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使用低功耗藍牙技術擺脫線纜束縛
[作者 Vishal GOYAL]   2021年09月30日 星期四 瀏覽人次: [2093]

隨著對附加感測器、智慧顯示器以及與外界通訊的需求不斷加強,裝置和設備朝著更智慧的方向發展。伴隨這些功能而來的是複雜度增加。由於裝置出現故障時,需要開啟裝置或與連接埠連線以診斷問題,這會造成防水難度、產品成本和裝置的維修成本增加等多重限制。很多時候,由於成本或尺寸因素,裝置無法使用顯示器。本文將探討智慧裝置的相關問題,以釐清為何越來越多工程師選擇透過低功耗藍牙(BLE)技術解決這些問題的原因。


低功耗藍牙技術

低功耗藍牙(BLE)是一種無線個人區域網路技術,廣泛用於智慧裝置。隨著藍牙技術聯盟(SIG)採用此項技術,BLE成為藍牙技術和生態系統的一部分。如今,幾乎所有智慧型手機及其智慧配件(如可穿戴式手環、手錶、健身裝置等)均可使用該技術。


圖一 : 如今幾乎所有智慧型手機及其智慧配件(如可穿戴式手環、手錶、健身裝置等)均可使用該技術。
圖一 : 如今幾乎所有智慧型手機及其智慧配件(如可穿戴式手環、手錶、健身裝置等)均可使用該技術。

根據ABI Research的預測,從2020年到2024年,單模BLE市場可望成長3倍,累計出貨量將達75億。單模BLE裝置泛指只有BLE且不與經典藍牙結合使用的裝置。這種驚人的成長幅度來自超低的電流消耗、更快且更安全的連線、更低的成本及更小的晶片尺寸。


BLE不僅可用於小型和具有使用者操作介面的智慧裝置,而且越來越多用於與最終使用者無關的用途。許多情況下,BLE成為製造商生產設備的一部分。


應用案例

輕鬆客製化

具有特定額定功率的LED驅動器電源可用於驅動各種配置的LED。LED的參數可能各不相同。為每種類型的LED或配置製作專用電源效率非常低。同樣地,感測器節點安裝在室內、室外或其他位置時可能需要不同的配置。很多時候,使用者可用的機器、裝置中的功能選項或介面也可能需要客製化。


如果製造商為這些裝置增加BLE介面,可大量生產並在部署階段進行客製化。另外,還可避免對於有線介面的需求,因為有線介面不僅昂貴,還會限制裝置或機器的其他功能和美觀。


服務和維護

製造商的另一個主要關心的是有效且經濟地提供產品服務和維護。以往當產品出現故障或使用者需要提供協助時,必須將產品攜帶至服務中心或由門市人員維修或檢查。大多數情況下,需要拆解或啟動產品以找出問題。一些產品配備有線介面,但其運作方式複雜且需要配合使用複雜的診斷設備。



圖二 :  製造商主要關心的問題之一是有效且經濟地提供產品服務和維護。
圖二 : 製造商主要關心的問題之一是有效且經濟地提供產品服務和維護。

如果產品內建BLE連線,工程師就可以透過手機上的特定應用程式或特定診斷設備遠端檢修設備。還可為使用者提供線上支援,利用應用程式連線設備並與維護工程師建立遠端連線。


BLE還可為最簡單的裝置啟動預測性維護功能。這些裝置可以將機器參數和感測器資料發送至BLE連線的手機應用程式。應用程式則可將資料上傳至雲端進行資料分析,以便在故障之前識別問題。


韌體升級

智慧裝置和機器的另一個關鍵要求是出廠後韌體的升級能力。韌體升級的原因很多。下面列舉出韌體升級的部分原因:


- 已推出程式碼中的錯誤修復


- 現有產品更新


- 現有程式碼損壞


- 更改使用者設定


如上所述,韌體升級也是服務和維護的重要部分。BLE作為補充技術主,其要用於Sigfox和LoRa等低功耗廣域網路絡(LPWAN)。由於這些技術針對遠端低資料速率進行了優化,因此從韌體升級和可維護性的角度來看,BLE更利於其應用。


BLE可做到韌體無縫升級。


BLE亦扮演著手機和中央控制器或處理器之間的隱形橋樑,並讓程式碼從智慧型手機傳輸到處理器的空記憶體或專用記憶體。新的程式碼可以直接從雲端推送至智慧型手機應用程式。某些情況下,還可以使用智慧型手機之外的閘道器進行韌體升級。


