摘要：低能耗藍牙被業(yè)界廣泛認為是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應用愿景的關鍵技術。事實上，極低的功耗使其成為電池供電的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品最理想的無線通信解決方案，盡管目前低能耗藍牙技術規(guī)范還是局限于幾種特定應用，但是，創(chuàng)新的解決方案可促使這項技術拓展到不同的應用領域，例如，多媒體流。按照這個發(fā)展方向，本文介紹一個叫做BlueVoice的低能耗藍牙設備語音流應用。

　　本文從支持語音流服務所需的擴展服務集開始介紹BlueVoice應用，然后在實際硬件設備上評估BlueVoice的性能。在所選的硬件平臺上，BlueVoice應用完全支持語音流服務，同時避免能源浪費。

　　I. 前言

　　經(jīng)歷過去幾十年的快速增長，互聯(lián)網(wǎng)幾乎滲透到人類社會日常生活的方方面面。未來互聯(lián)網(wǎng)將擴展到萬物互聯(lián)，數(shù)十億甚至數(shù)百億個有唯一身份的“物品”通過無線通信與人類和周圍環(huán)境交互，執(zhí)行高級任務。在這一構想中，“物品”可能是傳感器、致動器、家電、玩具，總之，可以是任何能夠被識別的虛擬或?qū)嶓w物品，這種互聯(lián)網(wǎng)演進構想被稱為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)。

　　物聯(lián)網(wǎng)概念是通過標準協(xié)議解決方案(即互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)和無線通信接口，把所有產(chǎn)品設備連接在一起，組成一個全球網(wǎng)絡。實現(xiàn)萬物互聯(lián)，雖然可以使用現(xiàn)有的大量的射頻通信技術，但是當物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品是部署在現(xiàn)場的自主型電池供電裝置時，低功耗無線通信技術才會是最適合的通信解決方案。在這個方面，低能耗藍牙(Bluetooth LE) [1]技術被視為最有效的物聯(lián)網(wǎng)通信解決方案，同時正在融入互聯(lián)網(wǎng)世界[2]。

　　在今天的物聯(lián)網(wǎng)應用中，低能耗藍牙解決方案主要用于生命參數(shù)監(jiān)視用途。除傳統(tǒng)的監(jiān)視服務外，近幾年業(yè)界開始探索基于其它技術的先進應用。例如，參考文獻[3]提出并分析了基于IEEE802.15.4的網(wǎng)絡[4]語音通信。在這個方面，通過低能耗藍牙傳輸多媒體數(shù)據(jù)還是處于起步階段，缺少可用的解決方案主要是因為最初設想時未考慮到這些應用(例如，最初主要考慮的是醫(yī)療、健身等應用)。本文以在低能耗藍牙設備上支持語音流服務的BlueVoice應用為例，探討如何解決這些技術限制問題。我們先了解一下低能耗藍牙技術，然后詳細介紹支持該新應用概念所需的擴展服務集，再介紹應用設計，最后在STM32 Nucleo L476板上測試實際性能。

　　本文的有要內(nèi)容安排如下：第二章介紹低能耗藍牙工作原理，先描述整個工作棧;然后介紹配置文件(Profiles)概念。第三章介紹應用方案設計，描述其低能耗藍牙配置文件，然后介紹其設計原則、設計實現(xiàn)及實際性能。第四章是結論。

　　II. 低能耗藍牙技術概述

　　BLE低能耗藍牙規(guī)范于2010年寫入藍牙4.0核心規(guī)范，盡管與基本藍牙相似，但是低能耗藍牙規(guī)范主要是為超低功耗應用設計開發(fā)。通過低能耗藍牙技術連接電池供電設備的潛在應用非常少，醫(yī)療、健身和智慧家居是其中僅有的幾例。

　　圖1. 低能耗藍牙協(xié)議棧

　　如圖1所示，低能耗藍牙協(xié)議?？傮w結構主要由兩個部分組成：控制器和主機。應用軟件使用協(xié)議棧主機層的協(xié)議提供的服務。主機層分為五層：邏輯鏈路控制和適配協(xié)議(L2CAP)、屬性協(xié)議(ATT)、通用屬性配置文件(GATT)、安全管理協(xié)議(SM)、通用訪問配置文件(GAP)?？刂破鞑糠种挥袃蓪樱何锢韺?PHY)和鏈路層(LL)。如圖1所示，主機-控制器(HCI)接口是控制器與主機的通信通道。

