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使用低功耗蓝牙技术摆脱线缆束缚
 

【作者: Vishal GOYAL】2021年09月30日 星期四

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随着对附加感测器、智慧显示器以及与外界通讯的需求不断加强,装置和设备朝着更智慧的方向发展。伴随这些功能而来的是复杂度增加。由於装置出现故障时,需要开启装置或与连接埠连线以诊断问题,这会造成防水难度、产品成本和装置的维修成本增加等多重限制。很多时候,由於成本或尺寸因素,装置无法使用显示器。本文将探讨智慧装置的相关问题,以厘清为何越来越多工程师选择透过低功耗蓝牙(BLE)技术解决这些问题的原因。


低功耗蓝牙技术

低功耗蓝牙(BLE)是一种无线个人区域网路技术,广泛用於智慧装置。随着蓝牙技术联盟(SIG)采用此项技术,BLE成为蓝牙技术和生态系统的一部分。如今,几??所有智慧型手机及其智慧配件(如可穿戴式手环、手表、健身装置等)均可使用该技术。


图一 : 如今几??所有智慧型手机及其智慧配件(如可穿戴式手环、手表、健身装置等)均可使用该技术。
图一 : 如今几??所有智慧型手机及其智慧配件(如可穿戴式手环、手表、健身装置等)均可使用该技术。

根据ABI Research的预测,从2020年到2024年,单模BLE市场可??成长3倍,累计出货量将达75亿。单模BLE装置泛指只有BLE且不与经典蓝牙结合使用的装置。这种惊人的成长幅度来自超低的电流消耗、更快且更安全的连线、更低的成本及更小的晶片尺寸。


BLE不仅可用於小型和具有使用者操作介面的智慧装置,而且越来越多用於与最终使用者无关的用途。许多情况下,BLE成为制造商生产设备的一部分。


应用案例

轻松客制化

具有特定额定功率的LED驱动器电源可用於驱动各种配置的LED。LED的叁数可能各不相同。为每种类型的LED或配置制作专用电源效率非常低。同样地,感测器节点安装在室内、室外或其他位置时可能需要不同的配置。很多时候,使用者可用的机器、装置中的功能选项或介面也可能需要客制化。


如果制造商为这些装置增加BLE介面,可大量生产并在部署阶段进行客制化。另外,还可避免对於有线介面的需求,因为有线介面不仅昂贵,还会限制装置或机器的其他功能和美观。


服务和维护

制造商的另一个主要关心的是有效且经济地提供产品服务和维护。以往当产品出现故障或使用者需要提供协助时,必须将产品携带至服务中心或由门市人员维修或检查。大多数情况下,需要拆解或启动产品以找出问题。一些产品配备有线介面,但其运作方式复杂且需要配合使用复杂的诊断设备。



图二 :  制造商主要关心的问题之一是有效且经济地提供产品服务和维护。
图二 : 制造商主要关心的问题之一是有效且经济地提供产品服务和维护。

如果产品内建BLE连线,工程师就可以透过手机上的特定应用程式或特定诊断设备远端检修设备。还可为使用者提供线上支援,利用应用程式连线设备并与维护工程师建立远端连线。


BLE还可为最简单的装置启动预测性维护功能。这些装置可以将机器叁数和感测器资料发送至BLE连线的手机应用程式。应用程式则可将资料上传至云端进行资料分析,以便在故障之前识别问题。


韧体升级

智慧装置和机器的另一个关键要求是出厂後韧体的升级能力。韧体升级的原因很多。下面列举出韧体升级的部分原因:


- 已推出程式码中的错误修复


- 现有产品更新


- 现有程式码损坏


- 更改使用者设定


如上所述,韧体升级也是服务和维护的重要部分。BLE作为补充技术主,其要用於Sigfox和LoRa等低功耗广域网路络(LPWAN)。由於这些技术针对远端低资料速率进行了优化,因此从韧体升级和可维护性的角度来看,BLE更利於其应用。


BLE可做到韧体无缝升级。


BLE亦扮演着手机和中央控制器或处理器之间的隐形桥梁,并让程式码从智慧型手机传输到处理器的空记忆体或专用记忆体。新的程式码可以直接从云端推送至智慧型手机应用程式。某些情况下,还可以使用智慧型手机之外的闸道器进行韧体升级。


