開發(fā)平臺加快開發(fā)具有藍牙功能的低功耗IoT設(shè)計

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

為幫助開發(fā)人員應(yīng)對低功耗設(shè)計復(fù)雜性和上市時間壓力帶來的挑戰(zhàn)，STMicroelectronics 和 Enmo Technologies 分別將其各自的 SensorTile 開發(fā)套件和藍牙軟件專業(yè)技術(shù)進行結(jié)合。他們攜手推出了一種簡單的方法，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 硬件和軟件未必費力

對于希望利用無處不在的藍牙移動設(shè)備的設(shè)計人員而言，集成式藍牙解決方案的出現(xiàn)令他們?nèi)缁⑻硪怼３私档驮O(shè)計復(fù)雜性以外，現(xiàn)成的藍牙解決方案可直接加速市場投放，因為這些解決方案往往已通過認證，符合監(jiān)管要求。但對于大多數(shù)開發(fā)人員而言，將這些包含多個傳感器的精密 IC 與一個主機 MCU 組合起來的任務(wù)，依然是一個漫長而復(fù)雜的過程。此外，即使是經(jīng)驗最豐富的開發(fā)團隊，面對相關(guān)軟件驅(qū)動程序、中間件和應(yīng)用軟件的開發(fā)也可能舉步維艱。

STMicroelectronics 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、一對載板和一個綜合軟件開發(fā)包。Enmo Technologies 的 IoT.Over.Beacon 軟件平臺旨在與 SensorTile 環(huán)境配合使用，可提供獨特的解決方案，最大限度降低具有藍牙功能的 IoT 設(shè)計的功耗。搭配使用 SensorTile 套件和 Enmo 平臺，開發(fā)人員便能以最少的工作實施完整的低功耗 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)計的基礎(chǔ)。

無線傳感器節(jié)點

作為套件的核心組件，SensorTile 核心系統(tǒng)板是采用 13.5 mm x 13.5 mm 封裝且具有藍牙功能的獨立傳感器系統(tǒng)。該核心系統(tǒng)以基于 32 位 ARM? Cortex?-M4F 的 STM32L4 MCU 為基礎(chǔ)，包含 STMicroelectronics BlueNRG 藍牙收發(fā)器和多個傳感器，所有組件均通過 SPI 連接或?qū)Ｓ?a target="_blank">接口進行通信（圖 1）。

圖 1： SensorTile 核心系統(tǒng)提供了完整的無線傳感器解決方案，該解決方案在 13.5 mm x 13.5 mm 的外形尺寸內(nèi)組合了低功耗 MCU、藍牙收發(fā)器、多個傳感器、平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，甚至還有一根集成天線。（圖片來源： STMicroelectronics）

ST 為該板打包了自己的全套傳感器，包括 LSM6DSM 慣性測量裝置 (IMU)、LSM303AGR 電子羅盤模塊、LPS22HB 壓力傳感器及其 MP34DT04 MEMS 麥克風(fēng)。連同板載的低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器，核心板包含 STMicroelectronics BALF-NRG-01D3 小型平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，其中集成了一個諧波濾波器和專為 BlueNRG 收發(fā)器定制的匹配網(wǎng)絡(luò)。TDK ANT016008LCS2442MA1 多層天線補全了無線傳感器系統(tǒng)的設(shè)計。

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。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。板的背面包含一個連接器，用于將其安裝到擴展板或其他任何具有相應(yīng)連接器的電纜或板（圖 2）。

圖 2： 開發(fā)人員可以將 SensorTile 核心板插入 SensorTile 開發(fā)套件的擴展板上的插座，以利用包括 Arduino 兼容型外設(shè)在內(nèi)的其他選件。（圖片來源：STMicroelectronics）

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

板引腳CONN 引腳引腳名稱MCU 引腳主要功能(1)12MIC_CLKPC2DFSDM1_CKOUT、ADC24VDD_OUTVDD/VBAT1.8 V 板載 LDO 電壓36VIN/LDO 電源 [2 V - 5.5 V]48VDDUSBVDDIO2 VDDUSBUSB 外設(shè)電源和 VDDIO2 [1.8 V - 3.3 V]510GNDVSS陸運612RXD/USB_DPPD2/PA12USB_OTG_FS DP 的 USART5 RX (2)714TXD/USB_DMPC12/PA11USART5 TX 或 USB_OTG_FS DM 1816SAI_CLKPG9(3)SAI2_SCK_A、SPI3_SCK915SAI_FSPG10(3)SAI2_FS_A、SPI3_MISO1013SAI_MCLKPG11(3)SAO2_MCLK_A、SPI3_MOSI1111SAI_SDPG12(3)SAI2_SD_A、SPI3_NSS129GPIO2PB8/PB9/PC1DFSDM_DATIN6、I2C3_SDA137GPIO3PC0DFSDM_DATIN4、I2C3_SCL145NRSTNRSTSTM32 復(fù)位153SWD_CLKSWD 編程接口時鐘161SWD_IOSWD 編程接口 IO17/GND陸運18/GND陸運
備注：
(1) 有關(guān)每個引腳的完整功能集，請參閱 st.com 上的 STM32L476 規(guī)格書
(2) USB_OTG_FS 外設(shè)在 VDDUSB >e; 3 V 時工作
(3) 此引腳的邏輯電平稱為 VDDIO2

