使用低功耗藍(lán)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(shè)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(fù)雜度增加。由于設(shè)備出現(xiàn)故障時，需要打開設(shè)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(shè)備的維修成本增加等多重局限。很多時候，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，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(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(shè)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(shè)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(shè)備或機器的其他功能和美感。

2.服務(wù)和維護

制造商的另一個主要關(guān)注點是有效且經(jīng)濟地提供產(chǎn)品的服務(wù)和維護。在傳統(tǒng)方法中，當(dāng)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(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(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)備并與維護工程師建立遠(yuǎn)程連接。

BLE還可為最簡單的設(shè)備啟用預(yù)測性維護功能。這些設(shè)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(yīng)用程序。應(yīng)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(shè)備和機器的另一個關(guān)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(fù)

• 現(xiàn)有產(chǎn)品的改進

• 現(xiàn)有代碼損壞

• 更改用戶設(shè)置

如上一節(jié)所述，固件升級也是服務(wù)和維護的重要組成部分。BLE作為補充技術(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)針對遠(yuǎn)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(yīng)用。

BLE可實現(xiàn)固件無縫升級。BLE能充當(dāng)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(yīng)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(guān)設(shè)備進行固件升級。

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)費用。如今，客戶使用的設(shè)備可以按使用量付費而非預(yù)付費用，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。 

電能表是一個典型示例，其使用光端口讀取是一個非常復(fù)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(wù)提供商還可以讓消費者使用他們的應(yīng)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(shè)備，移動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。顯示器與主機分離有幾個優(yōu)點。不僅節(jié)省了設(shè)備的成本和資產(chǎn)折損，而且還能在不升級整個設(shè)備的情況下升級接口。手機應(yīng)用程序的升級足以改變用戶體驗或服務(wù)體驗。

BlueNRG的設(shè)計靈活性

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(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、存儲器等，主要用于較簡單的設(shè)備和小裝置。 

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

BlueNRG在設(shè)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(lán)牙認(rèn)證專家（BQE）認(rèn)證，同時還通過了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，預(yù)計到2024年，單模藍(lán)牙LE設(shè)備的累計出貨量將達到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

• 采用先進的加密引擎和配對機制等。

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(jié)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(shù)，同時還增強了設(shè)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(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)。