使用低功耗藍牙，擺脫線纜束縛

簡介

隨著對附加傳感器、智能顯示器以及與外界聯(lián)系能力的需求不斷加強，設備和機器朝著更智能的方向發(fā)展。伴隨這些功能而來的是復雜度增加。由于設備出現(xiàn)故障時，需要打開設備或連接到端口進行問題診斷，這會造成防水難度增加、產(chǎn)品成本和設備的維修成本增加等多重局限。很多時候，由于成本或結構尺寸因素，設備無法使用專用顯示器。本文將討論智能設備中的一些問題，以及為什么越來越多地使用低功耗藍牙（BLE）來解決這些問題。

低功耗藍牙（BLE）

低功耗藍牙（BLE）是一種無線個人區(qū)域網(wǎng)絡技術，廣泛用于智能設備。隨著藍牙技術聯(lián)盟（SIG）采用了此項技術，BLE成為藍牙技術和生態(tài)系統(tǒng)的組成部分。如今，幾乎所有智能手機及其智能配件（如可穿戴手環(huán)、手表、健身設備等）均可使用該技術。

根據(jù)ABI Research的預測，從2020年到2024年，單模BLE市場有望實現(xiàn)3倍增長，累計出貨量將達到75億。單模BLE設備是指那些只有BLE且不與經(jīng)典藍牙結合使用的設備。這種驚人增長的原因是超低的電流消耗、更快且更安全的連接、更低的成本及更小的芯片尺寸。

BLE不僅可用于小型智能設備和具有用戶操作界面的設備，而且越來越多地用于與最終用戶關系無關的用途。許多情況下，BLE成為制造商生產(chǎn)設備的一部分。

本文將主要關注對制造商或服務提供商至關重要的用例。

應用案例

1.    輕松定制

具有特定額定功率的LED驅(qū)動器電源可用于驅(qū)動各種配置的LED。LED的參數(shù)可能各不相同。為每種類型的LED或配置制作專用電源效率非常低。同樣，傳感器節(jié)點安裝在室內(nèi)、室外或其他位置時可能需要不同的配置。很多時候，用戶可用的機器或設備中的菜單選項或界面也可能需要定制。

如果制造商為這些設備添加BLE接口，可實現(xiàn)批量生產(chǎn)并在部署階段實現(xiàn)定制。另外，還可避免對有線接口的需求，因為有線接口不僅昂貴，還會限制設備或機器的其他功能和美感。

2.    服務和維護

制造商的另一個主要關注點是有效且經(jīng)濟地提供產(chǎn)品的服務和維護。在傳統(tǒng)方法中，當產(chǎn)品出現(xiàn)故障或需要幫助時，用戶需要將產(chǎn)品帶到服務中心或由服務人員提供上門服務。大多數(shù)情況下，需要打開產(chǎn)品進行問題診斷或識別。一些產(chǎn)品配備有線接口，但其工作方式復雜且需要配合使用復雜的診斷設備。

如果產(chǎn)品自帶BLE連接，服務工程師可以通過手機上的特定應用程序或特定診斷設備無線訪問設備。還可為用戶提供遠程支持，利用應用程序連接設備并與維護工程師建立遠程連接。

BLE還可為最簡單的設備啟用預測性維護功能。這些設備可以將機器參數(shù)和傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至BLE連接的智能手機應用程序。應用程序則可將數(shù)據(jù)上傳至云端進行數(shù)據(jù)分析，以便在故障之前識別問題。

3.    固件升級

智能設備和機器的另一個關鍵要求是出廠后固件的升級能力。固件升級的原因多種多樣。下面列出固件升級的部分原因

-   已發(fā)布代碼中的錯誤修復

-   現(xiàn)有產(chǎn)品的改進

-   現(xiàn)有代碼損壞

-   更改用戶設置

如上一節(jié)所述，固件升級也是服務和維護的重要組成部分。BLE作為補充技術主要用于Sigfox和LoRa等低功耗廣域網(wǎng)絡（LPWAN）。由于這些技術針對遠程低數(shù)據(jù)速率進行了優(yōu)化，因此從固件升級和可維護性的角度來看，BLE更利于其應用。

BLE可實現(xiàn)固件無縫升級。BLE能充當手機和中央控制器或處理器之間的隱形橋梁，并允許代碼映像文件從智能手機傳輸?shù)教幚砥鞯目諆?nèi)存或?qū)Ｓ脙?nèi)存。新的代碼映像文件可以直接從云端推送至智能手機應用程序。某些情況下，還可以使用智能手機以外的專用網(wǎng)關設備進行固件升級。

