藍(lán)牙連接技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展推動(dòng)了現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)的興起，越來(lái)越多的B2B和B2C企業(yè)正積極將產(chǎn)品設(shè)計(jì)云端化，而無(wú)線技術(shù)在其中起到了至關(guān)重要的作用。在現(xiàn)階段的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，有很多都建立了自己的網(wǎng)關(guān)平臺(tái)，旨在本地節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)和云端遠(yuǎn)程連接中提供一定的本地存儲(chǔ)空間和計(jì)算機(jī)智能，Wi-Fi 通常運(yùn)用于遠(yuǎn)程通信，而藍(lán)牙則是傳感器、交換機(jī)以及家電這些邊緣節(jié)點(diǎn)的首選協(xié)議。

低功耗藍(lán)牙

2010年，藍(lán)牙技術(shù)初入4.X時(shí)代，低功耗藍(lán)牙也適時(shí)出現(xiàn)，其對(duì)用于物聯(lián)網(wǎng)的傳感器和控制軟件來(lái)說(shuō)意義非凡。低功耗藍(lán)牙顧名思義是將低能耗作為主要目標(biāo)，而非高數(shù)據(jù)速率，它的能耗降低方式有很多，例如減少無(wú)線接收裝置使用時(shí)間、減少?gòu)V告掃描(在打開(kāi)網(wǎng)頁(yè)過(guò)程中)渠道、只在開(kāi)機(jī)狀態(tài)下發(fā)送和接受小數(shù)據(jù)包等等，因此，低功耗藍(lán)牙協(xié)議可以快速設(shè)立網(wǎng)絡(luò)連接，而能耗通常是使用傳統(tǒng)藍(lán)牙版本的百分之一。然而，低功耗藍(lán)牙也同時(shí)存在一些弊端，例如，其最大短脈沖群數(shù)據(jù)率僅為100千位/秒，而傳統(tǒng)藍(lán)牙最大可達(dá)3兆比特/秒(v2.0版本加上增強(qiáng)數(shù)據(jù)率)。因此，當(dāng)數(shù)據(jù)量主導(dǎo)對(duì)高數(shù)據(jù)率的需求時(shí)，使用傳統(tǒng)藍(lán)牙協(xié)議會(huì)更加適合。

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以自行決定應(yīng)用軟件所需的藍(lán)牙協(xié)議，然后將其與主處理系統(tǒng)集成。設(shè)計(jì)獨(dú)有的分離無(wú)線接收裝置是一個(gè)十分有突破性的想法，但是完成這個(gè)裝置需要花費(fèi)大量的時(shí)間。還有一種選擇是采用一款已經(jīng)有合格資質(zhì)的藍(lán)牙模塊，將其與已有的設(shè)計(jì)相整合，不需要很高的價(jià)格就能將所有的藍(lán)牙棧嵌入接收器主機(jī)的微控制器中，用一組與接口總線相連的簡(jiǎn)易應(yīng)用程序接口，輕松地設(shè)置鏈接和傳輸數(shù)據(jù)。

圖1—微芯模塊—RN4020

圖1為低功耗藍(lán)牙模塊—微芯RN4020。它適用于工業(yè)控制系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)傳感器標(biāo)簽和醫(yī)學(xué)設(shè)備。這個(gè)模塊是由一個(gè)簡(jiǎn)單的UART接口控制的。配置為應(yīng)用美國(guó)信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼指令的應(yīng)用程序接口，它提供鏈接設(shè)置、睡眠模式切換和所有的低能耗藍(lán)牙協(xié)議管理這些功能。RN4020 模塊運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)最大電流為16毫安，睡眠模式下的最小電流為5微安，關(guān)機(jī)時(shí)電流值可達(dá)1.5微安以下。與低功耗藍(lán)牙v4.1規(guī)格相一致，RN4020模塊包括了所有必需嵌入式藍(lán)牙協(xié)議棧外形，因此應(yīng)用程序微程序控制器就不需要任何堆棧來(lái)操作。

圖二—RN4020框圖

圖二中我們可以看到RN4020模塊包含了3x10比特模擬轉(zhuǎn)換器頻道，有多達(dá)7個(gè)通用輸入輸出接口，其中一些可用于操縱模塊模式狀態(tài)發(fā)光二極管，以顯示連接狀態(tài)、運(yùn)轉(zhuǎn)指示以及微芯的低能耗數(shù)據(jù)圖是否開(kāi)啟。

