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作者：Mahesh Balan, Cypress 如今，科技發展迅猛，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發揮著至關重要的角色。主機設備可以是能夠監測和控制所有網絡節點的智能手機。此類物聯網（IoT）應用包括日常活動追蹤以及家庭自動化功能，如高效住宅照明、溫度和濕度監測與控制、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，從而優化獨立于處理器工作模式的BLE子系統（BLESS）的運行。使開發人員能夠降低功耗，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模式下發送和接收數據。它能保持空閑狀態，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測煙霧、氣體、環境光線、人員感應等的傳感器。數字傳感器包括監測溫度、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接口發送，并由內置BLE功能的手機或任何其他客戶端設備進行監測。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數據監測系統。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“Sensor Service”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送數據。應用程序接口“CyBle_ProcessEvents()”應置于while(1)循環中，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循環中將數據作為通知發送的函數。以下函數可用于將溫度數據的一個字節作為通知發送。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點可顯示正在使用的BLE信標。 BLE在消費類、工業和嵌入式應用等許多市場中的發展勢頭良好。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。 |
