用于智能標(biāo)簽的運(yùn)動(dòng)感知薄型低功耗藍(lán)牙信標(biāo)解決方案

作者：Nikolaos Terzopoulos，Dialog半導(dǎo)體公司高級(jí)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(jí)硬件應(yīng)用工程師

版本： 1.1

1. 摘要

信標(biāo)是一個(gè)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(gè)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(shí)間。此外，例如當(dāng)在建筑物內(nèi)使用時(shí)，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(gè)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(gè)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?cè)诒３肿灾鬟\(yùn)行的同時(shí)處理和顯示數(shù)據(jù)。

　　圖 1：BLE生態(tài)系統(tǒng)示例

一個(gè)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(gè)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(hào)。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(hào)時(shí)，應(yīng)用程序識(shí)別出此ID號(hào)，它會(huì)將其鏈接到一個(gè)操作。這個(gè)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(hào)在室內(nèi)的情況下有時(shí)會(huì)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(jià)格、推出新優(yōu)惠時(shí)所需的時(shí)間和人力。
• 醫(yī)療保?。築LE信標(biāo)可以通過減少患者等待時(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)彎曲：柔性電路具有出色的彎曲或移動(dòng)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(xiǎn)，從而提高了可靠性和耐用性。

空間和重量：最近對(duì)更小、更輕設(shè)備的需求不斷增長，使柔性電路成為對(duì)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(gè)藍(lán)牙連接系統(tǒng)級(jí)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(gè)芯片中。BLE SoC 有一個(gè)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(shí)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(shí)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殖潆姴僮鳎瑢?dǎo)致成本增加。

· 運(yùn)動(dòng)傳感器：可以使用帶有加速度計(jì)的運(yùn)動(dòng)傳感器，通過在未檢測到運(yùn)動(dòng)時(shí)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(gè)圖像的優(yōu)勢，對(duì)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(dòng)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(duì)智能標(biāo)簽應(yīng)用尤其重要。

BLE信標(biāo)的另一個(gè)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(shí)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(gè)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(jí)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(chǔ)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(duì)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(shí)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(duì)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(dòng)智能并進(jìn)一步降低系統(tǒng)的功耗，需要添加運(yùn)動(dòng)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(dòng)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〕扇魏涡螤睿瑹o需額外密封。這種電池具有非常低的內(nèi)阻，可以長時(shí)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?，其特性如表1所示。整個(gè)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(gè)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(gè)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(duì)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(duì)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。