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低功耗蓝牙无线传感器解析
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低功耗蓝牙
无线传感器
如今，科技发展迅猛，各种设备让世界变得更加智能。新技术的不断出现，不仅改进了现有技术，还创造了新的细分市场。蓝牙技术的进步使得智能蓝牙（低功耗蓝牙BLE）应运而生。按照蓝牙技术联盟（SIG）的定义，BLE是一种低功率、短距离、低数据速率的无线
通信
协议。BLE的分层协议栈能以低功耗高效传输少量数据，使其成为电池供电应用的首选无线协议，如需要定期提取和处理数据的低功耗传感器网络接口等。本文将重点介绍如何在数据变化不频繁的传感器应用中，有效地利用BLE维持低功耗无线运行。
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（2）
黄欢
2020-7-30 11:41:24
目前，全球正进入一个各种系统都需要采集和交换数据的物联网（IoT）时代。在传感器以无线方式连接，形成网络并实现设备间数据交换的物联网中，BLE发挥着至关重要的角色。主机设备可以是能够监测和控制所有网络节点的智能手机。此类物联网（IoT）应用包括日常活动追踪以及家庭自动化功能，如高效住宅照明、温度和湿度监测与控制、远程控制消费类电子设备等。
低功耗蓝牙的功率模式
如果传感器采用电池供电，功耗受限且必须持续很长时间的话，BLE将成为最佳连接选择。比如，一个测量温度及湿度的低功耗传感器，其参数是缓慢变化的，此类传感器可以与能够处理并将数据传输到主机设备的BLE集成型处理器连接。BLE子系统的操作频率不高，例如每百毫秒一次，而且在其他时间处于低功耗模式。赛普拉斯PSoC 4 BLE等BLE型器件可提供多用户可配置的功耗模式，从而优化独立于处理器工作模式的BLE子系统（BLESS）的运行。使开发人员能够降低功耗，并使单块电池的使用寿命达到数年之久。
这五种系统功率模式分别为：主动、睡眠、深度睡眠、休眠和停止模式。三种BLESS功耗模式分别为主动、睡眠和深度睡眠模式。BLESS模式在系统功率为1.3微安的深度睡眠模式下始终启用。BLE子系统可以在BLESS Active模式下发送和接收数据。它能保持空闲状态，并在BLESS睡眠模式和深度睡眠模式下维持连接。这些功耗模式独立于系统的功耗模式，因此开发人员能够灵活地为系统和BLESS分别选择最高效的配置。在此基础上，我们可以建立一个电流需求极低、通常由纽扣电池供电的完整系统。
例如，1秒广播间隔的平均耗电量只有26微安。而1秒连接间隔的平均耗电量更低，只有17微安。更多有关功耗数值的详细信息以及如何配置和降低功耗，参见低功耗蓝牙应用的低功率设计与电池寿命估算。
传感器和低功耗蓝牙
传感器可以大致分为模拟和数字两种。典型的模拟传感器包括用于监测烟雾、气体、环境光线、人员感应等的传感器。数字传感器包括监测温度、湿度、压力、加速度等的传感器。当BLE子系统与应用处理器集成时，传感器可以采用多种不同的方式进行连接。例如，可以将模拟传感器馈送到前端具有电压输出器的SAR ADC。数字传感器无需进行模拟转换，因此可以通过任何通信接口（如I2C、SPI或单线接口）采集数据。集成的定时器、计数器、脉宽调制器和通用数字模块（UDB）均可用于实现自定义逻辑以进一步处理传感器数据。最终，经处理或所接收的数字数据可以通过BLE接口发送，并由内置BLE功能的手机或任何其他客户端设备进行监测。随着资源可用性和成本的不断变化，可选择不同系列的BLE集成处理器（如PSoC 4 BLE）以适应各种应用。
无线传感器网络
无线传感器网络通常作为网状网络和枢纽网络（见图1）。枢纽网络包括可以放置在相同位置的所有传感器。每个传感器需要连接到单个BLE外围设备（服务器）来处理数据并将其发送到BLE中央设备（客户端）。网状网络采用可以远程定位传感器的拓扑结构。网格中的每个节点都需要连接到BLE外围设备（服务器），所有这些外围设备都可以连接到BLE中央设备（客户端）。
图 1：传感器网络拓扑结构
目前，全球正进入一个各种系统都需要采集和交换数据的物联网（IoT）时代。在传感器以无线方式连接，形成网络并实现设备间数据交换的物联网中，BLE发挥着至关重要的角色。主机设备可以是能够监测和控制所有网络节点的智能手机。此类物联网（IoT）应用包括日常活动追踪以及家庭自动化功能，如高效住宅照明、温度和湿度监测与控制、远程控制消费类电子设备等。
低功耗蓝牙的功率模式
如果传感器采用电池供电，功耗受限且必须持续很长时间的话，BLE将成为最佳连接选择。比如，一个测量温度及湿度的低功耗传感器，其参数是缓慢变化的，此类传感器可以与能够处理并将数据传输到主机设备的BLE集成型处理器连接。BLE子系统的操作频率不高，例如每百毫秒一次，而且在其他时间处于低功耗模式。赛普拉斯PSoC 4 BLE等BLE型器件可提供多用户可配置的功耗模式，从而优化独立于处理器工作模式的BLE子系统（BLESS）的运行。使开发人员能够降低功耗，并使单块电池的使用寿命达到数年之久。
