具有藍牙功能的IoT設備可通過智能手機和其他網關設備提供即時可用的數(shù)據(jù)訪問。但電池供電的低功耗IoT解決方案的設計在無線檢測以及高能耗通信子系統(tǒng)的優(yōu)化方面依然面臨挑戰(zhàn)。對于上市時間排程極度緊迫的設計人員而言，必須簡化設計任務。

為幫助開發(fā)人員應對低功耗設計復雜性和上市時間壓力帶來的挑戰(zhàn)，意法半導體和EnmoTechnologies分別將其各自的SensorTile開發(fā)套件和藍牙軟件專業(yè)技術進行結合。他們攜手推出了一種簡單的方法，用于快速開發(fā)能夠滿足緊張的功率預算的電池供電IoT設備。

IoT硬件和軟件未必費力

對于希望利用無處不在的藍牙移動設備的設計人員而言，集成式藍牙解決方案的出現(xiàn)令他們如虎添翼。除了降低設計復雜性以外，現(xiàn)成的藍牙解決方案可直接加速市場投放，因為這些解決方案往往已通過認證，符合監(jiān)管要求。但對于大多數(shù)開發(fā)人員而言，將這些包含多個傳感器的精密IC與一個主機MCU組合起來的任務，依然是一個漫長而復雜的過程。此外，即使是經驗最豐富的開發(fā)團隊，面對相關軟件驅動程序、中間件和應用軟件的開發(fā)也可能舉步維艱。

意法半導體的SensorTile開發(fā)套件提供了一套完整的IoT開發(fā)解決方案，它組合了一塊無線傳感器系統(tǒng)板、一對載板和一個綜合軟件開發(fā)包。EnmoTechnologies的IoT.Over.Beacon軟件平臺旨在與SensorTile環(huán)境配合使用，可提供獨特的解決方案，最大限度降低具有藍牙功能的IoT設計的功耗。搭配使用SensorTile套件和Enmo平臺，開發(fā)人員便能以最少的工作實施完整的低功耗IoT設備解決方案，或使用相同的硬件和軟件組件作為定制設計的基礎。

無線傳感器節(jié)點

作為套件的核心組件，SensorTile核心系統(tǒng)板是采用13.5mmx13.5mm封裝且具有藍牙功能的獨立傳感器系統(tǒng)。該核心系統(tǒng)以基于32位ARM?Cortex?-M4F的STM32L4MCU為基礎，包含意法半導體BlueNRG藍牙收發(fā)器和多個傳感器，所有組件均通過SPI連接或專用接口進行通信（圖1）。

ST為該板打包了自己的全套傳感器，包括LSM6DSM慣性測量裝置（IMU）、LSM303AGR電子羅盤模塊、LPS22HB壓力傳感器及其MP34DT04MEMS麥克風。連同板載的低壓差（LDO）穩(wěn)壓器，核心板包含意法半導體BALF-NRG-01D3小型平衡不平衡轉換器，其中集成了一個諧波濾波器和專為BlueNRG收發(fā)器定制的匹配網絡。TDKANT016008LCS2442MA1多層天線補全了無線傳感器系統(tǒng)的設計。

開發(fā)人員可使用兩種不同的方案將核心板連接到套件配套的載板，或其自己的系統(tǒng)設計。在板的兩側，開發(fā)人員可利用一組焊盤將其焊接到鞍形板或其他PC板。板的背面包含一個連接器，用于將其安裝到擴展板或其他任何具有相應連接器的電纜或板（圖2）。

PC板焊盤和背面連接器均引出了多個MCU引腳，包括SPI、I2C和UART接口，一個脈沖密度調制（PDM）接口，多個數(shù)模轉換器（ADC）以及ST的串行線調試（SWD）接口（圖3）。

盡管核心板可用作獨立解決方案，但套件的載板為設計人員提供了基于SensorTile開發(fā)和部署IoT設計的替代方案。鞍形板和配套的原理圖說明了開發(fā)人員如何使用更多傳感器和其他外設來擴充核心系統(tǒng)。該板包括一個用于濕度和溫度的意法半導體HTS221傳感器。此外，鞍形板還包括SD卡插座、micro-USB接口、開關和電池組。設計人員只需將核心板焊接到鞍形上的相應焊盤，便可利用更多外設。完成開發(fā)后，設計人員可在交貨時移除鞍形板的可折斷SWD接口。

