使用低功耗蓝牙，摆脱线缆束缚

作者: Vishal GOYAL，意法半导体南亚及印度技术营销经理

简介

随着对附加传感器、智能显示器以及与外界联系能力的需求不断加强，设备和机器朝着更智能的方向发展。伴随这些功能而来的是复杂度增加。由于设备出现故障时，需要打开设备或连接到端口进行问题诊断，这会造成防水难度增加、产品成本和设备的维修成本增加等多重局限。很多时候，由于成本或结构尺寸因素，设备无法使用专用显示器。本文将讨论智能设备中的一些问题，以及为什么越来越多地使用低功耗蓝牙（BLE）来解决这些问题。

低功耗蓝牙（BLE）

低功耗蓝牙（BLE）是一种无线个人区域网络技术，广泛用于智能设备。随着蓝牙技术联盟（SIG）采用了此项技术，BLE成为蓝牙技术和生态系统的组成部分。如今，几乎所有智能手机及其智能配件（如可穿戴手环、手表、健身设备等）均可使用该技术。

根据ABI Research的预测，从2020年到2024年，单模BLE市场有望实现3倍增长，累计出货量将达到75亿。单模BLE设备是指那些只有BLE且不与经典蓝牙结合使用的设备。这种惊人增长的原因是超低的电流消耗、更快且更安全的连接、更低的成本及更小的芯片尺寸。

BLE不仅可用于小型智能设备和具有用户操作界面的设备，而且越来越多地用于与最终用户关系无关的用途。许多情况下，BLE成为制造商生产设备的一部分。

本文将主要关注对制造商或服务提供商至关重要的用例。

应用案例

1. 轻松定制

具有特定额定功率的LED驱动器电源可用于驱动各种配置的LED。LED的参数可能各不相同。为每种类型的LED或配置制作专用电源效率非常低。同样，传感器节点安装在室内、室外或其他位置时可能需要不同的配置。很多时候，用户可用的机器或设备中的菜单选项或界面也可能需要定制。

如果制造商为这些设备添加BLE接口，可实现批量生产并在部署阶段实现定制。另外，还可避免对有线接口的需求，因为有线接口不仅昂贵，还会限制设备或机器的其他功能和美感。

2. 服务和维护

制造商的另一个主要关注点是有效且经济地提供产品的服务和维护。在传统方法中，当产品出现故障或需要帮助时，用户需要将产品带到服务中心或由服务人员提供上门服务。大多数情况下，需要打开产品进行问题诊断或识别。一些产品配备有线接口，但其工作方式复杂且需要配合使用复杂的诊断设备。

如果产品自带BLE连接，服务工程师可以通过手机上的特定应用程序或特定诊断设备无线访问设备。还可为用户提供远程支持，利用应用程序连接设备并与维护工程师建立远程连接。

BLE还可为最简单的设备启用预测性维护功能。这些设备可以将机器参数和传感器数据发送至BLE连接的智能手机应用程序。应用程序则可将数据上传至云端进行数据分析，以便在故障之前识别问题。

3. 固件升级

智能设备和机器的另一个关键要求是出厂后固件的升级能力。固件升级的原因多种多样。下面列出固件升级的部分原因

-  已发布代码中的错误修复
-  现有产品的改进
-  现有代码损坏
-  更改用户设置

如上一节所述，固件升级也是服务和维护的重要组成部分。BLE作为补充技术主要用于Sigfox和LoRa等低功耗广域网络（LPWAN）。由于这些技术针对远程低数据速率进行了优化，因此从固件升级和可维护性的角度来看，BLE更利于其应用。

BLE可实现固件无缝升级。BLE能充当手机和中央控制器或处理器之间的隐形桥梁，并允许代码映像文件从智能手机传输到处理器的空内存或专用内存。新的代码映像文件可以直接从云端推送至智能手机应用程序。某些情况下，还可以使用智能手机以外的专用网关设备进行固件升级。

