低功耗藍(lán)牙物聯(lián)網(wǎng)電路設(shè)計(jì)方案分享

具有藍(lán)牙功能的IoT設(shè)備可通過智能手機(jī)和其他網(wǎng)關(guān)設(shè)備提供即時(shí)可用的數(shù)據(jù)訪問。但電池供電的低功耗IoT解決方案的設(shè)計(jì)在無線檢測(cè)以及高能耗通信子系統(tǒng)的優(yōu)化方面依然面臨挑戰(zhàn)。對(duì)于上市時(shí)間排程極度緊迫的設(shè)計(jì)人員而言，必須簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)任務(wù)。

為幫助開發(fā)人員應(yīng)對(duì)低功耗設(shè)計(jì)復(fù)雜性和上市時(shí)間壓力帶來的挑戰(zhàn)，意法半導(dǎo)體和EnmoTechnologies分別將其各自的SensorTile開發(fā)套件和藍(lán)牙軟件專業(yè)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合。他們攜手推出了一種簡(jiǎn)單的方法，用于快速開發(fā)能夠滿足緊張的功率預(yù)算的電池供電IoT設(shè)備。

IoT硬件和軟件未必費(fèi)力

對(duì)于希望利用無處不在的藍(lán)牙移動(dòng)設(shè)備的設(shè)計(jì)人員而言，集成式藍(lán)牙解決方案的出現(xiàn)令他們?nèi)缁⑻硪?。除了降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性以外，現(xiàn)成的藍(lán)牙解決方案可直接加速市場(chǎng)投放，因?yàn)檫@些解決方案往往已通過認(rèn)證，符合監(jiān)管要求。但對(duì)于大多數(shù)開發(fā)人員而言，將這些包含多個(gè)傳感器的精密IC與一個(gè)主機(jī)MCU組合起來的任務(wù)，依然是一個(gè)漫長(zhǎng)而復(fù)雜的過程。此外，即使是經(jīng)驗(yàn)最豐富的開發(fā)團(tuán)隊(duì)，面對(duì)相關(guān)軟件驅(qū)動(dòng)程序、中間件和應(yīng)用軟件的開發(fā)也可能舉步維艱。

意法半導(dǎo)體的SensorTile開發(fā)套件提供了一套完整的IoT開發(fā)解決方案，它組合了一塊無線傳感器系統(tǒng)板、一對(duì)載板和一個(gè)綜合軟件開發(fā)包。EnmoTechnologies的IoT.Over.Beacon軟件平臺(tái)旨在與SensorTile環(huán)境配合使用，可提供獨(dú)特的解決方案，最大限度降低具有藍(lán)牙功能的IoT設(shè)計(jì)的功耗。搭配使用SensorTile套件和Enmo平臺(tái)，開發(fā)人員便能以最少的工作實(shí)施完整的低功耗IoT設(shè)備解決方案，或使用相同的硬件和軟件組件作為定制設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)

作為套件的核心組件，SensorTile核心系統(tǒng)板是采用13.5mmx13.5mm封裝且具有藍(lán)牙功能的獨(dú)立傳感器系統(tǒng)。該核心系統(tǒng)以基于32位ARM?Cortex?-M4F的STM32L4MCU為基礎(chǔ)，包含意法半導(dǎo)體BlueNRG藍(lán)牙收發(fā)器和多個(gè)傳感器，所有組件均通過SPI連接或?qū)Ｓ?a target="_blank">接口進(jìn)行通信（圖1）。

ST為該板打包了自己的全套傳感器，包括LSM6DSM慣性測(cè)量裝置（IMU）、LSM303AGR電子羅盤模塊、LPS22HB壓力傳感器及其MP34DT04MEMS麥克風(fēng)。連同板載的低壓差（LDO）穩(wěn)壓器，核心板包含意法半導(dǎo)體BALF-NRG-01D3小型平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，其中集成了一個(gè)諧波濾波器和專為BlueNRG收發(fā)器定制的匹配網(wǎng)絡(luò)。TDKANT016008LCS2442MA1多層天線補(bǔ)全了無線傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

