然而,鮮為人知的是,即使在最惡劣的環境中,藍牙也可為工業應用提供無線連接(圖1)。藍牙的技術發展一直是與時並進,在2016年12月最新發布的藍牙5規範中,它增強了功能組合,可適用於全新的使用案例。但是,經常被忽視的是,就其核心技術來看,在工業應用方面,藍牙確實擁有龐大的發展潛能。
藍牙工業應用八大特色
上述提到,就其核心技術來看,藍牙在工業應用方面擁有龐大的發展潛能,而以下是八個支持或選用藍牙來連接工業應用的有力論點。
不易受到干擾
藍牙是在毋須授權的2.4GHz ISM(工業、科學和醫療)頻段上運作,並與各種RF技術共存,包括Wi-Fi、Zigbee,以及如汽車警報和視訊裝置等其他的商業應用。
為了使訊號被接收到,藍牙採用一種稱為適應性跳頻(Adaptive Frequency Hopping)的技術。在傳統藍牙(Bluetooth Classic)標準中,2.4GHz ISM頻段是由79個單獨的1MHz通道所組成。在低功耗藍牙(BLE)中,頻譜則被劃分為40個單獨的2MHz通道,以實現更寬鬆的RF設計並進一步降低成本。
訊息會被分割成小的數據封包,並且每隔625微秒,會在不同的通道上一個接一個地發送。根據協定的順序,通道每秒最多可切換1,600次。未能完整傳送到接收器的封包會再重新傳送,如果是通道的問題,便會被標記並在後續的通訊中避免使用。因此,藍牙通訊的結果是,能找到切斷雜訊的最佳路徑,以便可靠地進行無線數據傳輸。
支援高裝置密度
藍牙已經為支援高裝置密度進行了最佳化設計,此外,若附近有多個網路,仍能以有限的干擾繼續運作。它的簡短數據封包非常適用於工業應用,如測量和控制,這類應用都僅需要很短的傳輸時間。因此,它們不會不必要地干擾電波,能把對其他裝置的干擾降至最低。
藍牙還具有自動電源控制功能,僅利用到達接收器裝置所需的訊號強度來傳送封包。這意味著,當沒有雜訊須切斷時,它們不會耗費太高的功率。此特性亦能減少電波的負荷,能夠在不造成干擾的情況下,增加相同頻段上的裝置數量。它還具有節省電力的額外好處。
最後,藍牙也為了與Wi-Fi共存進行了最佳化設計,Wi-Fi通常會在工業和消費性產品環境中與藍牙共享ISM頻段。Wi-Fi通道在ISM頻段中使用22MHz頻寬,可同時容納多達三個非重疊通道。利用適應性跳頻技術,藍牙能夠最佳地利用無負載的電波。
能偵測並糾正位元錯誤
當訊噪比低時,例如,在嘈雜環境中或當傳輸距離很長時,訊息中有位元錯誤的機率便會增加。除了透過避免使用不可靠的通道來偵測錯誤,以最佳化通道跳頻設計之外,若需要,藍牙還可以利用前向糾錯(Forward Error Correction, FEC)來修正接收器端的位元錯誤。這是透過在主要訊息中增加冗餘位元,然後FEC演算法可用它來修正錯誤。因此,這也有助於藍牙在長距離和嘈雜環境中可靠地傳送訊息。
適用於現有設計
序列埠(Serial Ports)已使用了數十年之久,且將持續用於工業應用。藍牙序列埠規範(Bluetooth Serial Port Profile, SPP)可透過藍牙模擬具備硬體交握的完整序列介面(RS232、RS422/485)。點對點或多點運作的無線連接可用來取代序列纜線,SPP已被用來透過序列介面在筆記型電腦、控制系統和其他裝置之間交換數據。
提供廣大覆蓋範圍
雖然藍牙通常被當作傳輸距離僅為數公尺的無線通訊技術,但它已被證明能夠在更長的距離上可靠地運作。曾有一項研究,針對基於藍牙的即時感測器致動器介面在惡劣工業環境中的效能進行了評估。
藍牙5可提供的傳輸距離更長。在開放空間條件下並使用良好的天線,我們能夠使用藍牙長距離模式(編碼PHY)把訊息傳輸至1.7公里以外。
在最具挑戰性的情況下,透過把廣播訊息的時間增加到8倍,可以在藍牙5長距離模式中實現更遠的覆蓋範圍。透過建置藍牙網狀網路,還可以在密集環境中進一步擴展覆蓋範圍。在網狀網路中,訊息可以從一個節點傳送到另一個節點,直到它們到達目的地為止。
適用於任何地方
藍牙裝置是專為滿足相同的全球標準要求而設計。這對裝置製造商來說非常重要,他們不必擔心須維護多種產品型號(SKU)來因應全球市場需求。隨著藍牙技術廣泛應用到手持式裝置,更提供了可透過專用應用程式從任何一種智慧型手機或平板電腦與藍牙裝置連結的機會。
滿足工業物聯網應用
根據LED照明和感測器裝置用彈性式照明韌體套件供應商Silvair的報告,與其他短距離無線技術相比,藍牙的無線電性能(低功耗版本)更為突出,特別是在速度方面,因而能提高效率、延遲和反應能力。此外,藍牙已針對許多非常小容量的數據封包傳輸進行了最佳化設計,使其成為物聯網應用的理想選擇,不僅適用於連網家庭或城市,亦適用於連網工業應用。
設計非常安全
藍牙具備多項特性,使其成為安全的無線技術。例如,前面提到的適應性跳頻技術,它是取決於僅有發射器和接收器知道的偽隨機跳頻序列來運作。這意味著,竊聽者必須跟蹤所有可用的通道並正確地拼湊數據封包,才有可能取得發送的訊息。
從藍牙4.2開始,藍牙裝置的配對,亦即裝置間通訊的先決條件,是採用符合聯邦資訊處理標準(Federal Information Processing Standards, FIPS)的演算法來生成所謂的橢圓曲線(Elliptic Curve Diffie-Hellman, ECDH)公鑰-私鑰對。此特性稱為LE安全連接,可保護傳輸的數據不會因為中間人(Man-In-The-Middle, MITM)的攻擊而被攔截。
藍牙模組也可被設定為讓其他的藍牙裝置看不見,這表示,駭客將不知道它們的存在。只有事先配對過的裝置之間才能建立連接。
藍牙確保長期可靠效能
藍牙技術聯盟(SIG)成立20年以來,藍牙技術隨著使用案例的演進而與時俱進,一直以來都獲得市場的廣泛採用。最早,藍牙被定位為行動電話間數據同步的無線技術,但它很快就擴大到支援各種的使用案例,特別是個人電子裝置間的數據傳輸。今天,藍牙低功耗(從4.0版開始)和藍牙5.0更是擴大範疇,扮演完全不同的角色,能夠適用於物聯網的諸多應用。
自藍牙標準推出以來,藍牙已經證明自己是工業製造流程的強大連接解決方案。涵蓋工業製造、醫療設備和井下測量等多樣化領域,數以萬計家的公司,多年來,都已經成功地將藍牙運用在各種工業應用,在未來,藍牙技術仍將持續在連網工業應用領域扮演重要的角色(圖2)。