4. 远程读取

在许多设备中，制造商想要获取设备的使用数据并向客户收取相应费用。如今，客户使用的设备可以按使用量付费而非预付费用，即TaaS或物即服务。典型设备包括电能表、太阳能逆变器、净水器等。

电能表是一个典型示例，其使用光端口读取是一个非常复杂且慢长的过程。许多计时表的读数都不易获取。

此类公用事业仪表和电器中植入BLE可使维护工程师能够非常轻松地收集仪表读数。服务提供商还可以让消费者使用他们的应用程序收集读数并推送至云端。

5. 简化的HMI

如上文所示，BLE使人机界面变得非常简洁。在我们讨论的用例中，用户使用的和BLE连接的可以不是专用设备，移动电话的屏幕就可以成为交互的显示设备。在某些工业设备中，也可以使用其他类型的集成显示器或平板电脑。显示器与主机分离有几个优点。不仅节省了设备的成本和资产折损，而且还能在不升级整个设备的情况下升级接口。手机应用程序的升级足以改变用户体验或服务体验。

BlueNRG的设计灵活性

Bluetooth®低功耗设备可以通过三种方式集成到智能设备和机器中

-  网络处理器
-  数据泵
-  应用处理器

下面列出了每种模式的详细信息：

网络处理器模式：蓝牙应用程序在系统的主微控制器或微处理器内运行，而蓝牙协议栈驻留在蓝牙网络处理器IC内，处理来自微控制器或处理器的HCI/ACI命令。HCI/ACI命令是蓝牙SIG或制造商定义的标准命令，用于与蓝牙主机或控制器交互。

在此模式下，蓝牙网络处理器IC无需编程，所有应用程序均驻留在主控制器或处理器中。

数据泵模式：蓝牙处理器充当中央控制器或处理器与外界的隐形接口。主控制器或处理器将数据推送至串行总线，如：UART或SPI。此信息由蓝牙处理器内部的应用程序代码进行解释，以便进一步处理和通信。

在这种模式下，主控制器或处理器端不要求具有蓝牙的编程能力，只需要给蓝牙处理烧录相应程序，并保持UART/SPI接口两端通讯正常即可。

应用处理器模式：作为唯一的单片架构，蓝牙处理器是系统的主控制器。蓝牙处理器不仅管理蓝牙通信，还管理其他外围设备，如：传感器、LED、按钮、存储器等，主要用于较简单的设备和小装置。

意法半导体的BlueNRG系列设备可在单个设备中支持全部的三种模式，使客户在设计过程中能够进行灵活选择。甚至可以在设备出厂后通过固件升级在网络处理器和数据泵选项之间切换。

BlueNRG在设计灵活性方面的另外一大优势是该模块的配置。BlueNRG模块配备了板载天线、晶体和RF巴伦，从而提供了一种可靠的解决方案，确保快速上市。该解决方案经过蓝牙认证专家（BQE）认证，同时还通过了RED、IC和FCC认证，可确保快速集成到最终应用中。

为什么低功耗蓝牙如此受欢迎？

如前所述，根据ABI Research（2020）预测，预计到2024年，单模蓝牙LE设备的累计出货量将达到75亿颗。由于生态系统和技术方面的原因，蓝牙技术广受欢迎

-  便携式设备之间使用标准连接
-  睡眠电流消耗小于 1uA，适合电池供电设备
-  蓝牙5.0支持三种不同的PHY，可在范围和数据速率之间选择最佳优化权衡
-  能够在Mesh网络中建立连接
-  采用先进的加密引擎和配对机制等。


意法半导体推出第三代蓝牙低功耗设备BlueNRG-LP，不仅支持上述功能，而且是全球首款支持128并发连接的设备。同时采用了固件认证技术以提高代码信息的安全性，通过验证固件的合法性只允许具有合法签名的固件程序在芯片上运行。

结论：

本文中讨论的BLE不仅是将配件连接到智能手机的首选技术，同时还增强了设备的可维护性、诊断能力、固件能力和美感。这也促成了TaaS等新业务模式的出现。持续创新使BLE成为首选技术，意法半导体将不断为客户提供最前沿的创新技术。