開發(fā)人員可使用兩種不同的方案將核心板連接到套件配套的載板，或其自己的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在板的兩側(cè)，開發(fā)人員可利用一組焊盤將其焊接到鞍形板或其他PC板。板的背面包含一個(gè)連接器，用于將其安裝到擴(kuò)展板或其他任何具有相應(yīng)連接器的電纜或板（圖2）。

PC板焊盤和背面連接器均引出了多個(gè)MCU引腳，包括SPI、I2C和UART接口，一個(gè)脈沖密度調(diào)制（PDM）接口，多個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）以及ST的串行線調(diào)試（SWD）接口（圖3）。

盡管核心板可用作獨(dú)立解決方案，但套件的載板為設(shè)計(jì)人員提供了基于SensorTile開發(fā)和部署IoT設(shè)計(jì)的替代方案。鞍形板和配套的原理圖說明了開發(fā)人員如何使用更多傳感器和其他外設(shè)來擴(kuò)充核心系統(tǒng)。該板包括一個(gè)用于濕度和溫度的意法半導(dǎo)體HTS221傳感器。此外，鞍形板還包括SD卡插座、micro-USB接口、開關(guān)和電池組。設(shè)計(jì)人員只需將核心板焊接到鞍形上的相應(yīng)焊盤，便可利用更多外設(shè)。完成開發(fā)后，設(shè)計(jì)人員可在交貨時(shí)移除鞍形板的可折斷SWD接口。

套件的擴(kuò)展板提供了一種更為簡(jiǎn)單的方法來開發(fā)定制設(shè)計(jì)。開發(fā)人員只需使用專用連接器將核心板插入擴(kuò)展板即可（圖2）。連同用于軟件開發(fā)的SWD接口，擴(kuò)展板提供了包括micro-USB連接器、音頻插孔和Arduino兼容型連接器在內(nèi)的更多連接器。

即時(shí)部署

開發(fā)人員只需將核心板插入擴(kuò)展板（或?qū)⑵浜附拥桨靶伟迳希ㄟ^USB將其連接到主機(jī)PC以獲取電源，然后下載受支持的Android或iOS移動(dòng)應(yīng)用程序，便可開始探索具有藍(lán)牙功能的IoT設(shè)計(jì)。開發(fā)套件附帶的核心系統(tǒng)已使用支持三種樣例應(yīng)用程序的固件進(jìn)行編程，這些應(yīng)用程序?qū)⒌凸乃{(lán)牙（BLE）與適用于Android或iOS的STBlueMS應(yīng)用程序配合使用，分別演示了將傳感器數(shù)據(jù)記錄到SD卡、MEMS麥克風(fēng)音頻流和傳感器數(shù)據(jù)流等應(yīng)用。

除了提供用于即時(shí)部署SensorTile應(yīng)用程序的軟件以外，這些樣例應(yīng)用程序還可作為使用SensorTile的多層架構(gòu)的指導(dǎo)。連同ARMCortex微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn)（CMSIS）元器件，意法半導(dǎo)體基于自己的STM32Cube環(huán)境提供硬件抽象層（HAL）和板級(jí)支持包（BSP）。這些層反過來與STLCS01V1核心板、STLCX01V1擴(kuò)展板和STLCR01V1鞍形板上的基礎(chǔ)硬件接口（圖4）。

分層架構(gòu)盡管看似復(fù)雜，但為開發(fā)人員提供了傳感器數(shù)據(jù)采集和無線通信的簡(jiǎn)單抽象視圖。例如，BLE流應(yīng)用程序演示了開發(fā)人員只需在主等待循環(huán)之前調(diào)用若干初始化例程便可（列表1）。主循環(huán)等待關(guān)鍵事件，包括用于指定傳感器數(shù)據(jù)采樣之間的等待時(shí)間的定時(shí)器到期。當(dāng)定時(shí)器處理程序設(shè)置SendEnv=1，該例程便會(huì)使用單個(gè)調(diào)用。

