如何实现蓝牙低功耗一体化方案？答案就在SiP和设计生态系统

作者：Pavan Mulabagal

安森美半导体物联网(IoT)策略及营销总监

物联网(IoT)对我们生活的许多方面都产生了重大影响，包括工作、娱乐和日常任务。

互联设备有几百亿台，且每周增加几百万台，很难想象全球网络将多大程度改善我们所生活的世界。

这些联接的设备除了主要作为传感器、执行器或两者组合的功能以及无线优先，还有两个共同的要求。

它们需要与含主机和云的其他设备通信；

由于通常由微小的纽扣电池供电，因此它们还需要省电，以能自给自足并尽可能地小。

IoT对于设计人员来说是个具有挑战性的领域，因为他们努力满足用户和消费者日益苛刻的需求和期望。

虽然设计在物理尺寸上很小，但它们也是复杂的系统，结合许多不同的技术，设计人员必须利用精密的技术和低功耗组件来实现他们的目标。

蓝牙低功耗

蓝牙在IoT应用得到了广泛的应用，因为它可在每一部智能手机和平板电脑上使用，从而提供几乎无处不在的互联网接入，且包含的特性与IoT部署需求非常吻合。

蓝牙低功耗最初被称为“蓝牙智能”，它以数据包的形式传输数据，然后进入睡眠模式，从而节省了大量电能。蓝牙4还支持在休眠时保持联接/配对，从而进一步省电。

蓝牙仍在演进，在以后的版本中包括支持快速开发的功能如安全配对、AES-128加密和配置文件等。

4.2版本的数据吞吐量提高了10倍，数据范围提高了2.5倍，从而开启了需要更大数据吞吐量的应用。

蓝牙5是当前版本，并针对IoT应用进行了优化。 带宽增加了一倍，达到2 Mbps，可能蓝牙5最重要的进步是含网状网络能力，省去中枢，从而可以创建更多大的IoT网络。

IoT应用

列举IoT应用是个挑战，因为有太多了，且还在迅速增加。

IoT联接我们居住的家居，监控我们的健康状况，管理我们的工作场所，改善我们居住的城市和我们行驶的车辆，等等。

IoT超越了消费和工业市场。

在工业中，

节点监控流程以提高产品质量，并监控机器以评估磨损情况，从而实现预防性维护，节省与停机相关的成本。

在物流方面，

蓝牙低功耗扫描仪可以通过智能标签帮助跟踪库存，而传感器则标记重新填充容器或补充库存的需求。

随着对电池电量的日益依赖以及全球对降低能耗的认识，能源管理已成为世界各地的重要问题。

智能楼宇中基于蓝牙低功耗的IoT节点感知对热、光、冷却和通风的需求并实时控制灯、窗和暖通空调(HVAC)设备，以便以最经济的方式运行，通常在区域无人时关断资源。

在我们的家中，蓝牙低功耗可跟踪白家电的使用，甚至启动再订购，以自动装满我们的冰箱。

针对人口老龄化，蓝牙使新一代的个人健康监测仪能够远程联接医疗专业人员与患者，从而减少到医院就诊的需求，同时提高医疗保健的质量。

设计基于蓝牙低功耗的IoT方案

IoT方案的实现可能很复杂，因为它们需要广泛的技术协同工作。

这可能包括微控制器、传感器的模拟设计块和用于通信和电源管理的RF设计。通常需要在具有最小功率需求的小尺寸方案中结合这所有。

因此，设计人员正寻求专门设计用于支持快速、低风险设计流程的实现IoT应用的集成方案。RSL10系统级封装(RSL10 SIP)就是这样一种器件的示例，它提供了向IoT节点添加蓝牙低功耗的一体化方案。

图1. RSL10系统级封装(RSL10 SIP)

RSL10 SIP是一款灵活的超微型蓝牙5器件，将RSL10蓝牙低功耗无线电系统单芯片(SoC)、集成天线和所有无源器件集成在一个完整的小外形系统中。

RSL10 SIP完全通过了全球所有标准(CE、FCC、IC、MIC、KC)的认证，无需更多的RF设计专知或认证，从而显著缩短设计时间。

SiP还含板载内存资源-384 kB的非易失性闪存-其中256 kB可用于用户应用程序-88 kB的数据随机存储器(RAM)和直接存储器存取(DMA)控制器。

还有一系列可配置的外部接口，包括I2C、通用异步收发器(UART)和双串行外设接口(SPI)（主/从），提高灵活性用于广泛应用。

RSL10 SIP可支持蓝牙低功耗技术以及其他2.4 GHz专有和/或自定义协议栈。支持空中固件更新(FOTA)使制造商可在部署后提供更新并添加更多功能。

板载电源管理是对SiP器件实现IoT应用的关键要求。

RSL10是目前市场上最低功耗的蓝牙低功耗无线电。当工作在接收模式时，它只消耗7 mW，在深睡眠模式下降至62.5 NW。这使设计人员能最小化所需外部器件数，减小系统大小尺寸和重量。

宽工作电压范围对设计人员是个更有价值的特性，并扩大了RSL10等器件的潜在应用范围。

电源电压范围为1.1至3.3 V，支持使用1.2或1.5 V电池，而无需外部DC-DC转换器。它还能随着电池电压降低延长有用的工作时间。

设计资源

工程师除了需要功能强大且高度集成的方案的优势，现在还经常寻求工具和帮助，以在尽可能短的时间内以最低的成本和最少的专业资源完成设计。

安森美半导体提供一系列有用的工具，以进一步简化和加速使用RSL10的设计。

01

RSL10软件开发套件(SDK)提供一个完整的基于Eclipse的集成开发环境，用于开发超低功耗蓝牙低功耗应用。

该套件支持KeiluVision®和IAR Embedded Work Bench®，以及广泛的抽象、驱动程序和示例应用程序、FreeRTOS和空中固件更新(FOTA)移动应用程序。

图2. RSL10 SDK嵌入式软件

02

蓝牙IoT开发套件（B-IDK）提供完整的节点到云的方案，采用模块化设计，包括广泛的传感器和执行器。

便捷的CMSIS-Pack提供软件支持，添加更高级别的功能RSL10 SDK。B-IDK CMSIS-Pack包含传感器驱动程序、云支持和B-IDK平台特定的文档。

此外，移动应用程序支持控制硬件以及发布和订阅(MQTT)来自多个流行云服务的传感器和执行器数据。

传感器开发套件也可为那些从事IoT设计的人提供非常有用的资源，可能是首次的。

03

RSL10传感器开发套件含10多个传感器，涵盖光、环境、声音、位置和运动，帮助工程师快速从概念到实现方案，减少设计迭代。

图3. RSL10传感器开发套件

小结

使用流行的协议通信并使用超小电源运行的能力是IoT设备致胜的关键因素。

技术如蓝牙低功耗随时间不断演进，从一种以非常近的距离联接外设的基本方式到实用的技术，满足IoT的高度优化需求。

器件如RSL10 SIP把外部器件和RF子系统集成在一个小的、高能效的封装中，简化了设计任务。把这与广泛的支援工具相结合，帮助设计人员以最低的风险、成本和最少的时间向IoT节点添加低功耗的蓝牙低功耗功能。