ### 低功耗蓝牙节能算法SustainaBLE：实现高效能源管理 #### 9. 技术优势总结 SustainaBLE算法在多个方面展现出显著优势，以下为具体总结： - **架构优势**：基于适用于工业4.0环境的物联网架构，聚焦低功耗蓝牙技术，凭借其低功耗和广覆盖的特性，有力推动了绿色物联网的发展。 - **同步算法优势**：双检查同步算法的引入，有效保障了网络内的协作，避免了传输失败的情况，提高了通信的可靠性。 - **节能算法优势**：经实际测量验证，该算法在睡眠间隔超过1秒时具有节能效益。在异构网络方案中，整体网络功耗较传统连接网络大幅降低，设备续航能力从一天提升至一年，且未对用户体验造成不良影响。 #### 10. 应用场景分析 SustainaBLE算法适用于多种场景，以下为详细介绍： |应用场景|适用原因| | ---- | ---- | |工业环境|工业场景中存在大量传感器，部分无需实时操作，如温度、湿度、气体等传感器。SustainaBLE算法的NAS模式可使这些传感器节点在不影响数据收集的前提下，大幅降低功耗，延长设备使用寿命，减少维护成本。| |智能家居|智能家居设备众多，部分设备需随时响应指令，如智能门锁、智能开关等，可采用AS模式；而一些定期收集数据的设备，如环境监测传感器，可采用NAS模式。该算法能根据设备需求灵活配置，实现智能家居系统的整体节能。| |医疗监测|医疗监测设备对功耗和数据准确性要求较高。对于一些可穿戴医疗设备，如心率监测仪、睡眠监测仪等，SustainaBLE算法可在保证数据准确传输的同时，降低设备功耗，延长续航时间，提高患者使用体验。| #### 11. 操作步骤与注意事项 在实际应用SustainaBLE算法时，可参考以下操作步骤： 1. **节点角色配置**：根据传感器需求和应用场景，确定节点采用连接模式、AS SustainaBLE模式还是NAS SustainaBLE模式。例如，对于需要实时交互的传感器，配置为连接模式；对于可间歇性工作的传感器，配置为NAS或AS模式。 2. **算法参数设置**：设置合适的广告间隔、睡眠间隔等参数。广告间隔可根据实际情况在20 ms - 10 s之间调整，睡眠间隔可根据传感器数据更新频率和节能需求进行设置。 3. **硬件选型与连接**：选择合适的硬件平台，如LightBlue Bean作为原型微控制器板，Raspberry Pi 3作为BLE控制器。连接相应的传感器，如温度 - 湿度传感器板DHT - 22和亮度传感器板TSL - 2561。 4. **代码编程与调试**：根据所选硬件平台和算法模式，编写相应的代码。在调试过程中，可使用INA219运算放大器测量电流消耗，验证算法的节能效果。 同时，还需注意以下事项： - 不同硬件平台的性能和功耗特性可能有所差异，需根据实际情况进行调整。 - 在设置广告间隔时，需平衡功耗和数据传输效率，较高的广告频率会增加功耗。 - 对于中断事件的处理，需确保代码的稳定性和可靠性，避免因中断处理不当导致设备异常。 #### 12. 与其他技术的融合展望 随着物联网的发展，多种技术的融合将成为趋势。SustainaBLE算法的通用架构可与其他广泛应用的标准技术进行融合，以下为融合思路： ```mermaid graph LR; A[SustainaBLE算法] --> B[Wi-Fi]; A --> C[LTE]; A --> D[Sigfox]; A --> E[ZigBee]; A --> F[LoRaWAN]; B --> G[融合系统]; C --> G; D --> G; E --> G; F --> G; ``` - **与Wi-Fi融合**：Wi-Fi具有高速数据传输的优势，可与SustainaBLE算法结合，用于对数据传输速率要求较高的场景。例如，在智能家居中，对于高清视频监控设备，可在需要传输大量数据时切换到Wi-Fi模式，平时采用SustainaBLE算法的低功耗模式。 - **与LTE融合**：LTE网络覆盖广泛，可实现远程数据传输。将SustainaBLE算法与LTE结合，可应用于远程工业监控、智能交通等领域。在设备需要与远程服务器进行数据交互时，利用LTE网络进行传输，同时在空闲时采用SustainaBLE算法降低功耗。 - **与Sigfox、ZigBee、LoRaWAN融合**：这些技术具有低功耗、远距离通信的特点，与SustainaBLE算法的节能理念相契合。可根据不同的应用场景和需求，选择合适的技术进行融合，实现更广泛的物联网覆盖和更低的功耗。 #### 13. 总结与建议 SustainaBLE算法作为一种创新的低功耗蓝牙节能算法，在工业4.0和物联网领域具有广阔的应用前景。通过实际案例验证，该算法在节能和延长设备使用寿命方面表现出色。为了更好地推广和应用该算法，提出以下建议： - **技术推广**：加强对SustainaBLE算法的宣传和推广，让更多的企业和开发者了解其优势和应用场景。可以通过举办技术研讨会、发布技术白皮书等方式进行推广。 - **标准制定**：参与相关标准的制定，将SustainaBLE算法的优势和特点纳入标准体系，提高算法的通用性和兼容性。 - **持续优化**：不断对算法进行优化和改进，根据不同的应用场景和需求，调整算法参数和策略，提高算法的性能和适应性。 - **跨技术融合研究**：加大对SustainaBLE算法与其他技术融合的研究力度，开展更多的实验和测试，验证融合方案的可行性和有效性。 总之，SustainaBLE算法为物联网设备的节能提供了一种有效的解决方案，未来有望在更多领域得到广泛应用，推动物联网的绿色可持续发展。