SendEnvironmentalData例程以步進(jìn)方式遍歷各個(gè)傳感器，使用BSP例程采集各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。例如，壓力傳感器BSP例程BSP_PRESSURE_Get_Press（）將更新壓力傳感器設(shè)備特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包含的數(shù)據(jù)。SendEnvironmentalData例程隨后使用相應(yīng)的調(diào)用，通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紹lueNRG服務(wù)例程MCR_BLUEMS_F2I_2D（）。

設(shè)計(jì)人員可采用提供的軟件應(yīng)用程序并加入少許更改，也可根據(jù)自己的定制需求進(jìn)行改寫。SensorTile軟件環(huán)境受意法半導(dǎo)體STM32開放式開發(fā)環(huán)境（STM32ODE）支持，旨在支持開源軟件庫和框架。套件已使用ST的BLUEMICROSYSTEM開放式框架固件進(jìn)行預(yù)編程。

意法半導(dǎo)體的開放式環(huán)境為開發(fā)人員提供了另一重大好處。他們可以利用旨在增強(qiáng)功能的第三方軟件庫，而不是繼續(xù)局限于特定的機(jī)制。對(duì)于有功率限制的IoT設(shè)備，此功能在利用能效更高的機(jī)制時(shí)變得尤其重要。

降低電源要求

對(duì)于許多IoT應(yīng)用而言，相關(guān)的無線傳感器系統(tǒng)依賴于電池電量，并且需要符合嚴(yán)格的功率預(yù)算。SensorTile核心系統(tǒng)通過使用低功耗器件滿足這一硬件要求。例如，在環(huán)境和運(yùn)動(dòng)應(yīng)用中通常所需的低速率下，傳感器只需要微安級(jí)別的功耗。LSM6DSMIMU在12.5Hz的采樣率下僅使用9μA電流，LSM303AGR電子羅盤在20Hz下僅需200μA電流，LPS22HB壓力傳感器在1Hz下需要的電流不超過12μA。

此外，STM32L476MCU在運(yùn)行模式下只需100μA/MHz（24MHz）。BlueNRG藍(lán)牙收發(fā)器IC在維持一個(gè)有源BLE堆棧的待機(jī)模式下僅消耗1.7μA電流。即便如此，有源無線傳輸往往仍消耗了主要功率份額，SensorTile也不例外。BlueNRG收發(fā)器在8.2mA電流下以0dBm傳輸數(shù)據(jù)，非常適合低功耗應(yīng)用，但即便如此，仍是功率受限型設(shè)計(jì)的用電大戶。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可通過簡(jiǎn)單的權(quán)宜之計(jì)，即減少無線傳輸事務(wù)的數(shù)量并縮短其持續(xù)時(shí)間，來解決與無線通信相關(guān)的功耗挑戰(zhàn)。不過，使用標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙通信，開發(fā)人員只有很少幾個(gè)選項(xiàng)用于限制功耗。具有藍(lán)牙功能的典型應(yīng)用依賴于使用重復(fù)輪詢檢查的設(shè)備發(fā)現(xiàn)和配對(duì)，這會(huì)造成大量功耗而并無實(shí)際數(shù)據(jù)交換。而且，標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙配對(duì)會(huì)給IoT部署帶來嚴(yán)重的后勤復(fù)雜性，因?yàn)槊總€(gè)IoT設(shè)備都需要置于發(fā)現(xiàn)模式。其次，它必須采用手動(dòng)方式與移動(dòng)設(shè)備或其他數(shù)據(jù)聚合器配對(duì)。

藍(lán)牙的信標(biāo)機(jī)制提供了可消除與發(fā)現(xiàn)和配對(duì)相關(guān)的功耗和后勤問題的備選方案。不幸的是，標(biāo)準(zhǔn)信標(biāo)不能攜帶任何數(shù)據(jù)有效載荷（例如傳感器數(shù)據(jù)）。