远端读取

在许多装置中,制造商想要获取设备的资料并向客户收取相对费用。如今,客户使用的装置可以透过使用付费机制取代预付费用,即TaaS或物即服务。典型装置包括电能表、太阳能逆变器、净水器等。



图三 : 在许多装置中,制造商想要获取设备的资料并向客户收取相对费用。
图三 : 在许多装置中,制造商想要获取设备的资料并向客户收取相对费用。

电表是一个典型范例,其使用光埠读取是一个非常复杂且慢长的过程。许多电表的读数都不易获取。


此类公用事业电表和电器中植入BLE可使维护工程师能够轻松地收集电表读数。服务供应商还可以让消费者使用应用程式所收集到的读数并推送至云端。


简化的HMI

如上文所示,BLE使人机界面变得非常简洁。在我们讨论的范例中,使用者所用之和BLE连线的装置可以不是专用的,行动电话的萤幕就可以成为主要的显示装置。在某些工业设备中,也可以透过其他类型的装置整合显示器或平板电脑。显示器与主机分离有几个优点。不仅节省了装置的成本和资产折损,而且还能在不升级装置的情况下升级介面。手机应用程式的升级足以改变使用者体验或服务体验。


BlueNRG设计的灵活性

Bluetooth低功耗装置可以透过三种方式整合到智慧装置和机器中


- 网路处理器


- 数据泵


- 应用处理器


下面列出每种模式的详细资讯:


网路处理器模式:蓝牙应用程式在系统的主微控制器或微处理器内运行,而蓝牙协议堆叠驻留在蓝牙网路处理器IC内,处理来自微控制器或处理器的HCI/ACI指令。HCI/ACI指令是蓝牙SIG或制造商所定义的标准指令,用於与蓝牙主机或控制器沟通。


在此模式下,蓝牙网路处理器IC无需程式设计,所有应用程式均驻留在主控制器或处理器中。


资料泵模式


蓝牙处理器作为中央控制器或处理器与外界的隐形介面。主控制器或处理器将资料推送至串列汇流排,如:UART或SPI。此资讯由蓝牙处理器内部的应用程式码进行解读,以便进一步处理和通讯。


在这种模式下,主控制器或处理器端不要求具有蓝牙的程式设计能力,只需要提供蓝牙处理烧录相应程式,并维持UART/SPI介面两端通讯正常即可。


应用处理器模式


作为唯一的单晶片架构,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讯,还管理其他周边装置,如:感测器、LED、按钮、记忆体等,主要用於较简单的设备和小装置。


意法半导体的BlueNRG系列可在单一装置中支援全部的三种模式,使客户在设计过程中能够弹性选择。甚至可以在装置出厂後透过韧体升级在网路处理器和资料泵选项之间切换。


BlueNRG在设计灵活性方面的另外一大优势是该模组的配置。BlueNRG模组配备了板载天线、晶体和RF巴伦,进而提供了一种可靠的解决方案,确保快速上市。该解决方案通过BQE认证,同时也还通过了RED、IC和FCC认证,可确保快速整合到终端应用中。


@为何低功耗蓝牙如此受欢迎?


如前所述,根据ABI Research(2020)预测,到2024年,单模蓝牙LE装置累计出货量将达75亿颗。由於生态系统和技术方面的原因,蓝牙技术广受欢迎


- 携带式装置之间使用标准连线


- 休眠模式功耗低於1uA,适合电池供电装置


- 蓝牙5.0支援三种不同的PHY,可在范围和资料速率之间选择最隹优化权衡


- 能够在Mesh网路中建立连线


- 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装置BlueNRG-LP,不仅支援上述功能,而且是全球首款支援128并发连线的装置。其另采用韧体认证技术以提升程式码资讯的安全性,透过验证韧体的合法性只允许具有合法签名的韧体程式在晶片上运行。


总结

本文中讨论的BLE不仅是将配件连线到智慧型手机的首选技术,同时还加强了设备的可维护性、诊断能力、韧体能力和美感。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。


(本文作者Vishal GOYAL为意法半导体南亚与印度技术行销经理)


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