使用低功耗藍(lán)牙，擺脫線纜束縛

簡(jiǎn)介

隨著對(duì)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(qiáng)，設(shè)備和機(jī)器朝著更智能的方向發(fā)展。伴隨這些功能而來的是復(fù)雜度增加。由于設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，需要打開設(shè)備或連接到端口進(jìn)行問題診斷，這會(huì)造成防水難度增加、產(chǎn)品成本和設(shè)備的維修成本增加等多重局限。很多時(shí)候，由于成本或結(jié)構(gòu)尺寸因素，設(shè)備無法使用專用顯示器。本文將討論智能設(shè)備中的一些問題，以及為什么越來越多地使用低功耗藍(lán)牙(BLE)來解決這些問題。

低功耗藍(lán)牙(BLE)

低功耗藍(lán)牙(BLE)是一種無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，廣泛用于智能設(shè)備。隨著藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)采用了此項(xiàng)技術(shù)，BLE成為藍(lán)牙技術(shù)和生態(tài)系統(tǒng)的組成部分。如今，幾乎所有智能手機(jī)及其智能配件(如可穿戴手環(huán)、手表、健身設(shè)備等)均可使用該技術(shù)。

根據(jù)ABI Research的預(yù)測(cè)，從2020年到2024年，單模BLE市場(chǎng)有望實(shí)現(xiàn)3倍增長(zhǎng)，累計(jì)出貨量將達(dá)到75億。單模BLE設(shè)備是指那些只有BLE且不與經(jīng)典藍(lán)牙結(jié)合使用的設(shè)備。這種驚人增長(zhǎng)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(shè)備和具有用戶操作界面的設(shè)備，而且越來越多地用于與最終用戶關(guān)系無關(guān)的用途。許多情況下，BLE成為制造商生產(chǎn)設(shè)備的一部分。

本文將主要關(guān)注對(duì)制造商或服務(wù)提供商至關(guān)重要的用例。

應(yīng)用案例

1. 輕松定制

具有特定額定功率的LED驅(qū)動(dòng)器電源可用于驅(qū)動(dòng)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(diǎn)安裝在室內(nèi)、室外或其他位置時(shí)可能需要不同的配置。很多時(shí)候，用戶可用的機(jī)器或設(shè)備中的菜單選項(xiàng)或界面也可能需要定制。

如果制造商為這些設(shè)備添加BLE接口，可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)并在部署階段實(shí)現(xiàn)定制。另外，還可避免對(duì)有線接口的需求，因?yàn)橛芯€接口不僅昂貴，還會(huì)限制設(shè)備或機(jī)器的其他功能和美感。

2. 服務(wù)和維護(hù)

制造商的另一個(gè)主要關(guān)注點(diǎn)是有效且經(jīng)濟(jì)地提供產(chǎn)品的服務(wù)和維護(hù)。在傳統(tǒng)方法中，當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)故障或需要幫助時(shí)，用戶需要將產(chǎn)品帶到服務(wù)中心或由服務(wù)人員提供上門服務(wù)。大多數(shù)情況下，需要打開產(chǎn)品進(jìn)行問題診斷或識(shí)別。一些產(chǎn)品配備有線接口，但其工作方式復(fù)雜且需要配合使用復(fù)雜的診斷設(shè)備。

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

BLE還可為最簡(jiǎn)單的設(shè)備啟用預(yù)測(cè)性維護(hù)功能。這些設(shè)備可以將機(jī)器參數(shù)和傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至BLE連接的智能手機(jī)應(yīng)用程序。應(yīng)用程序則可將數(shù)據(jù)上傳至云端進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以便在故障之前識(shí)別問題。

3. 固件升級(jí)

智能設(shè)備和機(jī)器的另一個(gè)關(guān)鍵要求是出廠后固件的升級(jí)能力。固件升級(jí)的原因多種多樣。下面列出固件升級(jí)的部分原因

- 已發(fā)布代碼中的錯(cuò)誤修復(fù)

- 現(xiàn)有產(chǎn)品的改進(jìn)

- 現(xiàn)有代碼損壞

- 更改用戶設(shè)置

如上一節(jié)所述，固件升級(jí)也是服務(wù)和維護(hù)的重要組成部分。BLE作為補(bǔ)充技術(shù)主要用于Sigfox和LoRa等低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)(LPWAN)。由于這些技術(shù)針對(duì)遠(yuǎn)程低數(shù)據(jù)速率進(jìn)行了優(yōu)化，因此從固件升級(jí)和可維護(hù)性的角度來看，BLE更利于其應(yīng)用。

