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低功耗蓝牙无线传感器

宣布时间:2018年04月02日 10:04    宣布者:eechina
要害词: 低功耗蓝牙 , 无线传感 , BLE
作者:Mahesh Balan, Cypress

现在,科技生长迅猛,种种装备让天下变得加倍智能。新手艺的赓续泛起,不只刷新了现有手艺,还创作缔造了新的细分市场。蓝牙手艺的前进使得智能蓝牙(低功耗蓝牙BLE)应运而生。凭证蓝牙手艺同盟(SIG)的界说,BLE是一种低功率、短距离、低数据速率的无线通讯协定。BLE的分层协定栈能以低功耗高效传输年夜批数据,使其成为电池供电应用的首选无线协定,如须要定期提取和处置赏罚赏罚数据的低功耗传感器群集接口等。本文将重点简介怎样在数据变换不频仍的传感器应用中,有用地应用BLE保持低功耗无线运转。

现在,全球正进入一个种种系统都须要搜集和交流数据的物联网(IoT)时代。在传感器以无线要领毗连,组成群集并完成装备间数据交流的物联网中,BLE施展着相当主要的角色。主机装备可以是能够监测和控制所有群集节点的智能手机。此类物联网(IoT)应用网罗寻常运动追踪和家庭自动化功效,如高效室庐照明、温度和湿度监测与控制、远程控制破费类电子装备等。

低功耗蓝牙的功率形式

假定传感器接纳电池供电,功耗受限且必须一连很长时间的话, BLE将成为最好毗连选择。好比,一个丈量温度及湿度的低功耗传感器, 其参数是迟缓变换的,此类传感器可以与能够处置赏罚赏罚并将数据传输到主机装备的BLE集成型处置赏罚赏罚器毗连。BLE子系统的操作频率不高,例如每百毫秒一次,而且在其他时间处于低功耗形式。赛普拉斯PSoC 4 BLE等BLE型器件可供应多用户可装备的功耗形式,从而优化自力于处置赏罚赏罚器使命形式的BLE子系统(BLESS)的运转。使开发职员能够降低功耗,并使单块电池的应用寿命到达数年之久。
  
这五种系统功率形式划分为:自动、睡眠、深度睡眠、休眠和阻拦形式。三种BLESS功耗形式划分为自动、睡眠和深度睡眠形式。BLESS形式在系统功率为1.3微安的深度睡眠形式下一直启用。BLE子系统可以在BLESS Active形式下发送和吸收数据。它能保持余暇状态,并在BLESS睡眠形式和深度睡眠形式下保持毗连。这些功耗形式自力于系统的功耗形式,是以开发职员能够无邪地为系统和BLESS划分选择最高效的装备。在此基础上,我们可以培植一个电流需求极低、通常由纽扣电池供电的完全系统。

例如,1秒广播距离的匀称耗电量只需26微安。而1秒毗连距离的匀称耗电量更低,只需17微安。更多有关功耗数值的详细信息和若何装备和降低功耗,参见低功耗蓝牙应用的低功率设计与电池寿命预算。

传感器和低功耗蓝牙

传感器可以年夜致分为模拟和数字两种。尺度的模拟传感器网罗用于监测烟雾、气体、情形光线、职员感应等的传感器。数字传感器网罗监测温度、湿度、压力、加速率等的传感器。当BLE子系统与应用处置赏罚赏罚器集成时,传感器可以接纳多种不合的要领阻拦毗连。例如,可以将模拟传感器馈送到前端具有电压输入器的SAR ADC。数字传感器无需阻拦模拟转换,是以可以经由历程任何通讯接口(如I2C、SPI或单线接口)搜集数据。集成的准时器、计数器、脉宽调制器和通用数字模块(UDB)都可用于完成自界说逻辑以进一步处置赏罚赏罚传感器数据。事实,经处置赏罚赏罚或所吸收的数字数据可以经由历程BLE接口发送,并由内置BLE功效的手机或任何其他客户端装备阻拦监测。随着资源可用性和资源的赓续变换,可选择不合系列的BLE集成处置赏罚赏罚器(如PSoC 4 BLE)以顺应种种应用。

