如今，科技發(fā)展迅猛，各種設備讓世界變得更加智能。新技術的不斷出現，不僅改進了現有技術，還創(chuàng)造了新的細分市場。藍牙技術的進步使得智能藍牙(低功耗藍牙BLE)應運而生。按照藍牙技術聯盟(SIG)的定義，BLE是一種低功率、短距離、低數據速率的無線通信協議。BLE的分層協議棧能以低功耗高效傳輸少量數據，使其成為電池供電應用的首選無線協議，如需要定期提取和處理數據的低功耗傳感器網絡接口等。本文將重點介紹如何在數據變化不頻繁的傳感器應用中，有效地利用BLE維持低功耗無線運行。
目前，全球正進入一個各種系統都需要采集和交換數據的物聯網(IoT)時代。在傳感器以無線方式連接，形成網絡并實現設備間數據交換的物聯網中，BLE發(fā)揮著至關重要的角色。主機設備可以是能夠監(jiān)測和控制所有網絡節(jié)點的智能手機。此類物聯網(IoT)應用包括日?；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、遠程控制消費類電子設備等。
低功耗藍牙的功率模式
如果傳感器采用電池供電，功耗受限且必須持續(xù)很長時間的話， BLE將成為最佳連接選擇。比如，一個測量溫度及濕度的低功耗傳感器， 其參數是緩慢變化的，此類傳感器可以與能夠處理并將數據傳輸到主機設備的BLE集成型處理器連接。BLE子系統的操作頻率不高，例如每百毫秒一次，而且在其他時間處于低功耗模式。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)化獨立于處理器工作模式的BLE子系統(BLESS)的運行。使開發(fā)人員能夠降低功耗，并使單塊電池的使用壽命達到數年之久。
這五種系統功率模式分別為：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模式在系統功率為1.3微安的深度睡眠模式下始終啟用。BLE子系統可以在BLESS Active模式下發(fā)送和接收數據。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。這些功耗模式獨立于系統的功耗模式，因此開發(fā)人員能夠靈活地為系統和BLESS分別選擇最高效的配置。在此基礎上，我們可以建立一個電流需求極低、通常由紐扣電池供電的完整系統。
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。更多有關功耗數值的詳細信息以及如何配置和降低功耗，參見低功耗藍牙應用的低功率設計與電池壽命估算。
傳感器和低功耗藍牙
傳感器可以大致分為模擬和數字兩種。典型的模擬傳感器包括用于監(jiān)測煙霧、氣體、環(huán)境光線、人員感應等的傳感器。數字傳感器包括監(jiān)測溫度、濕度、壓力、加速度等的傳感器。當BLE子系統與應用處理器集成時，傳感器可以采用多種不同的方式進行連接。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。數字傳感器無需進行模擬轉換，因此可以通過任何通信接口(如I2C、SPI或單線接口)采集數據。集成的定時器、計數器、脈寬調制器和通用數字模塊(UDB)均可用于實現自定義邏輯以進一步處理傳感器數據。最終，經處理或所接收的數字數據可以通過BLE接口發(fā)送，并由內置BLE功能的手機或任何其他客戶端設備進行監(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)以適應各種應用。
無線傳感器網絡
無線傳感器網絡通常作為網狀網絡和樞紐網絡(見圖1)。樞紐網絡包括可以放置在相同位置的所有傳感器。每個傳感器需要連接到單個BLE外圍設備(服務器)來處理數據并將其發(fā)送到BLE中央設備(客戶端)。網狀網絡采用可以遠程定位傳感器的拓撲結構。網格中的每個節(jié)點都需要連接到BLE外圍設備(服務器)，所有這些外圍設備都可以連接到BLE中央設備(客戶端)。
圖1：傳感器網絡拓撲結構
網狀網絡中樞網絡 樞紐網絡
內置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設備連接。圖2是使用PSoC Creator的典型配置。PSoC Creator是一個用于圍繞PSoC架構開發(fā)應用程序的IDE。圖中顯示的是模擬和數字傳感器接口以及BLE子系統。該配置展示的是用于感測煙霧、光照強度、溫度、濕度和壓力的典型工業(yè)數據監(jiān)測系統。配置中的每個組件都有一個關聯的應用程序編程接口(API)，開發(fā)人員可根據需要訪問這些組件。每個組件還有一個與其相關的數據表對組件的可用配置進行說明。
圖2：PSoC Creator項目 – 包含所有必要組件的頂級設計
BLE組件在其GAP層中被配置為從設備。這使任何BLE設備(如BLE手機)都可以掃描此設備，在BLE從設備包含其名稱廣播時被BLE手機連接。此外，在其GATT層中，BLE設備被配置為具有自定義配置文件的GATT服務器。下面將討論BLE低功耗特性在該組件內啟用。名為“SensorService”的單一服務具有5種不同的特性,用于采集每個傳感器的數據。每個特性都具有通知功能，可以將傳感器數據作為通知發(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行。
CyBle_Start(AppCallBack);
void AppCallBack(uint32 event, void* eventParam)
{
CYBLE_API_RESULT_T apiResult;
switch (event)
{
case CYBLE_EVT_STACK_ON: /* This event is received when the component is Started */