不過，利用其IoT.Over.Beacon技術(shù)，EnmoTechnologies可將信標(biāo)技術(shù)的省電優(yōu)勢(shì)與藍(lán)牙配對(duì)設(shè)備技術(shù)的數(shù)據(jù)交換功能相結(jié)合。因此，Enmo的機(jī)制可提供多達(dá)50KB的可變大小有效載荷，同時(shí)還能滿足長(zhǎng)時(shí)間操作電池供電IoT設(shè)備所需的低功耗要求。

與本機(jī)SensorTile環(huán)境一樣，開發(fā)人員可利用Enmo的參考固件。盡管Enmo參考固件被處理為對(duì)開發(fā)人員保持透明，但它將低級(jí)意法半導(dǎo)體調(diào)用替換為對(duì)其適用于SensorTile的專有IoT.Over.Beacon庫的調(diào)用。

為此，開發(fā)人員需要使用STM32ST-Link實(shí)用程序來加載參考固件，該實(shí)用程序提供了簡(jiǎn)單的圖形用戶界面來選擇和上傳文件。Enmo參考固件被加載到SensorTile核心板后，將通過低功耗藍(lán)牙連接與Enmo的Android和iOS移動(dòng)應(yīng)用程序交互。開發(fā)人員可以在Enmo應(yīng)用程序中輕松顯示SensorTile數(shù)據(jù)，即，使用小工具將傳感器數(shù)據(jù)顯示為圖形或表格（圖5）。

傳統(tǒng)藍(lán)牙信標(biāo)的一項(xiàng)關(guān)鍵功能是，它們能夠在移動(dòng)設(shè)備進(jìn)入和離開具有信標(biāo)功能的應(yīng)用程序所覆蓋的物理區(qū)域時(shí)觸發(fā)。但對(duì)于IoT設(shè)備，物理進(jìn)入和退出的概念可能不適用。

Enmo提供了專有機(jī)制來模仿藍(lán)牙信標(biāo)的傳統(tǒng)進(jìn)入和退出模式。在這里，開發(fā)人員為IoT設(shè)備指定觸發(fā)進(jìn)入和退出的條件。例如，某個(gè)溫度檢測(cè)IoT設(shè)備可能會(huì)在溫度變化至高于或低于某個(gè)設(shè)定的閾值時(shí)啟動(dòng)“進(jìn)入”或“退出”協(xié)議。

與本機(jī)SensorTile軟件包一樣，用于SensorTile的Enmo參考固件提供了一種即時(shí)解決方案，用于快速部署具有藍(lán)牙功能的低功耗IoT設(shè)備。類似地，針對(duì)定制SensorTile開發(fā)，Enmo提供了一個(gè)軟件開發(fā)套件（SDK），可允許工程師將Enmo的IoT.Over.Beacon機(jī)制集成到自己獨(dú)有的SensorTileIoT應(yīng)用。利用EnmoSDK，開發(fā)人員使用意法半導(dǎo)體環(huán)境編寫定制的SensorTile固件，在需要通過藍(lán)牙發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)調(diào)用Enmo的IoT.Over.Beacon庫。該庫將在IoT.Over.Beacon模式下透明地執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸，并在完成傳輸后提供軟件回調(diào)。

總結(jié)

電池供電的IoT設(shè)計(jì)為希望快速部署具有藍(lán)牙功能的傳感器設(shè)備的開發(fā)人員造成了重大障礙。意法半導(dǎo)體SensorTile開發(fā)套件提供了完整的解決方案，該解決方案可用作獨(dú)立設(shè)備，也可作為子系統(tǒng)添加到現(xiàn)有設(shè)計(jì)。盡管SensorTile具有低功耗要求，但標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙協(xié)議可能會(huì)快速耗盡電池供電系統(tǒng)的電量。

通過將STSensorTile與EnmoTechnologies獨(dú)有的IoT.Over.Beacon平臺(tái)相結(jié)合，開發(fā)人員可快速部署具有藍(lán)牙功能并且能夠符合嚴(yán)格的功率預(yù)算的傳感器。