无线传感器群集

无线传感器群集通常作为网状群集和要害群集(见图1)。要害群集网罗可以放置在类似职位的所有传感器。每个传感器须要毗连到单个BLE焦点装备(服务器)来处置赏罚赏罚数据并将其发送到BLE中央装备(客户端)。网状群集接纳可以远程定位传感器的拓扑结构。网格中的每个节点都须要毗连到BLE焦点装备(服务器),所有这些焦点装备都可以毗连到BLE中央装备(客户端)。

image001.jpg image002.jpg
图1:传感器群集拓扑结构
  
网状群集中枢群集                  要害群集      

内置BLE功效的处置赏罚赏罚器的无邪性和富厚资源,使传感器能够与单一BLE装备毗连。图2是应用PSoC Creator的尺度装备。PSoC Creator是一个用于围绕PSoC架构开发应用法式模范模范的IDE。图中显示的是模拟和数字传感器接口和BLE子系统。该装备展示的是用于感测烟雾、光照强度、温度、湿度和压力的尺度工业数据监测系统。装备中的每个组件都有一个联系关系的应用法式模范模范编程接口(API),开发职员可凭证须要会见这些组件。每个组件尚有一个与其相关的数据表对组件的可用装备阻拦诠释。

image003.png
图2:PSoC Creator项目 – 网罗所有须要组件的顶级设计

BLE组件在其GAP层中被装备为从装备。这使任何BLE装备(如BLE手机)都可以扫描此装备,在BLE从装备网罗其称谓广播时被BLE手机毗连。此外,在其GATT层中,BLE装备被装备为具有自界说装备文件的GATT服务器。下面将议论辩说BLE低功耗特点在该组件内启用。名为“Sensor Service”的单一服务具有5种不合的特点,用于搜集每个传感器的数据。每个特点都具有告诉功效,可以将传感器数据作为告诉发送。

BLE中的一切都作为“-运动”处置赏罚赏罚。BLE客栈供应处置赏罚赏罚这些事宜的“界说”。以下代码片断展示了其中一部门运动的运转。

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;
}
}

image004.png
图3:BLE组件装备

一旦两个装备完成毗连,便可以应用毗连距离不合的告诉发送数据。应用法式模范模范接口“CyBle_ProcessEvents()”应置于while(1)循环中,且必须在每个毗连距离中至少挪用一次。我们也能够或许挪用在统一while循环中将数据作为告诉发送的函数。以下函数可用于将温度数据的一个字节作为告诉发送。这也适用于其他传感器特点。

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,处置赏罚赏罚器和BLE子系统(BLESS)具有自力的低功率形式。举个例子 ,假定装备断开毗连,我们可以将处置赏罚赏罚器设置为休眠或阻拦形式以降低功耗。在广播和毗连距离之间,我们可以应用BLESS深度睡眠形式,以致连所应用的各个组件(如ADC、I2C等)也能够或许进入各自的低功率形式并在须要时叫醒。是以,开发职员能够凭证所有系统的现实须要,对功率阻拦异常详实的控制。有关详细的低功率代码片断,请参见低功耗蓝牙应用的低功率设计与电池寿命预算。

while(1) 循环以下:

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);
        }
}   

现在具有BLE功效的手机可以扫描这一传感器群集装备,并应用种种特点来监视每个传感器的数据。一些处置赏罚赏罚器制造商还供应手机真个BLE毗连软件。例如,赛普拉斯供应了一个名为CySmart的应用法式模范模范,该应用法式模范模范可以装配在您的安卓或Apple装备上,并协助您监控BLE传输。

BLE 信标

蓝牙信标的广播旌旗暗记可以被相近的智能装备捕捉。关于此类应用,只须要将BLE组件装备为广播器的GAP,这样系统便可以发送广播信息。信标的功耗应当较低,也能够或许得益于集成的处置赏罚赏罚器/BLE设计。太阳能低功耗蓝牙信标和无线传感器节点可显示正在应用的BLE信标。

BLE在破费类、工业和嵌入式应用等许多市场中的生长势头优胜。该项手艺告成的一个要害因素是它能够在低功耗的情形下运转。BLE手艺使开发职员能够设计出由电池供电、应用寿命更长,对用户加倍友好的应用。
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