套件的擴展板提供了一種更為簡單的方法來開發(fā)定制設計。開發(fā)人員只需使用專用連接器將核心板插入擴展板即可（圖2）。連同用于軟件開發(fā)的SWD接口，擴展板提供了包括micro-USB連接器、音頻插孔和Arduino兼容型連接器在內的更多連接器。

即時部署

開發(fā)人員只需將核心板插入擴展板（或將其焊接到鞍形板上），通過USB將其連接到主機PC以獲取電源，然后下載受支持的Android或iOS移動應用程序，便可開始探索具有藍牙功能的IoT設計。開發(fā)套件附帶的核心系統(tǒng)已使用支持三種樣例應用程序的固件進行編程，這些應用程序將低功耗藍牙（BLE）與適用于Android或iOS的STBlueMS應用程序配合使用，分別演示了將傳感器數(shù)據(jù)記錄到SD卡、MEMS麥克風音頻流和傳感器數(shù)據(jù)流等應用。

除了提供用于即時部署SensorTile應用程序的軟件以外，這些樣例應用程序還可作為使用SensorTile的多層架構的指導。連同ARMCortex微控制器軟件接口標準（CMSIS）元器件，意法半導體基于自己的STM32Cube環(huán)境提供硬件抽象層（HAL）和板級支持包（BSP）。這些層反過來與STLCS01V1核心板、STLCX01V1擴展板和STLCR01V1鞍形板上的基礎硬件接口（圖4）。

分層架構盡管看似復雜，但為開發(fā)人員提供了傳感器數(shù)據(jù)采集和無線通信的簡單抽象視圖。例如，BLE流應用程序演示了開發(fā)人員只需在主等待循環(huán)之前調用若干初始化例程便可（列表1）。主循環(huán)等待關鍵事件，包括用于指定傳感器數(shù)據(jù)采樣之間的等待時間的定時器到期。當定時器處理程序設置SendEnv=1，該例程便會使用單個調用。

SendEnvironmentalData例程以步進方式遍歷各個傳感器，使用BSP例程采集各個傳感器的數(shù)據(jù)。例如，壓力傳感器BSP例程BSP_PRESSURE_Get_Press（）將更新壓力傳感器設備特定的數(shù)據(jù)結構中包含的數(shù)據(jù)。SendEnvironmentalData例程隨后使用相應的調用，通過藍牙將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紹lueNRG服務例程MCR_BLUEMS_F2I_2D（）。

設計人員可采用提供的軟件應用程序并加入少許更改，也可根據(jù)自己的定制需求進行改寫。SensorTile軟件環(huán)境受意法半導體STM32開放式開發(fā)環(huán)境（STM32ODE）支持，旨在支持開源軟件庫和框架。套件已使用ST的BLUEMICROSYSTEM開放式框架固件進行預編程。

意法半導體的開放式環(huán)境為開發(fā)人員提供了另一重大好處。他們可以利用旨在增強功能的第三方軟件庫，而不是繼續(xù)局限于特定的機制。對于有功率限制的IoT設備，此功能在利用能效更高的機制時變得尤其重要。

降低電源要求

對于許多IoT應用而言，相關的無線傳感器系統(tǒng)依賴于電池電量，并且需要符合嚴格的功率預算。SensorTile核心系統(tǒng)通過使用低功耗器件滿足這一硬件要求。例如，在環(huán)境和運動應用中通常所需的低速率下，傳感器只需要微安級別的功耗。LSM6DSMIMU在12.5Hz的采樣率下僅使用9μA電流，LSM303AGR電子羅盤在20Hz下僅需200μA電流，LPS22HB壓力傳感器在1Hz下需要的電流不超過12μA。

此外，STM32L476MCU在運行模式下只需100μA/MHz（24MHz）。BlueNRG藍牙收發(fā)器IC在維持一個有源BLE堆棧的待機模式下僅消耗1.7μA電流。即便如此，有源無線傳輸往往仍消耗了主要功率份額，SensorTile也不例外。BlueNRG收發(fā)器在8.2mA電流下以0dBm傳輸數(shù)據(jù)，非常適合低功耗應用，但即便如此，仍是功率受限型設計的用電大戶。