这五种系统功率模式分别为：主动、睡眠、深度睡眠、休眠和停止模式。三种BLESS功耗模式分别为主动、睡眠和深度睡眠模式。BLESS模式在系统功率为1.3微安的深度睡眠模式下始终启用。BLE子系统可以在BLESS Active模式下发送和接收数据。它能保持空闲状态，并在BLESS睡眠模式和深度睡眠模式下维持连接。这些功耗模式独立于系统的功耗模式，因此开发人员能够灵活地为系统和BLESS分别选择最高效的配置。在此基础上，我们可以建立一个电流需求极低、通常由纽扣电池供电的完整系统。
例如，1秒广播间隔的平均耗电量只有26微安。而1秒连接间隔的平均耗电量更低，只有17微安。更多有关功耗数值的详细信息以及如何配置和降低功耗，参见低功耗蓝牙应用的低功率设计与电池寿命估算。
传感器和低功耗蓝牙
传感器可以大致分为模拟和数字两种。典型的模拟传感器包括用于监测烟雾、气体、环境光线、人员感应等的传感器。数字传感器包括监测温度、湿度、压力、加速度等的传感器。当BLE子系统与应用处理器集成时，传感器可以采用多种不同的方式进行连接。例如，可以将模拟传感器馈送到前端具有电压输出器的SAR ADC。数字传感器无需进行模拟转换，因此可以通过任何通信接口（如I2C、SPI或单线接口）采集数据。集成的定时器、计数器、脉宽调制器和通用数字模块（UDB）均可用于实现自定义逻辑以进一步处理传感器数据。最终，经处理或所接收的数字数据可以通过BLE接口发送，并由内置BLE功能的手机或任何其他客户端设备进行监测。随着资源可用性和成本的不断变化，可选择不同系列的BLE集成处理器（如PSoC 4 BLE）以适应各种应用。
无线传感器网络
无线传感器网络通常作为网状网络和枢纽网络（见图1）。枢纽网络包括可以放置在相同位置的所有传感器。每个传感器需要连接到单个BLE外围设备（服务器）来处理数据并将其发送到BLE中央设备（客户端）。网状网络采用可以远程定位传感器的拓扑结构。网格中的每个节点都需要连接到BLE外围设备（服务器），所有这些外围设备都可以连接到BLE中央设备（客户端）。
图 1：传感器网络拓扑结构
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王春梅
2020-7-30 11:41:55
网状网络中枢网络枢纽网络
内置BLE功能的处理器的灵活性和丰富资源，使传感器能够与单一BLE设备连接。图2是使用PSoC Creator的典型配置。PSoCCreator是一个用于围绕PSoC架构开发应用程序的IDE。图中显示的是模拟和数字传感器接口以及BLE子系统。该配置展示的是用于感测烟雾、光照强度、温度、湿度和压力的典型工业数据监测系统。配置中的每个组件都有一个关联的应用程序编程接口（API），开发人员可根据需要访问这些组件。每个组件还有一个与其相关的数据表对组件的可用配置进行说明。
图 2：PSoC Creator项目 – 包含所有必要组件的顶级设计
BLE组件在其GAP层中被配置为从设备。这使任何BLE设备（如BLE手机）都可以扫描此设备，在BLE从设备包含其名称广播时被BLE手机连接。此外，在其GATT层中，BLE设备被配置为具有自定义配置文件的GATT服务器。下面将讨论BLE低功耗特性在该组件内启用。名为“SensorService”的单一服务具有5种不同的特性,用于采集每个传感器的数据。每个特性都具有通知功能，可以将传感器数据作为通知发送。
BLE中的一切都作为“-活动”处理。BLE堆栈提供处理这些事件的“定义”。以下代码片段展示了其中一部分活动的运行。
CyBle_Start(AppCallBack);
voidAppCallBack(uint32 event, void* eventParam)
{
CYBLE_API_RESULT_TapiResult;
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;
}
}
图 3：BLE组件配置
一旦两个设备实现连接，就能使用连接间隔不同的通知发送数据。应用程序接口“CyBle_ProcessEvents()”应置于while(1)循环中，且必须在每个连接间隔中至少调用一次。我们也可以调用在同一while循环中将数据作为通知发送的函数。以下函数可用于将温度数据的一个字节作为通知发送。这也适用于其他传感器特性。
voidSendTempNotification(uint8TempData)
{
CYBLE_API_RESULT_TbleApiResult;
CYBLE_GATTS_HANDLE_VALUE_NTF_TTempHandle;
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，处理器和BLE子系统（BLESS）具有独立的低功率模式。举个例子，如果设备断开连接，我们可以将处理器设置为休眠或停止模式以降低功耗。在广播和连接间隔之间，我们可以利用BLESS深度睡眠模式，甚至连所使用的各个组件（如ADC、I2C等）也可以进入各自的低功率模式并在需要时唤醒。因此，开发人员能够根据整个系统的实际需要，对功率进行非常细致的控制。有关详细的低功率代码片段，请参见低功耗蓝牙应用的低功率设计与电池寿命估算。
