用于智能标签的运动感知薄型低功耗蓝牙信标解决方案

作者：Nikolaos Terzopoulos，Dialog半导体公司高级硬件工程师；Marios Iliopoulos，Dialog半导体公司应用总监；Panagiotis Rozos，Dialog半导体公司硬件应用经理；Athanasios Nikou，Dialog半导体公司初级硬件应用工程师

版本： 1.1

1. 摘要

信标是一个电池供电的微型蓝牙无线电发射器。它的功能就像一座灯塔，能在一定范围内，可以被每个人看到。这些小型硬件设备一直传输的不是光，而是低功耗蓝牙（BLE）数据包。配合使用智能设备中相应的交互式应用程序进行扫描，这些低功耗蓝牙数据可以通过任何带有内置蓝牙收发器的现代智能手机设备中呈现出来。

信标提供了一种低成本的广播解决方案，能够自主运行很长时间。此外，例如当在建筑物内使用时，不需要额外的技术，因为一切都可以集成到无线网络的同一个生态系统中。除此之外，通过一些额外的功能，可以将低功耗蓝牙信标广播消息这个概念进行扩展，使其能应用于其他领域。

在本白皮书中，我们将展示信标如何通过使用一系列外围设备来支持扩展功能，以允许它们在保持自主运行的同时处理和显示数据。

　　图 1：BLE生态系统示例

一个典型的低功耗蓝牙生态系统如图1所示。该示例显示了一个接近营销的应用案例。其中，部署的信标通过低功耗蓝牙信道，以大约10次/秒的速度广播ID号。当放置在信标附近的蓝牙设备（例如智能手机）接收到此ID号时，应用程序识别出此ID号，它会将其链接到一个操作。这个操作可以是在智能手机上显示营销优惠这样的简单操作，也可以是执行更复杂的任务，例如下载应用程序。

其他低功耗蓝牙信标用例包括但不限于：

• 室内导航：GPS信号在室内的情况下有时会非常弱。BLE信标网络可用于在大型购物中心、博物馆、机场等室内场所进行准确定位。
•  智能标签：在大型零售店尤其流行，传统标签可以用信标代替，实现智能标签机制，可以最大限度地减少更新产品价格、推出新优惠时所需的时间和人力。
• 医疗保健：BLE信标可以通过减少患者等待时间、将患者的病史告知医生，包括药物、医疗设备跟踪（资产跟踪）、注射设备、贴片等，为医疗保健带来极大的改善。

图2展示了室内导航和智能标签应用的示例，使用了BLE信标技术引导和通知访客。

图2：用于室内导航 /智能标签应用的BLE信标应用示例

图3展示了基于BLE信标的医疗保健应用示例。在该示例中，可以远程查看和访问患者的重要读数。

图3：医疗保健应用中BLE信标应用示例

如果没有额外的硬件，像运动传感器或视觉辅助设备等，传统的低功耗蓝牙信标无法支持这些用例。需要具有扩展功能的版本。在本文中，我们提出了一种具有扩展功能的BLE信标解决方案，包括其最重要的外围设备：薄型电池、运动传感器和用户界面组件（LCD、按钮）。我们将在下一节中详细介绍这些外设。

本白皮书中还概述了使用柔性PCB技术来制造低功耗蓝牙信标。这是一些细分应用所提出的关键需求，例如智能标签、制药产品应用、可穿戴设备、医疗应用等。

1.1. 柔性PCB技术

柔性电路适配具有以下优势：

动态弯曲：柔性电路具有出色的弯曲或移动能力。此功能有助于通过可在应用过程中伸展、收缩或伸缩的设备来保持连接。这是柔性PCB技术在空间非常有限的可穿戴和医疗应用中的一项非常有用的优势。

可靠性：柔性电路在高要求的医疗应用领域具有出色的性能和可靠性记录。其基本优势是消除了连接点，简化了组装，并降低了互连故障（如焊点不良）的风险，从而提高了可靠性和耐用性。

