解讀低功耗藍(lán)牙(BLE）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)

如今，科技發(fā)展迅猛，各種設(shè)備讓世界變得更加智能。新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，不僅改進(jìn)了現(xiàn)有技術(shù)，還創(chuàng)造了新的細(xì)分市場。藍(lán)牙技術(shù)的進(jìn)步使得智能藍(lán)牙（低功耗藍(lán)牙BLE）應(yīng)運(yùn)而生。按照藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（SIG）的定義，BLE是一種低功率、短距離、低數(shù)據(jù)速率的無線通信協(xié)議。BLE的分層協(xié)議棧能以低功耗高效傳輸少量數(shù)據(jù)，使其成為電池供電應(yīng)用的首選無線協(xié)議，如需要定期提取和處理數(shù)據(jù)的低功耗傳感器網(wǎng)絡(luò)接口等。本文將重點(diǎn)介紹如何在數(shù)據(jù)變化不頻繁的傳感器應(yīng)用中，有效地利用BLE維持低功耗無線運(yùn)行。

目前，全球正進(jìn)入一個(gè)各種系統(tǒng)都需要采集和交換數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）時(shí)代。在傳感器以無線方式連接，形成網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)設(shè)備間數(shù)據(jù)交換的物聯(lián)網(wǎng)中，BLE發(fā)揮著至關(guān)重要的角色。主機(jī)設(shè)備可以是能夠監(jiān)測和控制所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能手機(jī)。此類物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用包括日?；顒幼粉櫼约凹彝プ詣踊δ?，如高效住宅照明、溫度和濕度監(jiān)測與控制、遠(yuǎn)程控制消費(fèi)類電子設(shè)備等。

低功耗藍(lán)牙的功率模式

如果傳感器采用電池供電，功耗受限且必須持續(xù)很長時(shí)間的話，BLE將成為最佳連接選擇。比如，一個(gè)測量溫度及濕度的低功耗傳感器，其參數(shù)是緩慢變化的，此類傳感器可以與能夠處理并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)設(shè)備的BLE集成型處理器連接。BLE子系統(tǒng)的操作頻率不高，例如每百毫秒一次，而且在其他時(shí)間處于低功耗模式。賽普拉斯PSoC 4 BLE等BLE型器件可提供多用戶可配置的功耗模式，從而優(yōu)化獨(dú)立于處理器工作模式的BLE子系統(tǒng)（BLESS）的運(yùn)行。使開發(fā)人員能夠降低功耗，并使單塊電池的使用壽命達(dá)到數(shù)年之久。

這五種系統(tǒng)功率模式分別為：主動、睡眠、深度睡眠、休眠和停止模式。三種BLESS功耗模式分別為主動、睡眠和深度睡眠模式。BLESS模式在系統(tǒng)功率為1.3微安的深度睡眠模式下始終啟用。BLE子系統(tǒng)可以在BLESS Active模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。它能保持空閑狀態(tài)，并在BLESS睡眠模式和深度睡眠模式下維持連接。這些功耗模式獨(dú)立于系統(tǒng)的功耗模式，因此開發(fā)人員能夠靈活地為系統(tǒng)和BLESS分別選擇最高效的配置。在此基礎(chǔ)上，我們可以建立一個(gè)電流需求極低、通常由紐扣電池供電的完整系統(tǒng)。

例如，1秒廣播間隔的平均耗電量只有26微安。而1秒連接間隔的平均耗電量更低，只有17微安。更多有關(guān)功耗數(shù)值的詳細(xì)信息以及如何配置和降低功耗，點(diǎn)擊文末閱讀原文查看低功耗藍(lán)牙應(yīng)用的低功率設(shè)計(jì)與電池壽命估算。

傳感器和低功耗藍(lán)牙

傳感器可以大致分為模擬和數(shù)字兩種。典型的模擬傳感器包括用于監(jiān)測煙霧、氣體、環(huán)境光線、人員感應(yīng)等的傳感器。數(shù)字傳感器包括監(jiān)測溫度、濕度、壓力、加速度等的傳感器。當(dāng)BLE子系統(tǒng)與應(yīng)用處理器集成時(shí)，傳感器可以采用多種不同的方式進(jìn)行連接。例如，可以將模擬傳感器饋送到前端具有電壓輸出器的SAR ADC。數(shù)字傳感器無需進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換，因此可以通過任何通信接口（如I2C、SPI或單線接口）采集數(shù)據(jù)。

集成的定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、脈寬調(diào)制器和通用數(shù)字模塊（UDB）均可用于實(shí)現(xiàn)自定義邏輯以進(jìn)一步處理傳感器數(shù)據(jù)。最終，經(jīng)處理或所接收的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以通過BLE接口發(fā)送，并由內(nèi)置BLE功能的手機(jī)或任何其他客戶端設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測。隨著資源可用性和成本的不斷變化，可選擇不同系列的BLE集成處理器（如PSoC 4 BLE）以適應(yīng)各種應(yīng)用。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常作為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和樞紐網(wǎng)絡(luò)（見圖1）。樞紐網(wǎng)絡(luò)包括可以放置在相同位置的所有傳感器。每個(gè)傳感器需要連接到單個(gè)BLE外圍設(shè)備（服務(wù)器）來處理數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到BLE中央設(shè)備（客戶端）。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)采用可以遠(yuǎn)程定位傳感器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)格中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要連接到BLE外圍設(shè)備（服務(wù)器），所有這些外圍設(shè)備都可以連接到BLE中央設(shè)備（客戶端）。