4.    遠程讀取

在許多設備中，制造商想要獲取設備的使用數(shù)據(jù)并向客戶收取相應費用。如今，客戶使用的設備可以按使用量付費而非預付費用，即TaaS或物即服務。典型設備包括電能表、太陽能逆變器、凈水器等。

電能表是一個典型示例，其使用光端口讀取是一個非常復雜且慢長的過程。許多計時表的讀數(shù)都不易獲取。

此類公用事業(yè)儀表和電器中植入BLE可使維護工程師能夠非常輕松地收集儀表讀數(shù)。服務提供商還可以讓消費者使用他們的應用程序收集讀數(shù)并推送至云端。

5.    簡化的HMI

如上文所示，BLE使人機界面變得非常簡潔。在我們討論的用例中，用戶使用的和BLE連接的可以不是專用設備，移動電話的屏幕就可以成為交互的顯示設備。在某些工業(yè)設備中，也可以使用其他類型的集成顯示器或平板電腦。顯示器與主機分離有幾個優(yōu)點。不僅節(jié)省了設備的成本和資產(chǎn)折損，而且還能在不升級整個設備的情況下升級接口。手機應用程序的升級足以改變用戶體驗或服務體驗。

BlueNRG的設計靈活性

Bluetooth^?低功耗設備可以通過三種方式集成到智能設備和機器中

-   網(wǎng)絡處理器

-   數(shù)據(jù)泵

-   應用處理器

下面列出了每種模式的詳細信息：

網(wǎng)絡處理器模式：藍牙應用程序在系統(tǒng)的主微控制器或微處理器內(nèi)運行，而藍牙協(xié)議棧駐留在藍牙網(wǎng)絡處理器IC內(nèi)，處理來自微控制器或處理器的HCI/ACI命令。HCI/ACI命令是藍牙SIG或制造商定義的標準命令，用于與藍牙主機或控制器交互。

在此模式下，藍牙網(wǎng)絡處理器IC無需編程，所有應用程序均駐留在主控制器或處理器中。

數(shù)據(jù)泵模式：藍牙處理器充當中央控制器或處理器與外界的隱形接口。主控制器或處理器將數(shù)據(jù)推送至串行總線，如：UART或SPI。此信息由藍牙處理器內(nèi)部的應用程序代碼進行解釋，以便進一步處理和通信。

在這種模式下，主控制器或處理器端不要求具有藍牙的編程能力，只需要給藍牙處理燒錄相應程序，并保持UART/SPI接口兩端通訊正常即可。

應用處理器模式：作為唯一的單片架構，藍牙處理器是系統(tǒng)的主控制器。藍牙處理器不僅管理藍牙通信，還管理其他外圍設備，如：傳感器、LED、按鈕、存儲器等，主要用于較簡單的設備和小裝置。

意法半導體的BlueNRG系列設備可在單個設備中支持全部的三種模式，使客戶在設計過程中能夠進行靈活選擇。甚至可以在設備出廠后通過固件升級在網(wǎng)絡處理器和數(shù)據(jù)泵選項之間切換。

BlueNRG在設計靈活性方面的另外一大優(yōu)勢是該模塊的配置。BlueNRG模塊配備了板載天線、晶體和RF巴倫，從而提供了一種可靠的解決方案，確?？焖偕鲜小Ｔ摻鉀Q方案經(jīng)過藍牙認證專家（BQE）認證，同時還通過了RED、IC和FCC認證，可確?？焖偌傻阶罱K應用中。

為什么低功耗藍牙如此受歡迎？

如前所述，根據(jù)ABI Research（2020）預測，預計到2024年，單模藍牙LE設備的累計出貨量將達到75億顆。由于生態(tài)系統(tǒng)和技術方面的原因，藍牙技術廣受歡迎

-   便攜式設備之間使用標準連接

-   睡眠電流消耗小于 1uA，適合電池供電設備

-   藍牙5.0支持三種不同的PHY，可在范圍和數(shù)據(jù)速率之間選擇最佳優(yōu)化權衡

-   能夠在Mesh網(wǎng)絡中建立連接

-   采用先進的加密引擎和配對機制等。

意法半導體推出第三代藍牙低功耗設備BlueNRG-LP，不僅支持上述功能，而且是全球首款支持128并發(fā)連接的設備。同時采用了固件認證技術以提高代碼信息的安全性，通過驗證固件的合法性只允許具有合法簽名的固件程序在芯片上運行。

結論：

本文中討論的BLE不僅是將配件連接到智能手機的首選技術，同時還增強了設備的可維護性、診斷能力、固件能力和美感。這也促成了TaaS等新業(yè)務模式的出現(xiàn)。持續(xù)創(chuàng)新使BLE成為首選技術，意法半導體將不斷為客戶提供最前沿的創(chuàng)新技術。