圖 1:BLE生態(tài)系統(tǒng)示例
用于智能標(biāo)簽的運(yùn)動感知薄型低功耗藍(lán)牙信標(biāo)解決方案
發(fā)布時間:2021-07-23 來源:Dialog半導(dǎo)體公司 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】信標(biāo)是一個電池供電的微型藍(lán)牙無線電發(fā)射器。它的功能就像一座燈塔,能在一定范圍內(nèi),可以被每個人看到。這些小型硬件設(shè)備一直傳輸?shù)牟皇枪?,而是低功耗藍(lán)牙(BLE)數(shù)據(jù)包。配合使用智能設(shè)備中相應(yīng)的交互式應(yīng)用程序進(jìn)行掃描,這些低功耗藍(lán)牙數(shù)據(jù)可以通過任何帶有內(nèi)置藍(lán)牙收發(fā)器的現(xiàn)代智能手機(jī)設(shè)備中呈現(xiàn)出來。
1. 摘要
信標(biāo)是一個電池供電的微型藍(lán)牙無線電發(fā)射器。它的功能就像一座燈塔,能在一定范圍內(nèi),可以被每個人看到。這些小型硬件設(shè)備一直傳輸?shù)牟皇枪?,而是低功耗藍(lán)牙(BLE)數(shù)據(jù)包。配合使用智能設(shè)備中相應(yīng)的交互式應(yīng)用程序進(jìn)行掃描,這些低功耗藍(lán)牙數(shù)據(jù)可以通過任何帶有內(nèi)置藍(lán)牙收發(fā)器的現(xiàn)代智能手機(jī)設(shè)備中呈現(xiàn)出來。
信標(biāo)提供了一種低成本的廣播解決方案,能夠自主運(yùn)行很長時間。此外,例如當(dāng)在建筑物內(nèi)使用時,不需要額外的技術(shù),因?yàn)橐磺卸伎梢约傻綗o線網(wǎng)絡(luò)的同一個生態(tài)系統(tǒng)中。除此之外,通過一些額外的功能,可以將低功耗藍(lán)牙信標(biāo)廣播消息這個概念進(jìn)行擴(kuò)展,使其能應(yīng)用于其他領(lǐng)域。
在本白皮書中,我們將展示信標(biāo)如何通過使用一系列外圍設(shè)備來支持?jǐn)U展功能,以允許它們在保持自主運(yùn)行的同時處理和顯示數(shù)據(jù)。
圖 1:BLE生態(tài)系統(tǒng)示例
一個典型的低功耗藍(lán)牙生態(tài)系統(tǒng)如圖1所示。該示例顯示了一個接近營銷的應(yīng)用案例。其中,部署的信標(biāo)通過低功耗藍(lán)牙信道,以大約10次/秒的速度廣播ID號。當(dāng)放置在信標(biāo)附近的藍(lán)牙設(shè)備(例如智能手機(jī))接收到此ID號時,應(yīng)用程序識別出此ID號,它會將其鏈接到一個操作。這個操作可以是在智能手機(jī)上顯示營銷優(yōu)惠這樣的簡單操作,也可以是執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù),例如下載應(yīng)用程序。
其他低功耗藍(lán)牙信標(biāo)用例包括但不限于:
● 室內(nèi)導(dǎo)航:GPS信號在室內(nèi)的情況下有時會非常弱。BLE信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)可用于在大型購物中心、博物館、機(jī)場等室內(nèi)場所進(jìn)行準(zhǔn)確定位。
● 智能標(biāo)簽:在大型零售店尤其流行,傳統(tǒng)標(biāo)簽可以用信標(biāo)代替,實(shí)現(xiàn)智能標(biāo)簽機(jī)制,可以最大限度地減少更新產(chǎn)品價格、推出新優(yōu)惠時所需的時間和人力。
● 醫(yī)療保健:BLE信標(biāo)可以通過減少患者等待時間、將患者的病史告知醫(yī)生,包括藥物、醫(yī)療設(shè)備跟蹤(資產(chǎn)跟蹤)、注射設(shè)備、貼片等,為醫(yī)療保健帶來極大的改善。