/* Enter into discoverable mode so that remote device can search it. */
apiResult = CyBle_GappStartAdvertisement(CYBLE_ADVERTISING_FAST);
if(apiResult != CYBLE_ERROR_OK)
{
/* Error */
}
break;
case CYBLE_EVT_GAPP_ADVERTISEMENT_START_STOP:
if(CYBLE_STATE_DISCONNECTED == CyBle_GetState())
{
CySysPmHibernate(); /* Enter Hibernate Mode for Low Current */
}
break;
case CYBLE_EVT_GAP_DEVICE_CONNECTED:
break;
case CYBLE_EVT_GAP_DEVICE_DISCONNECTED:
/* Put the device into discoverable mode so that a remote can search it. */
apiResult = CyBle_GappStartAdvertisement(CYBLE_ADVERTISING_FAST);
if(apiResult != CYBLE_ERROR_OK)
{
/* Error */
}
break;
/* GATT Events */
case CYBLE_EVT_GATT_CONNECT_IND:
break;
case CYBLE_EVT_GATT_DISCONNECT_IND:
break;
}
}
圖3：BLE組件配置
一旦兩個設備實現連接，就能使用連接間隔不同的通知發(fā)送數據。應用程序接口“CyBle_ProcessEvents()”應置于while(1)循環(huán)中，且必須在每個連接間隔中至少調用一次。我們也可以調用在同一while循環(huán)中將數據作為通知發(fā)送的函數。以下函數可用于將溫度數據的一個字節(jié)作為通知發(fā)送。這也適用于其他傳感器特性。
voidSendTempNotification(uint8TempData)
{
CYBLE_API_RESULT_T bleApiResult;
CYBLE_GATTS_HANDLE_VALUE_NTF_T TempHandle;
TempHandle.value.val = &TempData;
TempHandle.value.len = 1;
TempHandle.attrHandle = CYBLE_SENSORSERVICE_TEMPERATURE_CHAR_HANDLE;
do
{
bleApiResult = CyBle_GattsNotification(cyBle_connHandle, &TempHandle);
CyBle_ProcessEvents();
}while((CYBLE_ERROR_OK != bleApiResult) && (CYBLE_STATE_CONNECTED == cyBle_state));
}
如上文所述，處理器和BLE子系統(BLESS)具有獨立的低功率模式。舉個例子 ，如果設備斷開連接，我們可以將處理器設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組件(如ADC、I2C等)也可以進入各自的低功率模式并在需要時喚醒。因此，開發(fā)人員能夠根據整個系統的實際需要，對功率進行非常細致的控制。有關詳細的低功率代碼片段，請參見低功耗藍牙應用的低功率設計與電池壽命估算。
while(1) 循環(huán)如下：
while(1)
{
/* Process all the generated events. */
CyBle_ProcessEvents();
/* To achieve low power in the device */
LowPowerImplementation();
/***********************************************************************
* Wait for connection established with Central device
***********************************************************************/
if(CyBle_GetState() == CYBLE_STATE_CONNECTED)
{
CyBle_ProcessEvents();
SendTempNotification(Temperature);
}
}
目前具有BLE功能的手機可以掃描這一傳感器網絡設備，并使用各種特性來監(jiān)視每個傳感器的數據。一些處理器制造商還提供手機端的BLE連接軟件。例如，賽普拉斯提供了一個名為CySmart的應用程序，該應用程序可以安裝在您的安卓或Apple設備上，并協助您監(jiān)控BLE傳輸。
BLE 信標
藍牙信標的廣播信號可以被附近的智能設備捕捉。對于此類應用，只需要將BLE組件配置為廣播器的GAP，這樣系統就可以發(fā)送廣播信息。信標的功耗應該較低，也可以得益于集成的處理器/BLE設計。太陽能低功耗藍牙信標和無線傳感器節(jié)點可顯示正在使用的BLE信標。
BLE在消費類、工業(yè)和嵌入式應用等許多市場中的發(fā)展勢頭良好。該項技術成功的一個關鍵因素是它能夠在低功耗的情況下運行。BLE技術使開發(fā)人員能夠設計出由電池供電、使用壽命更長，對用戶更加友好的應用。
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