基于STM32L4微控制器低功耗BLE模塊電路設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)正在改變世界。它的巨大潛力有賴于超低功耗的網(wǎng)絡(luò)邊緣智能設(shè)備與云計(jì)算的組合使用，以對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行模式識(shí)別，從而生成有用的信息。促使物聯(lián)網(wǎng)興起有兩大因素，一是高性能的處理器芯片出現(xiàn)，二是智能網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備的制造成本和功耗可以非常低。這兩個(gè)因素使得物聯(lián)網(wǎng)的普遍部署在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均具備可行性。

網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)是物聯(lián)網(wǎng)區(qū)分于普通遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制的關(guān)鍵方面。通過(guò)改變單獨(dú)檢測(cè)并響應(yīng)一個(gè)或兩個(gè)變量的做法，轉(zhuǎn)而分析多個(gè)數(shù)據(jù)通道以檢測(cè)趨勢(shì)并確定合適的響應(yīng)，物聯(lián)網(wǎng)才得以發(fā)揮其在保護(hù)環(huán)境、提高業(yè)績(jī)和改變?nèi)粘Ｉ畹确矫娴木薮鬂摿Α?/p>

在汽車行業(yè)，隨著領(lǐng)先的制造商開(kāi)始使用從大量汽車實(shí)地采集到的傳感器信息來(lái)改善客戶服務(wù)和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，這樣的例子已屢見(jiàn)不鮮。在家用電器等其他消費(fèi)品市場(chǎng)，領(lǐng)先的制造商也開(kāi)始運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)的強(qiáng)大功能，通過(guò)收集客戶設(shè)備的數(shù)據(jù)獲取問(wèn)題解決之道，以提高產(chǎn)品性能和自身業(yè)績(jī)。在樓宇服務(wù)領(lǐng)域，從遍布全球的電梯和自動(dòng)扶梯客戶群收集而來(lái)并整合到云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)，預(yù)期能夠幫助改善產(chǎn)品維護(hù)和未來(lái)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

還有其他很多情景可以組合使用檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，包括：

環(huán)境檢測(cè)，例如旨在改善工作場(chǎng)所安全的礦區(qū)氣體檢測(cè)。 公路上的接近傳感器以及車載的加速和海拔傳感器（可支持自動(dòng)駕駛和事故規(guī)避）。 酒店房間內(nèi)的人員檢測(cè)傳感器（不侵犯隱私），避免職員在提供客房服務(wù)時(shí)侵?jǐn)_房客，并可提高運(yùn)營(yíng)效率。 記錄患者和環(huán)境數(shù)據(jù)以發(fā)送到醫(yī)療保健專業(yè)人士的醫(yī)療傳感器。 實(shí)現(xiàn)汽車數(shù)據(jù)記錄的車載通信，以便根據(jù)駕駛習(xí)慣確定保險(xiǎn)費(fèi)率，激勵(lì)更安全的駕駛行為。

多傳感器解決方案的需求和開(kāi)發(fā)

在需要使用傳感器同步監(jiān)測(cè)多個(gè)變量的情況下，通過(guò)整合傳感器和輔助的電子設(shè)備可以節(jié)省成本并簡(jiǎn)化安裝。高度集成的傳感器評(píng)估平臺(tái)有助于開(kāi)發(fā)可隨時(shí)連接到物聯(lián)網(wǎng)的多傳感器智能產(chǎn)品。

Arduino 是旨在簡(jiǎn)化多傳感器解決方案開(kāi)發(fā)的環(huán)境之一。例如，Arduino Lucky Shield 就是一種可兼容所有 5 V 和 3.3 V 標(biāo)準(zhǔn) Arduino 板的擴(kuò)展板。它結(jié)合了用于檢測(cè)大氣壓、相對(duì)海拔、亮度、溫度、運(yùn)動(dòng)和存在的傳感器。這些傳感器封裝在一個(gè)緊湊的 68.6 mm x 53.4 mm 板子中。

從 Arduino Lucky Shield 著手開(kāi)發(fā)會(huì)比較輕松，因?yàn)?Arduino.org 上提供了多個(gè)教程，包括一項(xiàng)展示如何讀取溫度、濕度和壓力傳感器輸出并將其發(fā)送至 OLED 顯示屏的氣象臺(tái)應(yīng)用。

ST 的 X-NUCLEO-IKS01A2 板和 SensorTile

STMicroelectronics 的 STM32 生態(tài)系統(tǒng)包含多款多傳感器評(píng)估板。X-NUCLEO-IKS01A2 是與 STM32 Nucleo 微控制器基板搭配使用的環(huán)境檢測(cè)擴(kuò)展板。它包含一個(gè) MEMS 加速計(jì)、一個(gè)陀螺儀、一個(gè)磁力儀、一個(gè)絕對(duì)氣壓傳感器和一個(gè)電容式相對(duì)濕度和溫度傳感器。

STM32Cube 生態(tài)系統(tǒng)提供了用于初始化和運(yùn)行 STM32 微控制器的工具和軟件。此外，X-CUBE-MEMS1 環(huán)境傳感器軟件擴(kuò)展庫(kù)還提供了基于 X-NUCLEO-IKS01A2 構(gòu)建應(yīng)用所需的驅(qū)動(dòng)程序。在圖 3 所示的總體系統(tǒng)架構(gòu)示意圖中，X-CUBE-MEMS1 用于滿足驅(qū)動(dòng)程序?qū)拥男枨蟆?/p>