圖 3： 開發(fā)人員可通過板的 PC 板焊盤或通過置于板背面的專用連接器來訪問 MCU 引腳的子集。（圖片來源：STMicroelectronics）

盡管核心板可用作獨立解決方案，但套件的載板為設(shè)計人員提供了基于 SensorTile 開發(fā)和部署 IoT 設(shè)計的替代方案。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)來擴充核心系統(tǒng)。該板包括一個用于濕度和溫度的 STMicroelectronics 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)計人員可在交貨時移除鞍形板的可折斷 SWD 接口。

套件的擴展板提供了一種更為簡單的方法來開發(fā)定制設(shè)計。開發(fā)人員只需使用專用連接器將核心板插入擴展板即可（圖 2）。連同用于軟件開發(fā)的 SWD 接口，擴展板提供了包括 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。

即時部署

開發(fā)人員只需將核心板插入擴展板（或?qū)⑵浜附拥桨靶伟迳希ㄟ^ USB 將其連接到主機 PC 以獲取電源，然后下載受支持的 Android 或 iOS 移動應(yīng)用程序，便可開始探索具有藍牙功能的 IoT 設(shè)計。開發(fā)套件附帶的核心系統(tǒng)已使用支持三種樣例應(yīng)用程序的固件進行編程，這些應(yīng)用程序?qū)⒌凸乃{牙 (BLE) 與適用于 Android 或 iOS 的 ST BlueMS 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 ARM Cortex 微控制器軟件接口標準 (CMSIS) 元器件，STMicroelectronics 基于自己的 STM32Cube 環(huán)境提供硬件抽象層 (HAL) 和板級支持包 (BSP)。這些層反過來與 STLCS01V1 核心板、STLCX01V1 擴展板和 STLCR01V1 鞍形板上的基礎(chǔ)硬件接口（圖 4）。

圖 4： SensorTile 軟件包提供了基于 STMicroelectronics 的 STM32Cube 設(shè)備軟件層構(gòu)建的樣例應(yīng)用程序。它將復(fù)雜的硬件互動抽象為若干簡單的軟件調(diào)用。（圖片來源：STMicroelectronics）

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)采樣之間的等待時間的定時器到期。當(dāng)定時器處理程序設(shè)置 SendEnv=1，該例程便會使用單個調(diào)用

SendEnvironmentalData() 收集并傳輸環(huán)境數(shù)據(jù)。

/* Initialize the BlueNRG */

Init_BlueNRG_Stack();

/* Initialize the BlueNRG Custom services */

Init_BlueNRG_Custom_Services();

/* initialize timers */

InitTimers();

StartTime = HAL_GetTick();

/* Infinite loop */

while (1){

/* Led Blinking when there is not a client connected */

if(!connected) {

if(!TargetBoardFeatures.LedStatus) {

if(HAL_GetTick()-StartTime > 1000) {

LedOnTargetPlatform();

TargetBoardFeatures.LedStatus =1;

StartTime = HAL_GetTick();

}

} else {

if(HAL_GetTick()-StartTime > 50) {

LedOffTargetPlatform();

TargetBoardFeatures.LedStatus =0;

StartTime = HAL_GetTick();

}

}

}

/* handle BLE event */

if(HCI_ProcessEvent) {

HCI_ProcessEvent=0;

HCI_Process();

}

/* Update the BLE advertise data and make the Board connectable */

if(set_connectable){

setConnectable();

set_connectable = FALSE;

}

/* Environmental Data */

if(SendEnv) {

SendEnv=0;

SendEnvironmentalData();

}

列表 1.此代碼片段取自 ST SensorTile 軟件包，它顯示，開發(fā)人員在用于等待新藍牙事件或傳感器數(shù)據(jù)采樣的等待循環(huán)之前調(diào)用了若干初始化例程。（代碼來源： STMicroelectronics）

SendEnvironmentalData 例程以步進方式遍歷各個傳感器，使用 BSP 例程采集各個傳感器的數(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，通過藍牙將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?BlueNRG 服務(wù)例程 MCR_BLUEMS_F2I_2D()。

設(shè)計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)自己的定制需求進行改寫。SensorTile 軟件環(huán)境受 STMicroelectronics STM32 開放式開發(fā)環(huán)境 (STM32 ODE) 支持，旨在支持開源軟件庫和框架。套件已使用 ST 的 BLUEMICROSYSTEM 開放式框架固件進行預(yù)編程。