　　物理層負責比特調(diào)制，通過無線通道收發(fā)數(shù)據(jù)。最高數(shù)據(jù)速率是1 Mb/s，典型通信距離是幾十米。

　　鏈路層規(guī)定兩個設備之間雙向通信的功能。低能耗藍牙節(jié)點有兩個角色：主設備和從設備。通常是主設備(例如，筆記本電腦、智能手機)搜索從設備(例如，體感設備);必要時，從設備向主設備發(fā)送數(shù)據(jù)。從設備通常處于睡眠狀態(tài)，并在固定間隔內(nèi)喚醒，以便被主設備搜到。

　　在鏈路層之上，邏輯鏈路控制和適配協(xié)議(L2CAP)有兩個主要功能。該協(xié)議的主要作用是提供多路傳輸功能，按照標準低能耗藍牙分組數(shù)據(jù)格式，封裝轉(zhuǎn)換頂層多協(xié)議數(shù)據(jù)。安全管理協(xié)議(SM)和通用訪問配置文件(GAP)分別提供數(shù)據(jù)安全和服務管理功能。詳細的說，安全管理協(xié)議定義密鑰的生成方式，以及如何在兩個設備(主從設備)之間交換密鑰，建立安全加密通信通道，而通用訪問配置文件則規(guī)定兩個設備如何在底層交互操作

　　屬性協(xié)議(ATT)和通用屬性配置文件是開發(fā)新應用時需要重點考慮的兩個協(xié)議組件。屬性協(xié)議是一個無狀態(tài)的客戶機/服務器協(xié)議：不考慮設備的底層角色是主設備還是從設備，每個設備都可以設為服務器、客戶機或是客戶機兼服務器?？蛻魴C請求服務器數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)，服務器向客戶機發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以屬性的形式保存在服務器內(nèi)，每個屬性都含有GATT管理的數(shù)據(jù)，而且該數(shù)據(jù)被分配一個通用唯一標識符(UUID)。通過一個L2CAP專用通道，屬性協(xié)議在服務器屬性與客戶機之間建立一條通信通道。通用屬性配置文件(GATT)在屬性協(xié)議層添加一個數(shù)據(jù)抽象模型，負責搜索屬性協(xié)議保存的數(shù)據(jù)，在兩個設備之間交換特征。每個低能耗藍牙設備都有一套可能屬性(存儲服務)和特征(與存儲服務相關的屬性)。如果在低能耗藍牙棧上建立一個新應用，則必須定義屬性和特征。某一特定應用的特征、屬性和底層規(guī)范合稱配置文件，標準配置文件可保證不同品牌的產(chǎn)品能夠互聯(lián)互通。

　　III. BLUEVOICE應用

　　下面我們介紹BlueVoice應用，首先定義語音通信低能耗藍牙配置文件，然后討論所涉及設備的通信角色、音頻處理和壓縮選擇、數(shù)據(jù)分組問題和帶寬要求。我們提出兩個在音頻采集和功耗方面不同的系統(tǒng)配置，以滿足不同的應用要求。本章最后一部分介紹在一個實際硬件設備上實現(xiàn)的BlueVoice應用，然后比較并討論實際測量到的應用性能，例如，功耗、存儲器占用、處理性能要求和自動語音識別(ASR)性能。

　　A. 服務定義

　　考慮到音頻流用例不屬于低能耗藍牙標準配置文件，為實現(xiàn)語音流服務，BlueVoice應用在低能耗藍牙協(xié)議棧上，定義了一個叫做BlueVoice Service(BVS)的“廠商專用配置文件”，指定了服務器與客戶機之間交換語音數(shù)據(jù)的方式。此外，考慮到半雙工通信需要特別的設計選擇，本章稍后詳細討論這個問題。

　　如前文所述，屬性協(xié)議ATT是通用屬性配置文件GATT在不同設備之間交換數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議，屬性是ATT定義的最小的實體，是可尋址的信息段(內(nèi)置UUID標識碼)，可能含有用戶數(shù)據(jù)或關于屬性本身架構的元信息，例如，權限、加密和授權屬性。GATT服務器屬性按特定順序組成一個服務序列，序列開始部分是服務聲明屬性，后面跟一個或多個特征和可能的描述符。每個特征都是一個被披露的屬性。除標準配置文件UUID外，在定制應用中，開發(fā)人員可使用獨有的和廠商專用的UUID開發(fā)有自己特征的新服務，BlueVoice應用就是這種情況?？紤]到單向音頻流系統(tǒng)不對稱性，服務器通過BVS配置文件向客戶機披露數(shù)據(jù)類型和格式以及訪問方式。BVS服務包含下列屬性，如圖2所示。

　　服務聲明(Handle 0x0010)

　　– UUID: 標準16位UUID，用于主服務聲明(0x2800).