while(1) 循环如下：
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功能的手机可以扫描这一传感器网络设备，并使用各种特性来监视每个传感器的数据。一些处理器制造商还提供手机端的BLE连接软件。例如，赛普拉斯提供了一个名为CySmart的应用程序，该应用程序可以安装在您的安卓或Apple设备上，并协助您监控BLE传输。
BLE 信标
蓝牙信标的广播信号可以被附近的智能设备捕捉。对于此类应用，只需要将BLE组件配置为广播器的GAP，这样系统就可以发送广播信息。信标的功耗应该较低，也可以得益于集成的处理器/BLE设计。太阳能低功耗蓝牙信标和无线传感器节点可显示正在使用的BLE信标。
BLE在消费类、工业和嵌入式应用等许多市场中的发展势头良好。该项技术成功的一个关键因素是它能够在低功耗的情况下运行。BLE技术使开发人员能够设计出由电池供电、使用寿命更长，对用户更加友好的应用。
网状网络中枢网络枢纽网络
内置BLE功能的处理器的灵活性和丰富资源，使传感器能够与单一BLE设备连接。图2是使用PSoC Creator的典型配置。PSoCCreator是一个用于围绕PSoC架构开发应用程序的IDE。图中显示的是模拟和数字传感器接口以及BLE子系统。该配置展示的是用于感测烟雾、光照强度、温度、湿度和压力的典型工业数据监测系统。配置中的每个组件都有一个关联的应用程序编程接口（API），开发人员可根据需要访问这些组件。每个组件还有一个与其相关的数据表对组件的可用配置进行说明。
图 2：PSoC Creator项目 – 包含所有必要组件的顶级设计
BLE组件在其GAP层中被配置为从设备。这使任何BLE设备（如BLE手机）都可以扫描此设备，在BLE从设备包含其名称广播时被BLE手机连接。此外，在其GATT层中，BLE设备被配置为具有自定义配置文件的GATT服务器。下面将讨论BLE低功耗特性在该组件内启用。名为“SensorService”的单一服务具有5种不同的特性,用于采集每个传感器的数据。每个特性都具有通知功能，可以将传感器数据作为通知发送。
BLE中的一切都作为“-活动”处理。BLE堆栈提供处理这些事件的“定义”。以下代码片段展示了其中一部分活动的运行。
CyBle_Start(AppCallBack);
voidAppCallBack(uint32 event, void* eventParam)
{
CYBLE_API_RESULT_TapiResult;
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;
}
}
图 3：BLE组件配置
一旦两个设备实现连接，就能使用连接间隔不同的通知发送数据。应用程序接口“CyBle_ProcessEvents()”应置于while(1)循环中，且必须在每个连接间隔中至少调用一次。我们也可以调用在同一while循环中将数据作为通知发送的函数。以下函数可用于将温度数据的一个字节作为通知发送。这也适用于其他传感器特性。
voidSendTempNotification(uint8TempData)
{
CYBLE_API_RESULT_TbleApiResult;
CYBLE_GATTS_HANDLE_VALUE_NTF_TTempHandle;
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，处理器和BLE子系统（BLESS）具有独立的低功率模式。举个例子，如果设备断开连接，我们可以将处理器设置为休眠或停止模式以降低功耗。在广播和连接间隔之间，我们可以利用BLESS深度睡眠模式，甚至连所使用的各个组件（如ADC、I2C等）也可以进入各自的低功率模式并在需要时唤醒。因此，开发人员能够根据整个系统的实际需要，对功率进行非常细致的控制。有关详细的低功率代码片段，请参见低功耗蓝牙应用的低功率设计与电池寿命估算。
while(1) 循环如下：
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功能的手机可以扫描这一传感器网络设备，并使用各种特性来监视每个传感器的数据。一些处理器制造商还提供手机端的BLE连接软件。例如，赛普拉斯提供了一个名为CySmart的应用程序，该应用程序可以安装在您的安卓或Apple设备上，并协助您监控BLE传输。
BLE 信标
蓝牙信标的广播信号可以被附近的智能设备捕捉。对于此类应用，只需要将BLE组件配置为广播器的GAP，这样系统就可以发送广播信息。信标的功耗应该较低，也可以得益于集成的处理器/BLE设计。太阳能低功耗蓝牙信标和无线传感器节点可显示正在使用的BLE信标。
BLE在消费类、工业和嵌入式应用等许多市场中的发展势头良好。该项技术成功的一个关键因素是它能够在低功耗的情况下运行。BLE技术使开发人员能够设计出由电池供电、使用寿命更长，对用户更加友好的应用。
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