圖2展示了室內(nèi)導(dǎo)航和智能標(biāo)簽應(yīng)用的示例,使用了BLE信標(biāo)技術(shù)引導(dǎo)和通知訪客。
圖2:用于室內(nèi)導(dǎo)航/智能標(biāo)簽應(yīng)用的BLE信標(biāo)應(yīng)用示例
圖3展示了基于BLE信標(biāo)的醫(yī)療保健應(yīng)用示例。在該示例中,可以遠(yuǎn)程查看和訪問患者的重要讀數(shù)。
圖3:醫(yī)療保健應(yīng)用中BLE信標(biāo)應(yīng)用示例
如果沒有額外的硬件,像運(yùn)動傳感器或視覺輔助設(shè)備等,傳統(tǒng)的低功耗藍(lán)牙信標(biāo)無法支持這些用例。需要具有擴(kuò)展功能的版本。在本文中,我們提出了一種具有擴(kuò)展功能的BLE信標(biāo)解決方案,包括其最重要的外圍設(shè)備:薄型電池、運(yùn)動傳感器和用戶界面組件(LCD、按鈕)。我們將在下一節(jié)中詳細(xì)介紹這些外設(shè)。
本白皮書中還概述了使用柔性PCB技術(shù)來制造低功耗藍(lán)牙信標(biāo)。這是一些細(xì)分應(yīng)用所提出的關(guān)鍵需求,例如智能標(biāo)簽、制藥產(chǎn)品應(yīng)用、可穿戴設(shè)備、醫(yī)療應(yīng)用等。
1.1. 柔性PCB技術(shù)
柔性電路適配具有以下優(yōu)勢:
動態(tài)彎曲:柔性電路具有出色的彎曲或移動能力。此功能有助于通過可在應(yīng)用過程中伸展、收縮或伸縮的設(shè)備來保持連接。這是柔性PCB技術(shù)在空間非常有限的可穿戴和醫(yī)療應(yīng)用中的一項(xiàng)非常有用的優(yōu)勢。
可靠性:柔性電路在高要求的醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域具有出色的性能和可靠性記錄。其基本優(yōu)勢是消除了連接點(diǎn),簡化了組裝,并降低了互連故障(如焊點(diǎn)不良)的風(fēng)險,從而提高了可靠性和耐用性。
空間和重量:最近對更小、更輕設(shè)備的需求不斷增長,使柔性電路成為對空間和重量有著高要求的應(yīng)用之理想選擇。柔性電路超薄,可以輕松彎曲以適應(yīng)幾乎任何表面。與標(biāo)準(zhǔn)剛性PCB板相比,柔性電路也更輕。
成本:由于柔性電路可以將所需的連接數(shù)量減至最少,因此可以高效地大批量生產(chǎn),這有助于降低組裝成本。避免使用焊接線、剛性印刷電路和連接器,為進(jìn)一步降低總成本提供了可能。
2. 低功耗藍(lán)牙信標(biāo)系統(tǒng)概述
具有擴(kuò)展功能的信標(biāo)BLE系統(tǒng)通常由以下主要組件構(gòu)成:
● 低功耗藍(lán)牙SoC單元:一個藍(lán)牙連接系統(tǒng)級芯片(SoC),具有用于必要計(jì)算任務(wù)的內(nèi)置微控制器單元(通常是ARM處理器)。主處理器的選擇取決于設(shè)備的類型和復(fù)雜性。現(xiàn)代MCU將大部分功能集成在單個芯片中。BLE SoC 有一個附加天線,它以特定波長和頻率進(jìn)行廣播。
● 電池:BLE SoC 應(yīng)能夠長時間運(yùn)行,這是通過使用合適的電池電源來實(shí)現(xiàn)的。紐扣電池已被證明是成本、尺寸和持續(xù)時長綜合最有效的解決方案。一般不推薦使用可充電電池,因?yàn)樾枰褂脤S秒娐穪碇С殖潆姴僮?,?dǎo)致成本增加。
● 運(yùn)動傳感器:可以使用帶有加速度計(jì)的運(yùn)動傳感器,通過在未檢測到運(yùn)動時引入系統(tǒng)睡眠模式功能,來延長電池壽命,并提高系統(tǒng)的自主性。當(dāng)然,此可選功能取決于信標(biāo)的應(yīng)用場景。
● 用戶界面:根據(jù)應(yīng)用場景,可以考慮在信標(biāo)中使用各種人機(jī)界面選項(xiàng):