　　– 權限:讀

　　– 數(shù)值: 獨有128位BVS UUID.

　　特征聲明 (Handle 0x0011)

　　– UUID: 標準16位UUID，用于特征聲明 (0x2803).

　　– 權限: 讀

　　– 數(shù)值: 獨有128位音頻UUID, 僅用于通知, Handle: 0x012.

　　特征數(shù)據(jù) (Handle 0x0012)

　　– UUID: 獨有128位音頻UUID.

　　– 權限: 無

　　– 數(shù)值: 實際音頻數(shù)據(jù)

　　特征聲明 (Handle 0x0014)

　　– UUID: 標準16位UUID，用于特征聲明 (0x2803).

　　– 權限:讀

　　– 數(shù)值: 獨有128位同步UUID，僅用于通知，Handle: 0x0015.

　　特征數(shù)據(jù) (Handle 0x0015)

　　– UUID: 獨有128位同步UUID.

　　– 權限: 無

　　– 數(shù)值: 實際同步數(shù)據(jù)

　　根據(jù)該標準，主服務聲明是服務的第一個屬性，其數(shù)值域包含該聲明引入的UUID定義。BlueVoice應用聲明使用一個128位獨有的UUID(BVS UUID)。BVS包含兩個特征，分別叫做音頻(Audio)和同步(Sync) 特征。在低能耗藍牙規(guī)范中，每個特征至少包含兩個屬性，分別是特征聲明和特征數(shù)值。特征聲明以元數(shù)據(jù)的形式定義其屬性，特征數(shù)值則是包含實際特征數(shù)據(jù)。在BlueVoice情況中，音頻和同步特征都包含一個單一的由獨有128位UUID定義 (AudioData和SyncData UUID) 的屬性，分別含有實際音頻數(shù)據(jù)和邊信息同步數(shù)值。音頻和同步特征聲明將AudioData和SyncData屬性定義為”僅通知”，未取得客戶機的讀寫權限，表示音頻數(shù)據(jù)和同步數(shù)據(jù)只以通知的形式傳輸，服務器不答復客戶機。為與低能耗藍牙服務的分層架構一致，其它特征可能會增加到未來發(fā)布的BlueVoice應用。

　　圖2. BlueVoice服務(BVS)定義

　　B. 應用設計

　　本章主要介紹BlueVoice應用設計的(i)低能耗藍牙通信(ii)音頻處理。

　　1) 低能耗藍牙通信

　　按照低能耗藍牙協(xié)議，通信可以是多點廣播，也可以是點對點連接。BlueVoice應用鏈路層使用連接通信模式，在兩個設備之間建立永久性的點對點連接，這兩個設備扮演兩個不同的角色：中央設備和周邊設備。中央設備又稱主設備，支持與周邊設備(從設備)相關的復雜功能。中央設備是發(fā)起通信連接，執(zhí)行自適應跳頻，數(shù)據(jù)加密，管理通信時序，定義設備間數(shù)據(jù)交換方式。該角色分配符合低能耗藍牙的非對稱設計概，為能效要求高的設備分配更少的工作任務。電池供電的便攜設備通常是從設備，不過，必須說明的是，根據(jù)規(guī)范[1],每個設備在每個連接事件發(fā)生時可單獨發(fā)送數(shù)據(jù)，且角色不在數(shù)據(jù)吞吐量上強加限制或優(yōu)先權?？紤]到半雙工通信情況，BlueVoice應用可運行在自主的電池供電無線傳感設備上，且這些設備配備麥克風(和最終標量傳感器，如典型物聯(lián)網(wǎng)概念中無處不在的監(jiān)視應用), 因此，角色分配不再與收發(fā)功能有關。

　　在鏈路層之上，GATT層定義互動設備的客戶機和服務器角色，與前文描述的主設備和從設備無關。服務器是提供信息的設備，而客戶機是請求或接收最新信息的設備?？紤]到單向音頻流是非對稱系統(tǒng)，裝備麥克風的設備是唯一有語音信息的設備，因此可將其視為通信服務器，另一個設備是客戶機，向服務器發(fā)送信息請求，并接收服務器發(fā)起的含有語音數(shù)據(jù)的更新信息。在雙向通信系統(tǒng)中，語音數(shù)據(jù)是雙向傳輸，架構是對稱的，中央設備和周邊設備都配備麥克風，都可以充當服務器，輸出任何屬性格式的音頻數(shù)據(jù)。同時，服務器也能充當客戶機，發(fā)送信息請求，并接受另一個設備發(fā)送的更新信息。