BLE可實(shí)現(xiàn)固件無縫升級(jí)。BLE能充當(dāng)手機(jī)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(jī)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(jī)應(yīng)用程序。某些情況下，還可以使用智能手機(jī)以外的專用網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行固件升級(jí)。

4. 遠(yuǎn)程讀取

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

電能表是一個(gè)典型示例，其使用光端口讀取是一個(gè)非常復(fù)雜且慢長(zhǎng)的過程。許多計(jì)時(shí)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(hù)工程師能夠非常輕松地收集儀表讀數(shù)。服務(wù)提供商還可以讓消費(fèi)者使用他們的應(yīng)用程序收集讀數(shù)并推送至云端。

5. 簡(jiǎn)化的HMI

如上文所示，BLE使人機(jī)界面變得非常簡(jiǎn)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(shè)備，移動(dòng)電話的屏幕就可以成為交互的顯示設(shè)備。在某些工業(yè)設(shè)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(jī)分離有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。不僅節(jié)省了設(shè)備的成本和資產(chǎn)折損，而且還能在不升級(jí)整個(gè)設(shè)備的情況下升級(jí)接口。手機(jī)應(yīng)用程序的升級(jí)足以改變用戶體驗(yàn)或服務(wù)體驗(yàn)。

BlueNRG的設(shè)計(jì)靈活性

Bluetooth®低功耗設(shè)備可以通過三種方式集成到智能設(shè)備和機(jī)器中

- 網(wǎng)絡(luò)處理器

- 數(shù)據(jù)泵

- 應(yīng)用處理器

下面列出了每種模式的詳細(xì)信息：

網(wǎng)絡(luò)處理器模式：藍(lán)牙應(yīng)用程序在系統(tǒng)的主微控制器或微處理器內(nèi)運(yùn)行，而藍(lán)牙協(xié)議棧駐留在藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)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(lán)牙SIG或制造商定義的標(biāo)準(zhǔn)命令，用于與藍(lán)牙主機(jī)或控制器交互。

在此模式下，藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)處理器IC無需編程，所有應(yīng)用程序均駐留在主控制器或處理器中。

數(shù)據(jù)泵模式：藍(lán)牙處理器充當(dāng)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(lán)牙處理器內(nèi)部的應(yīng)用程序代碼進(jìn)行解釋，以便進(jìn)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(lán)牙的編程能力，只需要給藍(lán)牙處理燒錄相應(yīng)程序，并保持UART/SPI接口兩端通訊正常即可。

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

意法半導(dǎo)體的BlueNRG系列設(shè)備可在單個(gè)設(shè)備中支持全部的三種模式，使客戶在設(shè)計(jì)過程中能夠進(jìn)行靈活選擇。甚至可以在設(shè)備出廠后通過固件升級(jí)在網(wǎng)絡(luò)處理器和數(shù)據(jù)泵選項(xiàng)之間切換。

BlueNRG在設(shè)計(jì)靈活性方面的另外一大優(yōu)勢(shì)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?。該解決方案經(jīng)過藍(lán)牙認(rèn)證專家(BQE)認(rèn)證，同時(shí)還通過了RED、IC和FCC認(rèn)證，可確?？焖偌傻阶罱K應(yīng)用中。

為什么低功耗藍(lán)牙如此受歡迎?

如前所述，根據(jù)ABI Research(2020)預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)到2024年，單模藍(lán)牙LE設(shè)備的累計(jì)出貨量將達(dá)到75億顆。由于生態(tài)系統(tǒng)和技術(shù)方面的原因，藍(lán)牙技術(shù)廣受歡迎

- 便攜式設(shè)備之間使用標(biāo)準(zhǔn)連接

- 睡眠電流消耗小于 1uA，適合電池供電設(shè)備

- 藍(lán)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(quán)衡

- 能夠在Mesh網(wǎng)絡(luò)中建立連接

- 采用先進(jìn)的加密引擎和配對(duì)機(jī)制等。

意法半導(dǎo)體推出第三代藍(lán)牙低功耗設(shè)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(shè)備。同時(shí)采用了固件認(rèn)證技術(shù)以提高代碼信息的安全性，通過驗(yàn)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(yùn)行。

結(jié)論：

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