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剖析低功耗藍牙無線感測器技術

剖析低功耗藍牙無線感測器技術
目前,全球正進入一個各種系統都需要採集和交換資料的物聯網(IoT)時代。在感測器以無線方式連接、形成網路並實現設備間資料交換的物聯網中,低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy,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路節點的智慧手機。此類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、溫度和溼度監測與控制、遠端控制消費類電子設備等。

低功耗藍牙五種功率模式

如果感測器採用電池供電、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溼度的低功耗感測器,其參數是緩慢變化的,此類感測器可以與能夠處理並將資料傳輸到主機設備的BLE整合型處理器連接。BLE子系統的操作頻率不高,大約每百毫秒(ms)一次,而且在其他時間處於低功耗模式。目前已有PSoC 4 BLE等BLE型元件可提供多使用者可配置的功耗模式,從而優化獨立於處理器工作模式的BLE子系統(BLESS)的運行,使開發人員能夠降低功耗,並使單顆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(μA)的深度睡眠模式下始終啟用。BLE子系統可以在BLESS Active模式下發送和接收資料。它能保持空閒狀態,並在BLESS睡眠模式和深度睡眠模式下維持連接。這些功耗模式獨立於系統的功耗模式,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、通常由鈕扣電池(button cell battery)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。

感測器和BLE運作

感測器可以大致分為類比和數位兩種,典型的類比感測器包括用於監測煙霧、氣體、環境光線、人員感應等的感測器;數位感測器包括監測溫度、溼度、壓力、加速度等的感測器。當BLE子系統與應用處理器整合時,感測器可以採用多種不同的方式進行連接。例如,可以將類比感測器饋送到前端具有電壓輸出器的SAR ADC。數位感測器無需進行類比轉換,因此可以通過任何通訊介面(如I2C、SPI或單線介面)採集資料。整合的計時器、計數器、脈寬調製器(PWM)和通用數位模組(UDB)均可用於實現自訂邏輯以進一步處理感測器資料。

最終,經處理或所接收的數位資料可以通過BLE介面發送,並由內置BLE功能的手機或任何其他用戶端設備進行監測。隨著資源可用性和成本的不斷變化,可選擇不同系列的BLE整合處理器(如PSoC4 BLE)以適應各種應用。




※本文擷取自a&s TAIWAN《安全&自動化》雜誌 No.146(2018年8月號),詳細內容請參閱https://www.asmag.com.tw/emagazines/detail.aspx?mtype=TW&issue=146
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