STMicroelectronics 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功能的第三方軟件庫，而不是繼續(xù)局限于特定的機制。對于有功率限制的 IoT 設(shè)備，此功能在利用能效更高的機制時變得尤其重要。

降低電源要求

對于許多 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)境和運動應(yīng)用中通常所需的低速率下，傳感器只需要微安級別的功耗。LSM6DSM IMU 在 12.5 Hz 的采樣率下僅使用 9 μA 電流，LSM303AGR 電子羅盤在 20 Hz 下僅需 200 μA 電流，LPS22HB 壓力傳感器在 1 Hz 下需要的電流不超過 12 μA。

此外，STM32L476 MCU 在運行模式下只需 100 μA/MHz (24 MHz)。BlueNRG 藍牙收發(fā)器 IC 在維持一個有源 BLE 堆棧的待機模式下僅消耗 1.7 μA 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 8.2 mA 電流下以 0 dBm 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)計的用電大戶。

系統(tǒng)設(shè)計人員可通過簡單的權(quán)宜之計，即減少無線傳輸事務(wù)的數(shù)量并縮短其持續(xù)時間，來解決與無線通信相關(guān)的功耗挑戰(zhàn)。不過，使用標準藍牙通信，開發(fā)人員只有很少幾個選項用于限制功耗。具有藍牙功能的典型應(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，這會造成大量功耗而并無實際數(shù)據(jù)交換。而且，標準藍牙配對會給 IoT 部署帶來嚴重的后勤復(fù)雜性，因為每個 IoT 設(shè)備都需要置于發(fā)現(xiàn)模式。其次，它必須采用手動方式與移動設(shè)備或其他數(shù)據(jù)聚合器配對。

藍牙的信標機制提供了可消除與發(fā)現(xiàn)和配對相關(guān)的功耗和后勤問題的備選方案。不幸的是，標準信標不能攜帶任何數(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)，Enmo Technologies 可將信標技術(shù)的省電優(yōu)勢與藍牙配對設(shè)備技術(shù)的數(shù)據(jù)交換功能相結(jié)合。因此，Enmo 的機制可提供多達 50 KB 的可變大小有效載荷，同時還能滿足長時間操作電池供電 IoT 設(shè)備所需的低功耗要求。

與本機 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開發(fā)人員保持透明，但它將低級 STMicroelectronics 調(diào)用替換為對其適用于 SensorTile 的專有 IoT.Over.Beacon 庫的調(diào)用。

為此，開發(fā)人員需要使用 STM32 ST-Link 實用程序來加載參考固件，該實用程序提供了簡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，將通過低功耗藍牙連接與 Enmo 的 Android 和 iOS 移動應(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）。

圖 5： Enmo Technologies 的參考固件被加載到 SensorTile 后，將通過藍牙向 Enmo 的 Android 或 iOS 應(yīng)用程序傳送傳感器數(shù)據(jù)。（圖片來源： Enmo Technologies）

傳統(tǒng)藍牙信標的一項關(guān)鍵功能是，它們能夠在移動設(shè)備進入和離開具有信標功能的應(yīng)用程序所覆蓋的物理區(qū)域時觸發(fā)。但對于 IoT 設(shè)備，物理進入和退出的概念可能不適用。

Enmo 提供了專有機制來模仿藍牙信標的傳統(tǒng)進入和退出模式。在這里，開發(fā)人員為 IoT 設(shè)備指定觸發(fā)進入和退出的條件。例如，某個溫度檢測 IoT 設(shè)備可能會在溫度變化至高于或低于某個設(shè)定的閾值時啟動“進入”或“退出”協(xié)議。

與本機 SensorTile 軟件包一樣，用于 SensorTile 的 Enmo 參考固件提供了一種即時解決方案，用于快速部署具有藍牙功能的低功耗 IoT 設(shè)備。類似地，針對定制 SensorTile 開發(fā)，Enmo 提供了一個軟件開發(fā)套件 (SDK)，可允許工程師將 Enmo 的 IoT.Over.Beacon 機制集成到自己獨有的 SensorTile IoT 應(yīng)用。利用 Enmo SDK，開發(fā)人員使用 STMicroelectronics 環(huán)境編寫定制的 SensorTile 固件，在需要通過藍牙發(fā)送數(shù)據(jù)時調(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)計為希望快速部署具有藍牙功能的傳感器設(shè)備的開發(fā)人員造成了重大障礙。STMicroelectronics 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立設(shè)備，也可作為子系統(tǒng)添加到現(xiàn)有設(shè)計。盡管 SensorTile 具有低功耗要求，但標準藍牙協(xié)議可能會快速耗盡電池供電系統(tǒng)的電量。

通過將 ST SensorTile 與 Enmo Technologies 獨有的 IoT.Over.Beacon 平臺相結(jié)合，開發(fā)人員可快速部署具有藍牙功能并且能夠符合嚴格的功率預(yù)算的傳感器。