低功耗蓝牙物联网电路设计方案分享

　　具有蓝牙功能的IoT设备可通过智能手机和其他网关设备提供即时可用的数据访问。但电池供电的低功耗IoT解决方案的设计在无线检测以及高能耗通信子系统的优化方面依然面临挑战。对于上市时间排程极度紧迫的设计人员而言，必须简化设计任务。

　　为帮助开发人员应对低功耗设计复杂性和上市时间压力带来的挑战，意法半导体和EnmoTechnologies分别将其各自的SensorTile开发套件和蓝牙软件专业技术进行结合。他们携手推出了一种简单的方法，用于快速开发能够满足紧张的功率预算的电池供电IoT设备。

　　IoT硬件和软件未必费力

　　对于希望利用无处不在的蓝牙移动设备的设计人员而言，集成式蓝牙解决方案的出现令他们如虎添翼。除了降低设计复杂性以外，现成的蓝牙解决方案可直接加速市场投放，因为这些解决方案往往已通过认证，符合监管要求。但对于大多数开发人员而言，将这些包含多个传感器的精密IC与一个主机MCU组合起来的任务，依然是一个漫长而复杂的过程。此外，即使是经验最丰富的开发团队，面对相关软件驱动程序、中间件和应用软件的开发也可能举步维艰。

　　意法半导体的SensorTile开发套件提供了一套完整的IoT开发解决方案，它组合了一块无线传感器系统板、一对载板和一个综合软件开发包。EnmoTechnologies的IoT.Over.Beacon软件平台旨在与SensorTile环境配合使用，可提供独特的解决方案，最大限度降低具有蓝牙功能的IoT设计的功耗。搭配使用SensorTile套件和Enmo平台，开发人员便能以最少的工作实施完整的低功耗IoT设备解决方案，或使用相同的硬件和软件组件作为定制设计的基础。

　　无线传感器节点

　　作为套件的核心组件，SensorTile核心系统板是采用13.5mmx13.5mm封装且具有蓝牙功能的独立传感器系统。该核心系统以基于32位ARM®Cortex®-M4F的STM32L4MCU为基础，包含意法半导体BlueNRG蓝牙收发器和多个传感器，所有组件均通过SPI连接或专用接口进行通信（图1）。

　　

　　ST为该板打包了自己的全套传感器，包括LSM6DSM惯性测量装置（IMU）、LSM303AGR电子罗盘模块、LPS22HB压力传感器及其MP34DT04MEMS麦克风。连同板载的低压差（LDO）稳压器，核心板包含意法半导体BALF-NRG-01D3小型平衡不平衡转换器，其中集成了一个谐波滤波器和专为BlueNRG收发器定制的匹配网络。TDKANT016008LCS2442MA1多层天线补全了无线传感器系统的设计。

　　开发人员可使用两种不同的方案将核心板连接到套件配套的载板，或其自己的系统设计。在板的两侧，开发人员可利用一组焊盘将其焊接到鞍形板或其他PC板。板的背面包含一个连接器，用于将其安装到扩展板或其他任何具有相应连接器的电缆或板（图2）。

　　

　　PC板焊盘和背面连接器均引出了多个MCU引脚，包括SPI、I2C和UART接口，一个脉冲密度调制（PDM）接口，多个数模转换器（ADC）以及ST的串行线调试（SWD）接口（图3）。

　　

　　尽管核心板可用作独立解决方案，但套件的载板为设计人员提供了基于SensorTile开发和部署IoT设计的替代方案。鞍形板和配套的原理图说明了开发人员如何使用更多传感器和其他外设来扩充核心系统。该板包括一个用于湿度和温度的意法半导体HTS221传感器。此外，鞍形板还包括SD卡插座、micro-USB接口、开关和电池组。设计人员只需将核心板焊接到鞍形上的相应焊盘，便可利用更多外设。完成开发后，设计人员可在交货时移除鞍形板的可折断SWD接口。

　　套件的扩展板提供了一种更为简单的方法来开发定制设计。开发人员只需使用专用连接器将核心板插入扩展板即可（图2）。连同用于软件开发的SWD接口，扩展板提供了包括micro-USB连接器、音频插孔和Arduino兼容型连接器在内的更多连接器。

　　即时部署

　　开发人员只需将核心板插入扩展板（或将其焊接到鞍形板上），通过USB将其连接到主机PC以获取电源，然后下载受支持的Android或iOS移动应用程序，便可开始探索具有蓝牙功能的IoT设计。开发套件附带的核心系统已使用支持三种样例应用程序的固件进行编程，这些应用程序将低功耗蓝牙（BLE）与适用于Android或iOS的STBlueMS应用程序配合使用，分别演示了将传感器数据记录到SD卡、MEMS麦克风音频流和传感器数据流等应用。

　　除了提供用于即时部署SensorTile应用程序的软件以外，这些样例应用程序还可作为使用SensorTile的多层架构的指导。连同ARMCortex微控制器软件接口标准（CMSIS）元器件，意法半导体基于自己的STM32Cube环境提供硬件抽象层（HAL）和板级支持包（BSP）。这些层反过来与STLCS01V1核心板、STLCX01V1扩展板和STLCR01V1鞍形板上的基础硬件接口（图4）。

　　

　　分层架构尽管看似复杂，但为开发人员提供了传感器数据采集和无线通信的简单抽象视图。例如，BLE流应用程序演示了开发人员只需在主等待循环之前调用若干初始化例程便可（列表1）。主循环等待关键事件，包括用于指定传感器数据采样之间的等待时间的定时器到期。当定时器处理程序设置SendEnv=1，该例程便会使用单个调用。