　　雙向語音數(shù)據(jù)流是基于服務器以固定間隔向客戶機發(fā)送通知，不需要接收設備發(fā)送請求或回復信號。從設備在上電階段進入廣播模式，以低頻發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包，主設備進入搜索模式，掃描是否有其它設備存在，反之亦然。收到廣播數(shù)據(jù)包代表主設備發(fā)現(xiàn)了相關從設備，然后，主設備發(fā)送一個連接請求。在連接建立過程結束后，按照所選的通信傳輸方向：中央設備至周邊設備或周圍設備-中央設備，以固定間隔從服務器向客戶機發(fā)送含有音頻數(shù)據(jù)的異步通知數(shù)據(jù)包。圖3所示是BlueVoice在GATT 層的角色分配。

　　圖3：BlueVoice配置文件角色分配

　　2)音頻處理

　　BlueVoice的音頻處理目的是在根據(jù)應用所選的接收端上，取得8kHz 或16 kHz的目標音頻采樣。事實上，對于低功耗要求極其嚴格但是對音質(zhì)要求不高的應用場景，例如，無需人耳聽清楚的自動語音識別服務輸入音頻，8kHz采樣率可能是一個不錯的選擇。

　　使用自適應差分脈沖碼調(diào)制算法壓縮低能耗藍牙音頻傳輸信號，可使音頻信號適用于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時最大限度縮減射頻傳輸時間以及功耗。我們使用數(shù)字MEMS麥克風設計一個全數(shù)字解決方案，尺寸和音質(zhì)等特性使其適用于無線傳感器設備。圖4所示是16 kHz采樣率的完整語音處理鏈。該解決方案首先采集數(shù)字MEMS麥克風生成的1 MHz 的1位脈沖密度調(diào)制(PDM)信號，并將其轉(zhuǎn)換成16 kHz 的16位脈沖編碼調(diào)制(PCM)采樣，然后以16000個采樣/秒的采樣率，再將其壓縮成4位ADPCM采樣信號，并準備發(fā)送。

　　此外，以較低的頻率發(fā)送邊信息同步數(shù)據(jù)集合，所需帶寬是64 kbps音頻數(shù)據(jù)與300 bps同步信息數(shù)據(jù)之和，總計64.3 kbps。對于8kHz采樣率，最終ADPCM采樣率是8000個采樣/秒，導致31.3 kbps帶寬需求，包括邊信息。下面章節(jié)深入介紹上述模塊。

　　圖4：16kHz 配置的BlueVoice數(shù)據(jù)傳輸鏈

　　MEMS麥克風的容性傳感器生成的模擬信號經(jīng)放大和高速率采樣后，交由整合量化和噪聲修整操作的內(nèi)部sigma-delta調(diào)制器處理，輸出的數(shù)據(jù)是一個單一的高采樣率的PDM格式比特，PCM轉(zhuǎn)換是從PDM到無線通道發(fā)送壓縮音頻數(shù)據(jù)的整個處理鏈的中間環(huán)節(jié)。為了把PDM流轉(zhuǎn)換成PCM數(shù)據(jù)，需要使用一個抽取濾波器和兩個可單獨配置的濾波器(低通濾波器和高通濾波器。該處理模塊輸出16位PCM格式采樣流。按照所選采樣頻率，采用一個不同配置的抽取濾波器，以取得16位PCM數(shù)據(jù)采樣。

　　ADPCM編碼模塊壓縮PCM采樣，通過減少數(shù)據(jù)包傳輸量，節(jié)省傳輸帶寬，降低能耗，如前文所述，ADPCM 是一個用于損耗波形編碼的壓縮算法，其基本原理是根據(jù)上一個數(shù)值預測當前數(shù)值，只傳輸自適應量化步驟量化的實際值與預測值的差值。存在諸多可選壓縮標準，卻單單選用ADPCM標準，這是因為它是基于波形編碼方法，與基于聲碼器的復雜解決方案相比，更適用于傳感器網(wǎng)絡設備(通?；谖⒖刂破?。在BlueVoice應用中，每個16位PCM采樣都壓縮成4位ADPCM數(shù)據(jù)，這樣所需的應用傳輸帶寬是32 kbps或64 kbps，至于具體速率取決于采樣頻率，而且兼容低能耗藍牙流媒體功能。