系統(tǒng)設計人員可通過簡單的權宜之計，即減少無線傳輸事務的數(shù)量并縮短其持續(xù)時間，來解決與無線通信相關的功耗挑戰(zhàn)。不過，使用標準藍牙通信，開發(fā)人員只有很少幾個選項用于限制功耗。具有藍牙功能的典型應用依賴于使用重復輪詢檢查的設備發(fā)現(xiàn)和配對，這會造成大量功耗而并無實際數(shù)據(jù)交換。而且，標準藍牙配對會給IoT部署帶來嚴重的后勤復雜性，因為每個IoT設備都需要置于發(fā)現(xiàn)模式。其次，它必須采用手動方式與移動設備或其他數(shù)據(jù)聚合器配對。

藍牙的信標機制提供了可消除與發(fā)現(xiàn)和配對相關的功耗和后勤問題的備選方案。不幸的是，標準信標不能攜帶任何數(shù)據(jù)有效載荷（例如傳感器數(shù)據(jù)）。

不過，利用其IoT.Over.Beacon技術，EnmoTechnologies可將信標技術的省電優(yōu)勢與藍牙配對設備技術的數(shù)據(jù)交換功能相結合。因此，Enmo的機制可提供多達50KB的可變大小有效載荷，同時還能滿足長時間操作電池供電IoT設備所需的低功耗要求。

與本機SensorTile環(huán)境一樣，開發(fā)人員可利用Enmo的參考固件。盡管Enmo參考固件被處理為對開發(fā)人員保持透明，但它將低級意法半導體調用替換為對其適用于SensorTile的專有IoT.Over.Beacon庫的調用。

為此，開發(fā)人員需要使用STM32ST-Link實用程序來加載參考固件，該實用程序提供了簡單的圖形用戶界面來選擇和上傳文件。Enmo參考固件被加載到SensorTile核心板后，將通過低功耗藍牙連接與Enmo的Android和iOS移動應用程序交互。開發(fā)人員可以在Enmo應用程序中輕松顯示SensorTile數(shù)據(jù)，即，使用小工具將傳感器數(shù)據(jù)顯示為圖形或表格（圖5）。

傳統(tǒng)藍牙信標的一項關鍵功能是，它們能夠在移動設備進入和離開具有信標功能的應用程序所覆蓋的物理區(qū)域時觸發(fā)。但對于IoT設備，物理進入和退出的概念可能不適用。

Enmo提供了專有機制來模仿藍牙信標的傳統(tǒng)進入和退出模式。在這里，開發(fā)人員為IoT設備指定觸發(fā)進入和退出的條件。例如，某個溫度檢測IoT設備可能會在溫度變化至高于或低于某個設定的閾值時啟動“進入”或“退出”協(xié)議。

與本機SensorTile軟件包一樣，用于SensorTile的Enmo參考固件提供了一種即時解決方案，用于快速部署具有藍牙功能的低功耗IoT設備。類似地，針對定制SensorTile開發(fā)，Enmo提供了一個軟件開發(fā)套件（SDK），可允許工程師將Enmo的IoT.Over.Beacon機制集成到自己獨有的SensorTileIoT應用。利用EnmoSDK，開發(fā)人員使用意法半導體環(huán)境編寫定制的SensorTile固件，在需要通過藍牙發(fā)送數(shù)據(jù)時調用Enmo的IoT.Over.Beacon庫。該庫將在IoT.Over.Beacon模式下透明地執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸，并在完成傳輸后提供軟件回調。

總結

電池供電的IoT設計為希望快速部署具有藍牙功能的傳感器設備的開發(fā)人員造成了重大障礙。意法半導體SensorTile開發(fā)套件提供了完整的解決方案，該解決方案可用作獨立設備，也可作為子系統(tǒng)添加到現(xiàn)有設計。盡管SensorTile具有低功耗要求，但標準藍牙協(xié)議可能會快速耗盡電池供電系統(tǒng)的電量。

通過將STSensorTile與EnmoTechnologies獨有的IoT.Over.Beacon平臺相結合，開發(fā)人員可快速部署具有藍牙功能并且能夠符合嚴格的功率預算的傳感器。