圖1：傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

內(nèi)置BLE功能的處理器的靈活性和豐富資源，使傳感器能夠與單一BLE設(shè)備連接。圖2是使用PSoC Creator的典型配置。PSoC Creator是一個(gè)用于圍繞PSoC架構(gòu)開發(fā)應(yīng)用程序的IDE。圖中顯示的是模擬和數(shù)字傳感器接口以及BLE子系統(tǒng)。該配置展示的是用于感測煙霧、光照強(qiáng)度、溫度、濕度和壓力的典型工業(yè)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。配置中的每個(gè)組件都有一個(gè)關(guān)聯(lián)的應(yīng)用程序編程接口（API），開發(fā)人員可根據(jù)需要訪問這些組件。每個(gè)組件還有一個(gè)與其相關(guān)的數(shù)據(jù)表對組件的可用配置進(jìn)行說明。

圖2：PSoC Creator項(xiàng)目 –

包含所有必要組件的頂級設(shè)計(jì)

BLE組件在其GAP層中被配置為從設(shè)備。這使任何BLE設(shè)備（如BLE手機(jī)）都可以掃描此設(shè)備，在BLE從設(shè)備包含其名稱廣播時(shí)被BLE手機(jī)連接。此外，在其GATT層中，BLE設(shè)備被配置為具有自定義配置文件的GATT服務(wù)器。下面將討論BLE低功耗特性在該組件內(nèi)啟用。名為“Sensor Service”的單一服務(wù)具有5種不同的特性,用于采集每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。每個(gè)特性都具有通知功能，可以將傳感器數(shù)據(jù)作為通知發(fā)送。

BLE中的一切都作為“活動”處理。BLE堆棧提供處理這些事件的“定義”。以下代碼片段展示了其中一部分活動的運(yùn)行。

圖3：BLE組件配置

一旦兩個(gè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)連接，就能使用連接間隔不同的通知發(fā)送數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序接口“CyBle_ProcessEvents()”應(yīng)置于while(1)循環(huán)中，且必須在每個(gè)連接間隔中至少調(diào)用一次。我們也可以調(diào)用在同一while循環(huán)中將數(shù)據(jù)作為通知發(fā)送的函數(shù)。以下函數(shù)可用于將溫度數(shù)據(jù)的一個(gè)字節(jié)作為通知發(fā)送。這也適用于其他傳感器特性。

如上文所述，處理器和BLE子系統(tǒng)（BLESS）具有獨(dú)立的低功率模式。舉個(gè)例子，如果設(shè)備斷開連接，我們可以將處理器設(shè)置為休眠或停止模式以降低功耗。在廣播和連接間隔之間，我們可以利用BLESS深度睡眠模式，甚至連所使用的各個(gè)組件（如ADC、I2C等）也可以進(jìn)入各自的低功率模式并在需要時(shí)喚醒。因此，開發(fā)人員能夠根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際需要，對功率進(jìn)行非常細(xì)致的控制。有關(guān)詳細(xì)的低功率代碼片段，請點(diǎn)擊文末閱讀原文觀看低功耗藍(lán)牙應(yīng)用的低功率設(shè)計(jì)與電池壽命估算。

while(1) 循環(huán)如下：

目前具有BLE功能的手機(jī)可以掃描這一傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并使用各種特性來監(jiān)視每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。一些處理器制造商還提供手機(jī)端的BLE連接軟件。例如，賽普拉斯提供了一個(gè)名為CySmart的應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序可以安裝在您的安卓或Apple設(shè)備上，并協(xié)助您監(jiān)控BLE傳輸。

BLE 信標(biāo)

藍(lán)牙信標(biāo)的廣播信號可以被附近的智能設(shè)備捕捉。對于此類應(yīng)用，只需要將BLE組件配置為廣播器的GAP，這樣系統(tǒng)就可以發(fā)送廣播信息。信標(biāo)的功耗應(yīng)該較低，也可以得益于集成的處理器/BLE設(shè)計(jì)。太陽能低功耗藍(lán)牙信標(biāo)和無線傳感器節(jié)點(diǎn)可顯示正在使用的BLE信標(biāo)。

BLE在消費(fèi)類、工業(yè)和嵌入式應(yīng)用等許多市場中的發(fā)展勢頭良好。該項(xiàng)技術(shù)成功的一個(gè)關(guān)鍵因素是它能夠在低功耗的情況下運(yùn)行。BLE技術(shù)使開發(fā)人員能夠設(shè)計(jì)出由電池供電、使用壽命更長，對用戶更加友好的應(yīng)用。