● 低功耗顯示器,例如電子紙技術(shù),具有在完全斷電后持續(xù)顯示單個圖像的優(yōu)勢,對于零售店標(biāo)簽應(yīng)用非常有用。
● 機(jī)械按鈕可用作開/關(guān)機(jī)制的一部分,進(jìn)一步延長電池壽命。
2.1. 具有擴(kuò)展功能、低功耗、靈活的BLE信標(biāo)
圖4:具有擴(kuò)展功能的信標(biāo)設(shè)備電路框圖
圖4描繪了具有擴(kuò)展功能的BLE 信標(biāo)設(shè)備的頂層框圖,包含:
● 低功耗藍(lán)牙(BLE)SoC,采用微處理器單元 ARM Cortex M0用于數(shù)據(jù)傳輸
● 大容量SPI閃存
● 加速度計(jì)/陀螺儀傳感器
● 32MHz晶振
● 開/關(guān)電源開關(guān)
● 考慮到BLE SoC 的顯示驅(qū)動能力有限,也可以將低分辨率電子紙彩色顯示器連接到信標(biāo)系統(tǒng)
3. 硬件元件和實(shí)現(xiàn)
除了提供擴(kuò)展功能之外,Dialog的BLE信標(biāo)方案還支持關(guān)鍵組件的靈活性。PCB、電池和LCD均由可彎曲材料制成,使它們能夠放置在大多數(shù)非平面表面,這對智能標(biāo)簽應(yīng)用尤其重要。
BLE信標(biāo)的另一個關(guān)鍵方面是其所有有源組件都應(yīng)表現(xiàn)出非常低的功耗,以支持較長的電池續(xù)航時間。
3.1. 來自Dialog半導(dǎo)體公司的DA14531 BLE SoC
在本文所示的示例中,我們需要一個功耗非常低的小尺寸BLE MCU解決方案。因此,我們選擇了DA14531 BLE SoC,它是全球尺寸最小的低功耗藍(lán)牙 5.1 系統(tǒng)級芯片(SoC)解決方案之一。它具有破紀(jì)錄的低休眠和運(yùn)行功耗,即使使用最小的一次性電池也能確保較長的運(yùn)行和貨架期。DA14531 采用2.0 x 1.7 mm的小巧封裝,基于強(qiáng)大的32位ARM Cortex M0+,具有集成的存儲器和一套完整的模擬和數(shù)字外設(shè)。
圖5:DA14531電路框圖
具有擴(kuò)展功能的BLE信標(biāo)系統(tǒng)的主要硬件組件分析如下:
3.2. 柔性電子紙顯示器
對于智能標(biāo)簽應(yīng)用,需要薄型低功耗的顯示器。電子紙顯示器是最適合具有擴(kuò)展功能的信標(biāo)用例的,因?yàn)檫@些顯示器僅在刷新時耗電。只要圖像顯示出來后,電子紙顯示器就不需要消耗額外的電來保持該圖像的顯示狀態(tài),這極大地延長了產(chǎn)品的電池使用壽命。
對于本文中描述的示例,我們選擇了多合一顯示器。這類顯示器不需要負(fù)電源(負(fù)電源需要額外的復(fù)雜且昂貴的電路來實(shí)現(xiàn)),從而降低了總體物料成本。顯示分辨率為212*104像素,使用24引腳FPC連接器通過SPI接口連接到主MCU。
3.3.Bosch Sensortec傳感器
為了增加運(yùn)動智能并進(jìn)一步降低系統(tǒng)的功耗,需要添加運(yùn)動傳感器。在本文中,我們使用的是博世BMI270。這是一款超低功耗運(yùn)動傳感器,結(jié)合了加速度計(jì)和陀螺儀,具有多種運(yùn)行模式和自校準(zhǔn)算法。BMI270是實(shí)現(xiàn)此目的非常好的選擇,因?yàn)樗闪藬U(kuò)展信標(biāo)所需的許多功能。此外,其超小尺寸和為數(shù)很少的外部組件使其非常適合在靈活的系統(tǒng)中使用。
3.4.柔性電池
在靈活的信標(biāo)系統(tǒng)中,還需要柔性電池。在本文的系統(tǒng)示例中,使用了Imprint Energy最新推出的先進(jìn)固態(tài)電池。這種電池材料(Zinc poly)可以實(shí)現(xiàn)高能量、安全和穩(wěn)定的超薄運(yùn)行,使其成為BLE信標(biāo)應(yīng)用的理想選擇,因?yàn)樗梢源蛴〕扇魏涡螤?,無需額外密封。這種電池具有非常低的內(nèi)阻,可以長時間承受高電流脈沖,并提供15mAh的標(biāo)稱容量。這些特性使這種電池成為具有擴(kuò)展功能的信標(biāo)應(yīng)用的絕佳選擇。