遠端讀取

在許多裝置中,製造商想要獲取設備的資料並向客戶收取相對費用。如今,客戶使用的裝置可以透過使用付費機制取代預付費用,即TaaS或物即服務。典型裝置包括電能表、太陽能逆變器、淨水器等。



圖三 : 在許多裝置中,製造商想要獲取設備的資料並向客戶收取相對費用。
圖三 : 在許多裝置中,製造商想要獲取設備的資料並向客戶收取相對費用。

電表是一個典型範例,其使用光埠讀取是一個非常複雜且慢長的過程。許多電表的讀數都不易獲取。


此類公用事業電表和電器中植入BLE可使維護工程師能夠輕鬆地收集電表讀數。服務供應商還可以讓消費者使用應用程式所收集到的讀數並推送至雲端。


簡化的HMI

如上文所示,BLE使人機界面變得非常簡潔。在我們討論的範例中,使用者所用之和BLE連線的裝置可以不是專用的,行動電話的螢幕就可以成為主要的顯示裝置。在某些工業設備中,也可以透過其他類型的裝置整合顯示器或平板電腦。顯示器與主機分離有幾個優點。不僅節省了裝置的成本和資產折損,而且還能在不升級裝置的情況下升級介面。手機應用程式的升級足以改變使用者體驗或服務體驗。


BlueNRG設計的靈活性

Bluetooth低功耗裝置可以透過三種方式整合到智慧裝置和機器中


- 網路處理器


- 數據泵


- 應用處理器


下面列出每種模式的詳細資訊:


網路處理器模式:藍牙應用程式在系統的主微控制器或微處理器內運行,而藍牙協議堆疊駐留在藍牙網路處理器IC內,處理來自微控制器或處理器的HCI/ACI指令。HCI/ACI指令是藍牙SIG或製造商所定義的標準指令,用於與藍牙主機或控制器溝通。


在此模式下,藍牙網路處理器IC無需程式設計,所有應用程式均駐留在主控制器或處理器中。


資料泵模式


藍牙處理器作為中央控制器或處理器與外界的隱形介面。主控制器或處理器將資料推送至串列匯流排,如:UART或SPI。此資訊由藍牙處理器內部的應用程式碼進行解讀,以便進一步處理和通訊。


在這種模式下,主控制器或處理器端不要求具有藍牙的程式設計能力,只需要提供藍牙處理燒錄相應程式,並維持UART/SPI介面兩端通訊正常即可。


應用處理器模式


作為唯一的單晶片架構,藍牙處理器是系統的主控制器。藍牙處理器不僅管理藍牙通訊,還管理其他周邊裝置,如:感測器、LED、按鈕、記憶體等,主要用於較簡單的設備和小裝置。


意法半導體的BlueNRG系列可在單一裝置中支援全部的三種模式,使客戶在設計過程中能夠彈性選擇。甚至可以在裝置出廠後透過韌體升級在網路處理器和資料泵選項之間切換。


BlueNRG在設計靈活性方面的另外一大優勢是該模組的配置。BlueNRG模組配備了板載天線、晶體和RF巴倫,進而提供了一種可靠的解決方案,確保快速上市。該解決方案通過BQE認證,同時也還通過了RED、IC和FCC認證,可確保快速整合到終端應用中。


@為何低功耗藍牙如此受歡迎?


如前所述,根據ABI Research(2020)預測,到2024年,單模藍牙LE裝置累計出貨量將達75億顆。由於生態系統和技術方面的原因,藍牙技術廣受歡迎


- 攜帶式裝置之間使用標準連線


- 休眠模式功耗低於1uA,適合電池供電裝置


- 藍牙5.0支援三種不同的PHY,可在範圍和資料速率之間選擇最佳優化權衡


- 能夠在Mesh網路中建立連線


- 採用先進的加密引擎和配對機制等。


意法半導體推出第三代藍牙低功耗裝置BlueNRG-LP,不僅支援上述功能,而且是全球首款支援128併發連線的裝置。其另採用韌體認證技術以提升程式碼資訊的安全性,透過驗證韌體的合法性只允許具有合法簽名的韌體程式在晶片上運行。


總結

本文中討論的BLE不僅是將配件連線到智慧型手機的首選技術,同時還加強了設備的可維護性、診斷能力、韌體能力和美感。這也促成了TaaS等新業務模式的出現。持續創新使BLE成為首選技術,意法半導體將不斷為客戶提供最前沿的創新技術。


(本文作者Vishal GOYAL為意法半導體南亞與印度技術行銷經理)


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