　　SendEnvironmentalData例程以步进方式遍历各个传感器，使用BSP例程采集各个传感器的数据。例如，压力传感器BSP例程BSP_PRESSURE_Get_Press（）将更新压力传感器设备特定的数据结构中包含的数据。SendEnvironmentalData例程随后使用相应的调用，通过蓝牙将数据传输到BlueNRG服务例程MCR_BLUEMS_F2I_2D（）。

　　设计人员可采用提供的软件应用程序并加入少许更改，也可根据自己的定制需求进行改写。SensorTile软件环境受意法半导体STM32开放式开发环境（STM32ODE）支持，旨在支持开源软件库和框架。套件已使用ST的BLUEMICROSYSTEM开放式框架固件进行预编程。

　　意法半导体的开放式环境为开发人员提供了另一重大好处。他们可以利用旨在增强功能的第三方软件库，而不是继续局限于特定的机制。对于有功率限制的IoT设备，此功能在利用能效更高的机制时变得尤其重要。

　　降低电源要求

　　对于许多IoT应用而言，相关的无线传感器系统依赖于电池电量，并且需要符合严格的功率预算。SensorTile核心系统通过使用低功耗器件满足这一硬件要求。例如，在环境和运动应用中通常所需的低速率下，传感器只需要微安级别的功耗。LSM6DSMIMU在12.5Hz的采样率下仅使用9μA电流，LSM303AGR电子罗盘在20Hz下仅需200μA电流，LPS22HB压力传感器在1Hz下需要的电流不超过12μA。

　　此外，STM32L476MCU在运行模式下只需100μA/MHz（24MHz）。BlueNRG蓝牙收发器IC在维持一个有源BLE堆栈的待机模式下仅消耗1.7μA电流。即便如此，有源无线传输往往仍消耗了主要功率份额，SensorTile也不例外。BlueNRG收发器在8.2mA电流下以0dBm传输数据，非常适合低功耗应用，但即便如此，仍是功率受限型设计的用电大户。

　　系统设计人员可通过简单的权宜之计，即减少无线传输事务的数量并缩短其持续时间，来解决与无线通信相关的功耗挑战。不过，使用标准蓝牙通信，开发人员只有很少几个选项用于限制功耗。具有蓝牙功能的典型应用依赖于使用重复轮询检查的设备发现和配对，这会造成大量功耗而并无实际数据交换。而且，标准蓝牙配对会给IoT部署带来严重的后勤复杂性，因为每个IoT设备都需要置于发现模式。其次，它必须采用手动方式与移动设备或其他数据聚合器配对。

　　蓝牙的信标机制提供了可消除与发现和配对相关的功耗和后勤问题的备选方案。不幸的是，标准信标不能携带任何数据有效载荷（例如传感器数据）。

　　不过，利用其IoT.Over.Beacon技术，EnmoTechnologies可将信标技术的省电优势与蓝牙配对设备技术的数据交换功能相结合。因此，Enmo的机制可提供多达50KB的可变大小有效载荷，同时还能满足长时间操作电池供电IoT设备所需的低功耗要求。

　　与本机SensorTile环境一样，开发人员可利用Enmo的参考固件。尽管Enmo参考固件被处理为对开发人员保持透明，但它将低级意法半导体调用替换为对其适用于SensorTile的专有IoT.Over.Beacon库的调用。

　　为此，开发人员需要使用STM32ST-Link实用程序来加载参考固件，该实用程序提供了简单的图形用户界面来选择和上传文件。Enmo参考固件被加载到SensorTile核心板后，将通过低功耗蓝牙连接与Enmo的Android和iOS移动应用程序交互。开发人员可以在Enmo应用程序中轻松显示SensorTile数据，即，使用小工具将传感器数据显示为图形或表格（图5）。

　　

　　传统蓝牙信标的一项关键功能是，它们能够在移动设备进入和离开具有信标功能的应用程序所覆盖的物理区域时触发。但对于IoT设备，物理进入和退出的概念可能不适用。

　　Enmo提供了专有机制来模仿蓝牙信标的传统进入和退出模式。在这里，开发人员为IoT设备指定触发进入和退出的条件。例如，某个温度检测IoT设备可能会在温度变化至高于或低于某个设定的阈值时启动“进入”或“退出”协议。

　　与本机SensorTile软件包一样，用于SensorTile的Enmo参考固件提供了一种即时解决方案，用于快速部署具有蓝牙功能的低功耗IoT设备。类似地，针对定制SensorTile开发，Enmo提供了一个软件开发套件（SDK），可允许工程师将Enmo的IoT.Over.Beacon机制集成到自己独有的SensorTileIoT应用。利用EnmoSDK，开发人员使用意法半导体环境编写定制的SensorTile固件，在需要通过蓝牙发送数据时调用Enmo的IoT.Over.Beacon库。该库将在IoT.Over.Beacon模式下透明地执行数据传输，并在完成传输后提供软件回调。

　　总结

　　电池供电的IoT设计为希望快速部署具有蓝牙功能的传感器设备的开发人员造成了重大障碍。意法半导体SensorTile开发套件提供了完整的解决方案，该解决方案可用作独立设备，也可作为子系统添加到现有设计。尽管SensorTile具有低功耗要求，但标准蓝牙协议可能会快速耗尽电池供电系统的电量。

　　通过将STSensorTile与EnmoTechnologies独有的IoT.Over.Beacon平台相结合，开发人员可快速部署具有蓝牙功能并且能够符合严格的功率预算的传感器。