空间和重量：最近对更小、更轻设备的需求不断增长，使柔性电路成为对空间和重量有着高要求的应用之理想选择。柔性电路超薄，可以轻松弯曲以适应几乎任何表面。与标准刚性PCB板相比，柔性电路也更轻。

成本：由于柔性电路可以将所需的连接数量减至最少，因此可以高效地大批量生产，这有助于降低组装成本。避免使用焊接线、刚性印刷电路和连接器，为进一步降低总成本提供了可能。

2. 低功耗蓝牙信标系统概述

具有扩展功能的信标BLE系统通常由以下主要组件构成：

· 低功耗蓝牙SoC单元：一个蓝牙连接系统级芯片（SoC），具有用于必要计算任务的内置微控制器单元（通常是ARM处理器）。主处理器的选择取决于设备的类型和复杂性。现代MCU将大部分功能集成在单个芯片中。BLE SoC 有一个附加天线，它以特定波长和频率进行广播。

· 电池：BLE SoC 应能够长时间运行，这是通过使用合适的电池电源来实现的。纽扣电池已被证明是成本、尺寸和持续时长综合最有效的解决方案。一般不推荐使用可充电电池，因为需要使用专用电路来支持充电操作，导致成本增加。

· 运动传感器：可以使用带有加速度计的运动传感器，通过在未检测到运动时引入系统睡眠模式功能，来延长电池寿命，并提高系统的自主性。当然，此可选功能取决于信标的应用场景。

· 用户界面：根据应用场景，可以考虑在信标中使用各种人机界面选项：

•  低功耗显示器，例如电子纸技术，具有在完全断电后持续显示单个图像的优势，对于零售店标签应用非常有用。
•  机械按钮可用作开/关机制的一部分，进一步延长电池寿命。

2.1. 具有扩展功能、低功耗、灵活的BLE信标

图4：具有扩展功能的信标设备电路框图

图4描绘了具有扩展功能的BLE 信标设备的顶层框图，包含：

• 低功耗蓝牙（BLE）SoC，采用微处理器单元 ARM Cortex M0用于数据传输
• 大容量SPI闪存
• 加速度计/陀螺仪传感器
• 32MHz晶振
• 开/关电源开关
• 考虑到BLE SoC 的显示驱动能力有限，也可以将低分辨率电子纸彩色显示器连接到信标系统

3. 硬件元件和实现

除了提供扩展功能之外，Dialog的BLE信标方案还支持关键组件的灵活性。PCB、电池和LCD均由可弯曲材料制成，使它们能够放置在大多数非平面表面，这对智能标签应用尤其重要。

BLE信标的另一个关键方面是其所有有源组件都应表现出非常低的功耗，以支持较长的电池续航时间。

3.1. 来自Dialog半导体公司的DA14531 BLE SoC

在本文所示的示例中，我们需要一个功耗非常低的小尺寸BLE MCU解决方案。因此，我们选择了DA14531 BLE SoC，它是全球尺寸最小的低功耗蓝牙 5.1 系统级芯片（SoC）解决方案之一。它具有破纪录的低休眠和运行功耗，即使使用最小的一次性电池也能确保较长的运行和货架期。DA14531 采用2.0 x 1.7 mm的小巧封装，基于强大的32位ARM Cortex M0+，具有集成的存储器和一套完整的模拟和数字外设。

图5：DA14531电路框图

具有扩展功能的BLE信标系统的主要硬件组件分析如下：

3.2. 柔性电子纸显示器

对于智能标签应用，需要薄型低功耗的显示器。电子纸显示器是最适合具有扩展功能的信标用例的，因为这些显示器仅在刷新时耗电。只要图像显示出来后，电子纸显示器就不需要消耗额外的电来保持该图像的显示状态，这极大地延长了产品的电池使用寿命。