滿足多連接和應(yīng)用用戶界面需求的藍(lán)牙

如果在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中需要更多的連接選擇和應(yīng)用軟件用戶界面支持，那么松下公司的PAN1740模塊將是一個(gè)理想的選擇。與Bluetooth Smart v4.1藍(lán)牙低能耗規(guī)格一樣，松下這款迷你的模塊尺寸為：9 x 9.5 x 1.8毫米，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電流為5毫安。專為嵌入式應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)，例如健康監(jiān)測(cè)儀和運(yùn)動(dòng)傳感器。這個(gè)模塊擁有無(wú)線接收裝置， Cortex-M0主機(jī)微控制器，集成式天線和內(nèi)嵌式低能耗藍(lán)牙棧。

圖3—松下低能耗藍(lán)牙模塊

PAN1740模塊支持UART、SPI、I2C接口的PAN1740模塊使用Dialog’s Smart Snippets藍(lán)牙軟件平臺(tái)，它不僅為標(biāo)準(zhǔn)低能耗藍(lán)牙規(guī)格提供支持，還為一些特別應(yīng)用軟件圖表提供支持，例如親近度、用戶健康指數(shù)、運(yùn)動(dòng)量以及健美程度。

盡管上述模型可以高度集成，但它們?nèi)孕枰鳈C(jī)應(yīng)用平臺(tái)來(lái)運(yùn)行物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。整合主機(jī)微程序控制器和無(wú)線連接有兩種途徑。第一種方法就是把設(shè)計(jì)建立在SOC裝置的基礎(chǔ)之上，SOC裝置包含了微程序控制器和一個(gè)低能耗藍(lán)牙接收器。Cypress公司的CYB10x6x family系列產(chǎn)品就是很好的一個(gè)例子。基于ARM Cortex-M0內(nèi)核處理器，核心低功率為48兆赫茲，藍(lán)牙v4.1接收器與集成不平衡變壓機(jī)，Cypress的 CapSense 電容觸摸傳感控制器為遠(yuǎn)程控制、玩具以及智能接口裝置提供了超級(jí)編程和靈活解決方案。CYB10x6x 擁有4x PWM頻道，36GPIO，串聯(lián)接口和128段LCD驅(qū)動(dòng)器。免版稅的藍(lán)牙連接棧，它支持類屬存取圖，以及中央、外部、觀察和廣播設(shè)備，這些都使得藍(lán)牙連接十分便捷。

用藍(lán)牙集成的單板計(jì)算機(jī)臺(tái)

還有一種方式是特別針對(duì)于成本有限的開(kāi)發(fā)人員，就是選擇一個(gè)擁有藍(lán)牙連接集成的單板計(jì)算機(jī)臺(tái)。在這方面，英特爾的愛(ài)迪生模塊十分出眾。

圖4—英特爾愛(ài)迪生模塊

這款基于Linux操作系統(tǒng)的模塊十分經(jīng)濟(jì)，尺寸為35.5 x 25.0 x 3.9毫米。英特爾SOC裝置擁有英特爾原子雙核，雙線程CPU，500赫茲轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速為100赫茲的32比特因特爾夸克微程序控制器，1GB內(nèi)存的RAM以及4GB閃存。它使用1.8直流電，40個(gè)配置的GPIO接口。模塊還擁有802.11無(wú)線a/ b / g / n格式以及低功耗藍(lán)牙連接。預(yù)置開(kāi)放源碼藍(lán)牙協(xié)議、官方Linux系統(tǒng)和藍(lán)牙協(xié)議棧，同時(shí)英特爾社區(qū)網(wǎng)還提供詳細(xì)的藍(lán)牙連接裝配指南供使用者參考。

不論開(kāi)發(fā)者采用哪種方式，認(rèn)證無(wú)線模塊都為其設(shè)計(jì)提供了快捷經(jīng)濟(jì)的合并藍(lán)牙連接技術(shù)，這種形式省時(shí)省力，同時(shí)也極具成本效益，開(kāi)發(fā)者能夠在其幫助下實(shí)現(xiàn)更輕松的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)。