　　如前文所述，BlueVoice應用的總體帶寬實際需求高于32 kbps或64 kbps的理論值，這是因為BlueVoice為提高通信穩(wěn)健性，在通過通道發(fā)送數(shù)據(jù)時增加了附加信息。16 kHz 配置采用10 ms連接間隔，而8 kHz 配置采用25 ms連接間隔。事實上，如果被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，可提高連接間隔數(shù)值，從而節(jié)省能源。為盡可能地利用每個數(shù)據(jù)包現(xiàn)有有效載荷，語音數(shù)據(jù)包發(fā)送20個字節(jié)。

　　因此，在16 kHz配置中，語音數(shù)據(jù)每10 ms發(fā)送4個數(shù)據(jù)包，而在8 kHz配置中，語音數(shù)據(jù)每20 ms發(fā)送4個數(shù)據(jù)包，結果傳輸帶寬分別是64 kbps和32 kbps。發(fā)送器的邊信息發(fā)送頻率較低，每160 ms發(fā)送一個6字節(jié)的附加包，對應16個或8個連接間隔。圖5描述了低能耗藍牙協(xié)議棧上的數(shù)據(jù)分組總體策略。通過音頻特征，每10ms或20 ms連接間隔，發(fā)送4個語音數(shù)據(jù)包(每包20字節(jié))，而發(fā)送器邊信息的發(fā)送是，通過同步特征，每160ms間隔發(fā)送一個附加數(shù)據(jù)包。

　　圖5：BlueVoice數(shù)據(jù)分組機制

　　C. 在實際硬件上實現(xiàn)應用

　　為了在支持低能耗藍牙通信的不是十分復雜的實際硬件無線傳感器網(wǎng)絡平臺上評估BlueVoice的可行性，我們在實際硬件設備上實現(xiàn)了第三章B部分所描述的應用軟件的全部功能。所選硬件平臺是意法半導體的STM32 Nucleo L476開發(fā)板[5]，這是一個基于STM32L476 80 MHz 32位ARM Cortex-M4微控制器的開放式開發(fā)平臺。我們選擇STM32 Nucleo開發(fā)板的原因是，板載微控制器的性能高于普通無線傳感器網(wǎng)絡平臺，同時還具備很高的靈活性和多功能性。該開發(fā)板配備很多接口和擴展排針，插接專用擴展板擴大板子功能簡單容易，方便設計人員研究、開發(fā)和驗證新創(chuàng)意。特別值得一提的是，STM32L4微控制器具有市場領先的低功耗特性，其內(nèi)置數(shù)字濾波器配合Sigma-Delta調(diào)制器(DFSDM)外設，可實現(xiàn)圖4的PDM至PCM的格式轉(zhuǎn)換，這些特性使其特別適合BlueVoice應用。通過在STM32Nucleo開發(fā)板上接插一塊低能耗藍牙連接板和一塊麥克風擴展板，BlueVoice中央模塊和周邊模塊可以組成一個基于STM32Nucleo的對稱硬件配置，展示一個半雙工通信通道。低能耗藍牙連接板基于意法半導體的BlueNRG [6]，BlueNRG是一個超低功耗的低能耗藍牙單模網(wǎng)絡處理器，兼容藍牙規(guī)范4.0版，可設為主設備和從設備模式，當?shù)湍芎乃{牙協(xié)議棧啟動時，數(shù)據(jù)傳輸最大電流8.2 mA，可降至1.7 uA。附加的麥克風擴展板用于采集語音信號，基于意法半導體的MP34DT01 [7]數(shù)字萬向MEMS 麥克風，聲學過載點120 dBSPL, 信噪比63 dB，靈敏度-26 dBFS。MP34DT01采用一個容式傳感器和一個內(nèi)置sigma-delta調(diào)制器和噪聲修整機制的集成電路，提供1-3.25 MHz的PDM輸出。

　　圖6是實際硬件設備的框圖：STM32微控制器通過與外設模塊DMA相連的DFSDM模塊采集麥克風的PDM采樣輸出，同時通過一套專用應用程序界面(API)和串行外設接口(SPI)與BlueNRG模塊通信，對于中央模塊和周邊模塊，模塊化架構是對稱的?？驁D中還有一個USB音頻接口，用于向PC機提供重構的音頻信號。圖7是硬件設備的實際原型。