对于本文中描述的示例，我们选择了多合一显示器。这类显示器不需要负电源（负电源需要额外的复杂且昂贵的电路来实现），从而降低了总体物料成本。显示分辨率为212*104像素，使用24引脚FPC连接器通过SPI接口连接到主MCU。

3.3. Bosch Sensortec传感器

为了增加运动智能并进一步降低系统的功耗，需要添加运动传感器。在本文中，我们使用的是博世BMI270。这是一款超低功耗运动传感器，结合了加速度计和陀螺仪，具有多种运行模式和自校准算法。BMI270是实现此目的非常好的选择，因为它集成了扩展信标所需的许多功能。此外，其超小尺寸和为数很少的外部组件使其非常适合在灵活的系统中使用。

3.4. 柔性电池

在灵活的信标系统中，还需要柔性电池。在本文的系统示例中，使用了Imprint Energy最新推出的先进固态电池。这种电池材料（Zinc poly）可以实现高能量、安全和稳定的超薄运行，使其成为BLE信标应用的理想选择，因为它可以打印成任何形状，无需额外密封。这种电池具有非常低的内阻，可以长时间承受高电流脉冲，并提供15mAh的标称容量。这些特性使这种电池成为具有扩展功能的信标应用的绝佳选择。

　　图6：15mAh Zinc Poly柔性超薄电池

3.5. 实际具有扩展功能的DA14531灵活BLE 信标

图7和图8显示了组装好的柔性PCB 的顶部视图和底部视图，该PCB部署了本文第3章节中所介绍的DA14531信标系统。这两张图还注明了前几章节介绍的所有主要组件的位置。柔性PCB的总厚度为0.23 mm。基材是聚酰亚胺，其特性如表1所示。整个结构（PCB 和外设）的最大高度约为2 mm，考虑到每一侧的最高组件，即电感器（顶部）和显示器连接器（底部）。大部分表面厚度都低于这个数字，而电路板的柔性材料使其具有很强的适应性和可弯曲性，使其可以适应任何类型的外壳。整个BLE信标（PCB、电子纸、电池组件）的灵活性如图9所示。

表1：聚酰亚胺材料特性

　　图 7：DA14531 BLE信标 - 顶部视图

图9：将柔性BLE信标放置在实际的圆形（非平面）表面上

4. 功率和射频测量部分

作为以电池供电的设计，DA14531柔性信标应具有超低功耗，使其能够提供较长的工作寿命。图10显示了在大约500 uA（平均）水平下测得的总功耗数值，该测量是在以下条件进行的：

•  电子纸显示器在屏幕刷新模式
• BLE广播间隔为2秒
• 对附近标签设备的扫描模式事件
• 加速度计运行，输出数据速率为1.5Hz

图10：DA14531柔性信标的总功耗

图11显示了在160 uA（平均）水平的总功耗数值，在与上述相同的条件下，不包括屏幕刷新事件。

图11：DA14531柔性信标的总功耗，不包括屏幕刷新

在睡眠模式下，极低的功耗至关重要，因为这是此类信标的默认运行状态。对于此方案，电子纸显示屏上静态（固定）图片测得的睡眠电流为3.9 uA。

在图12中有表1所描述的柔性聚酰亚胺PCB材料的反射系数。匹配天线的反射系数 -28dB几乎与标准非柔性PCB FR4材料相同，因此使用的聚酰亚胺材料具有良好的射频性能。

图12：S11幅度（以dB为单位）

5. 结论

本文介绍了一种基于Dialog半导体公司DA14531 BLE SoC的低功耗、具有扩展功能的BLE信标系统。重点介绍了柔性材料PCB，它具有更高的可靠性，节省了成本，最重要的是因其柔性特性而能适应任何表面。此外，电池的柔性材料和电子纸显示组件使这种具有扩展功能的低功耗蓝牙信标成为医疗保健和智能标签等应用的理想选择。