配合圖 3 所示的中間件層，還提供了其他軟件示例，將傳感器用于活動(dòng)和/或手勢(shì)識(shí)別等特定功能。其中包括：

osxMoTIonAW：用于 STM32Cube 的實(shí)時(shí)手腕活動(dòng)識(shí)別軟件擴(kuò)展 osxMoTIonID：用于 STM32Cube 的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度檢測(cè)軟件擴(kuò)展 osxMoTIonFX：用于 STM32Cube 的實(shí)時(shí)傳感器融合軟件擴(kuò)展 osxMoTIonGC：用于 STM32Cube 的實(shí)時(shí)陀螺儀校準(zhǔn)軟件 osxMotionPE：用于 STM32Cube 的實(shí)時(shí)姿態(tài)估計(jì)軟件擴(kuò)展

圖 4 中的偽代碼顯示了 MotionFX 如何實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)融合。

偽代碼序列初始化（將執(zhí)行一次）

初始化傳感器（6 倍融合的加速計(jì)和陀螺儀，以及 9 倍融合的磁力儀）；通電后等待瞬變完成，以獲取良好的數(shù)據(jù)樣本

初始化 MotionFX 融合：osx_MotionFX_initialize（）

初始化磁力儀校準(zhǔn)：osx_MotionFX_compass_Init（）

osx_MotionFX_getKnobs（）; modify settings; _setKnobs（）

通過(guò)禁用融合進(jìn)行復(fù)位：osx_MotionFX_enable_6X（0） / _9X（0）

開(kāi)始融合

如果可能，初始化陀螺儀校準(zhǔn)：osx_MotionFX_setGbias（）

如果可能，初始化磁力儀校準(zhǔn)：osx_MotionFX_compass_setCalibrationData（）

啟用數(shù)據(jù)融合：osx_MotionFX_enable_6X（1） / _9X（1）

然后可以讀取傳感器數(shù)據(jù)，并且可使用 osx_MotionFX_propagate（） 和 osx_MotionFX_update（） 等指令來(lái)控制事務(wù)

外形小巧的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室

ST 最近發(fā)布了一款更小的多傳感器模塊，可用作嵌入式系統(tǒng)中的檢測(cè)和連接中樞，或用作獨(dú)立器件，通過(guò)智能手機(jī)應(yīng)用來(lái)采集傳感器數(shù)據(jù)。此 SensorTile 在一塊與郵票尺寸相仿，可焊接或插入主機(jī)板的板上集成了一個(gè) MEMS 加速計(jì)、陀螺儀、磁力儀、絕對(duì)壓力傳感器和麥克風(fēng)，以及一個(gè) STM32L4 微控制器和低功耗藍(lán)牙 （BLE） 無(wú)線電。

要在獨(dú)立模式下使用，ST 提供了一塊鞍形板，其中包含了額外的溫度和濕度傳感器，而且在需要時(shí)還可輕松修改以添加替代傳感器。在此模式下使用時(shí)，可通過(guò) BLE 配置 SensorTile，以便在智能手機(jī)上快速開(kāi)始獲取傳感器數(shù)據(jù)。

用于嵌入式開(kāi)發(fā)時(shí)，可通過(guò)一塊不同的擴(kuò)展鞍形板將 SensorTile 插入到 STM32 Nucleo 評(píng)估板。

具有企業(yè)級(jí)安全性的 Samsung ARTIK 平臺(tái)

Samsung 的 ARTIK? 平臺(tái)提供了一系列模塊，這些模塊可從具備 ARM? Cortex?-M4 微控制器和藍(lán)牙 4.2 支持的小型單元擴(kuò)展為具有雙 Cortex-A7 處理且支持藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee? 和 Thread 的 ARTIK 5 系列，以及采用 Cortex-A35 應(yīng)用處理器的 ARTIK 7 系列。ARTIK 5 和 ARTIK 7 系列功能非常強(qiáng)大，完全可用于網(wǎng)關(guān)或控制器。它們具有企業(yè)級(jí)安全性，包括一個(gè)硬件安全元件，可用于加密算法和安全 OS的密鑰存儲(chǔ)和安全執(zhí)行，有助于建立受信任的執(zhí)行環(huán)境。眾多優(yōu)質(zhì)品牌紛紛采用 ARTIK 生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)解決方案，同時(shí)為嵌入式開(kāi)發(fā)提供套件，例如 ARTIK 020 藍(lán)牙 4.2 物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備套件、ARTIK 520 藍(lán)牙/Wi-Fi/ZigBee/Thread 套件，以及高端 ARTIK 710 套件?？焖俣鄠鞲衅鏖_(kāi)發(fā)可以采用與 ARTIK 5 和 ARTIK 7 套件兼容的 ARTIK 傳感器擴(kuò)展板。該板包含一個(gè)加速計(jì)、陀螺儀、濕度傳感器、磁力儀、壓力和溫度傳感器，并且以配套模塊的方式，通過(guò)邊緣連接器連接到主評(píng)估板

總結(jié)

當(dāng)前進(jìn)入市場(chǎng)的傳感器開(kāi)發(fā)板都是緊湊的多傳感器模塊，可直接或經(jīng)過(guò)極少的定制后，在面向物聯(lián)網(wǎng)邊緣應(yīng)用的最終產(chǎn)品中使用。隨著用戶需求的劇增以及基于云的分析應(yīng)用變得越來(lái)越成熟和經(jīng)濟(jì)，市場(chǎng)中將會(huì)不斷涌現(xiàn)出富有創(chuàng)意的服務(wù)，各種傳感器數(shù)據(jù)的運(yùn)用也將持續(xù)增加。