圖6:15mAh Zinc Poly柔性超薄電池
3.5. 實(shí)際具有擴(kuò)展功能的DA14531靈活BLE 信標(biāo)
圖7和圖8顯示了組裝好的柔性PCB 的頂部視圖和底部視圖,該P(yáng)CB部署了本文第3章節(jié)中所介紹的DA14531信標(biāo)系統(tǒng)。這兩張圖還注明了前幾章節(jié)介紹的所有主要組件的位置。柔性PCB的總厚度為0.23 mm?;氖蔷埘啺罚涮匦匀绫?所示。整個結(jié)構(gòu)(PCB 和外設(shè))的最大高度約為2 mm,考慮到每一側(cè)的最高組件,即電感器(頂部)和顯示器連接器(底部)。大部分表面厚度都低于這個數(shù)字,而電路板的柔性材料使其具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和可彎曲性,使其可以適應(yīng)任何類型的外殼。整個BLE信標(biāo)(PCB、電子紙、電池組件)的靈活性如圖9所示。
表1:聚酰亞胺材料特性
圖 7:DA14531 BLE信標(biāo) - 頂部視圖
圖 8:DA14531 BLE信標(biāo) – 底部視圖
圖9:將柔性BLE信標(biāo)放置在實(shí)際的圓形(非平面)表面上
4. 功率和射頻測量部分
作為以電池供電的設(shè)計(jì),DA14531柔性信標(biāo)應(yīng)具有超低功耗,使其能夠提供較長的工作壽命。圖10顯示了在大約500 uA(平均)水平下測得的總功耗數(shù)值,該測量是在以下條件進(jìn)行的:
● 電子紙顯示器在屏幕刷新模式
● BLE廣播間隔為2秒
● 對附近標(biāo)簽設(shè)備的掃描模式事件
● 加速度計(jì)運(yùn)行,輸出數(shù)據(jù)速率為1.5Hz
圖10:DA14531柔性信標(biāo)的總功耗
圖11顯示了在160 uA(平均)水平的總功耗數(shù)值,在與上述相同的條件下,不包括屏幕刷新事件。
圖11:DA14531柔性信標(biāo)的總功耗,不包括屏幕刷新
在睡眠模式下,極低的功耗至關(guān)重要,因?yàn)檫@是此類信標(biāo)的默認(rèn)運(yùn)行狀態(tài)。對于此方案,電子紙顯示屏上靜態(tài)(固定)圖片測得的睡眠電流為3.9 uA。
在圖12中有表1所描述的柔性聚酰亞胺PCB材料的反射系數(shù)。匹配天線的反射系數(shù) -28dB幾乎與標(biāo)準(zhǔn)非柔性PCB FR4材料相同,因此使用的聚酰亞胺材料具有良好的射頻性能。
圖12:S11幅度(以dB為單位)
5. 結(jié)論
本文介紹了一種基于Dialog半導(dǎo)體公司DA14531 BLE SoC的低功耗、具有擴(kuò)展功能的BLE信標(biāo)系統(tǒng)。重點(diǎn)介紹了柔性材料PCB,它具有更高的可靠性,節(jié)省了成本,最重要的是因其柔性特性而能適應(yīng)任何表面。此外,電池的柔性材料和電子紙顯示組件使這種具有擴(kuò)展功能的低功耗藍(lán)牙信標(biāo)成為醫(yī)療保健和智能標(biāo)簽等應(yīng)用的理想選擇。
(來源:Dialog半導(dǎo)體,作者:Nikolaos Terzopoulos,Dialog半導(dǎo)體公司高級硬件工程師;Marios Iliopoulos,Dialog半導(dǎo)體公司應(yīng)用總監(jiān);Panagiotis Rozos,Dialog半導(dǎo)體公司硬件應(yīng)用經(jīng)理;Athanasios Nikou,Dialog半導(dǎo)體公司初級硬件應(yīng)用工程師)
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