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用于智能標簽的運動感知薄型低功耗藍牙信標解決方案

2021-07-22 來源:EEWORLD

作者:Nikolaos Terzopoulos,Dialog半導體公司高級硬件工程師;

          Marios Iliopoulos,Dialog半導體公司應用總監;

          Panagiotis Rozos,Dialog半導體公司硬件應用經理;

          Athanasios Nikou,Dialog半導體公司初級硬件應用工程師      

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1.摘要


信標是一個電池供電的微型藍牙無線電發射器。它的功能就像一座燈塔,能在一定范圍內,可以被每個人看到。這些小型硬件設備一直傳輸的不是光,而是低功耗藍牙(BLE)數據包。配合使用智能設備中相應的交互式應用程序進行掃描,這些低功耗藍牙數據可以通過任何帶有內置藍牙收發器的現代智能手機設備中呈現出來。


信標提供了一種低成本的廣播解決方案,能夠自主運行很長時間。此外,例如當在建筑物內使用時,不需要額外的技術,因為一切都可以集成到無線網絡的同一個生態系統中。除此之外,通過一些額外的功能,可以將低功耗藍牙信標廣播消息這個概念進行擴展,使其能應用于其他領域。


在本白皮書中,我們將展示信標如何通過使用一系列外圍設備來支持擴展功能,以允許它們在保持自主運行的同時處理和顯示數據。


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圖1:BLE生態系統示例


一個典型的低功耗藍牙生態系統如圖1所示。該示例顯示了一個接近營銷的應用案例。其中,部署的信標通過低功耗藍牙信道,以大約10次/秒的速度廣播ID號。當放置在信標附近的藍牙設備(例如智能手機)接收到此ID號時,應用程序識別出此ID號,它會將其鏈接到一個操作。這個操作可以是在智能手機上顯示營銷優惠這樣的簡單操作,也可以是執行更復雜的任務,例如下載應用程序。


其他低功耗藍牙信標用例包括但不限于:


?室內導航:GPS信號在室內的情況下有時會非常弱。BLE信標網絡可用于在大型購物中心、博物館、機場等室內場所進行準確定位。

?智能標簽:在大型零售店尤其流行,傳統標簽可以用信標代替,實現智能標簽機制,可以最大限度地減少更新產品價格、推出新優惠時所需的時間和人力。

?醫療保健:BLE信標可以通過減少患者等待時間、將患者的病史告知醫生,包括藥物、醫療設備跟蹤(資產跟蹤)、注射設備、貼片等,為醫療保健帶來極大的改善。


圖2展示了室內導航和智能標簽應用的示例,使用了BLE信標技術引導和通知訪客。

 


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圖2:用于室內導航/智能標簽應用的BLE信標應用示例


圖3展示了基于BLE信標的醫療保健應用示例。在該示例中,可以遠程查看和訪問患者的重要讀數。


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圖3:醫療保健應用中BLE信標應用示例


如果沒有額外的硬件,像運動傳感器或視覺輔助設備等,傳統的低功耗藍牙信標無法支持這些用例。需要具有擴展功能的版本。在本文中,我們提出了一種具有擴展功能的BLE信標解決方案,包括其最重要的外圍設備:薄型電池、運動傳感器和用戶界面組件(LCD、按鈕)。我們將在下一節中詳細介紹這些外設。


本白皮書中還概述了使用柔性PCB技術來制造低功耗藍牙信標。這是一些細分應用所提出的關鍵需求,例如智能標簽、制藥產品應用、可穿戴設備、醫療應用等。


1.1.柔性PCB技術


柔性電路適配具有以下優勢:


動態彎曲:柔性電路具有出色的彎曲或移動能力。此功能有助于通過可在應用過程中伸展、收縮或伸縮的設備來保持連接。這是柔性PCB技術在空間非常有限的可穿戴和醫療應用中的一項非常有用的優勢。


可靠性:柔性電路在高要求的醫療應用領域具有出色的性能和可靠性記錄。其基本優勢是消除了連接點,簡化了組裝,并降低了互連故障(如焊點不良)的風險,從而提高了可靠性和耐用性。


空間和重量:最近對更小、更輕設備的需求不斷增長,使柔性電路成為對空間和重量有著高要求的應用之理想選擇。柔性電路超薄,可以輕松彎曲以適應幾乎任何表面。與標準剛性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量減至最少,因此可以高效地大批量生產,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,為進一步降低總成本提供了可能。


2.低功耗藍牙信標系統概述


具有擴展功能的信標BLE系統通常由以下主要組件構成:


?低功耗藍牙SoC單元:一個藍牙連接系統級芯片(SoC),具有用于必要計算任務的內置微控制器單元(通常是ARM處理器)。主處理器的選擇取決于設備的類型和復雜性。現代MCU將大部分功能集成在單個芯片中。BLE SoC 有一個附加天線,它以特定波長和頻率進行廣播。

?電池:BLE SoC 應能夠長時間運行,這是通過使用合適的電池電源來實現的。紐扣電池已被證明是成本、尺寸和持續時長綜合最有效的解決方案。一般不推薦使用可充電電池,因為需要使用專用電路來支持充電操作,導致成本增加。

?運動傳感器:可以使用帶有加速度計的運動傳感器,通過在未檢測到運動時引入系統睡眠模式功能,來延長電池壽命,并提高系統的自主性。當然,此可選功能取決于信標的應用場景。

?用戶界面:根據應用場景,可以考慮在信標中使用各種人機界面選項:

o低功耗顯示器,例如電子紙技術,具有在完全斷電后持續顯示單個圖像的優勢,對于零售店標簽應用非常有用。

o機械按鈕可用作開/關機制的一部分,進一步延長電池壽命。


2.1.具有擴展功能、低功耗、靈活的BLE信標

 

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圖4:具有擴展功能的信標設備電路框圖


圖4描繪了具有擴展功能的BLE 信標設備的頂層框圖,包含:


o低功耗藍牙(BLE)SoC,采用微處理器單元 ARM Cortex M0用于數據傳輸

o大容量SPI閃存

o加速度計/陀螺儀傳感器

o32MHz晶振

o開/關電源開關

o考慮到BLE SoC 的顯示驅動能力有限,也可以將低分辨率電子紙彩色顯示器連接到信標系統


3.硬件元件和實現


除了提供擴展功能之外,Dialog的BLE信標方案還支持關鍵組件的靈活性。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非平面表面,這對智能標簽應用尤其重要。


BLE信標的另一個關鍵方面是其所有有源組件都應表現出非常低的功耗,以支持較長的電池續航時間。


3.1.來自Dialog半導體公司的DA14531 BLE SoC


在本文所示的示例中,我們需要一個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牙 5.1 系統級芯片(SoC)解決方案之一。它具有破紀錄的低休眠和運行功耗,即使使用最小的一次性電池也能確保較長的運行和貨架期。DA14531 采用2.0 x 1.7 mm的小巧封裝,基于強大的32位ARM Cortex M0+,具有集成的存儲器和一套完整的模擬和數字外設。


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圖5:DA14531電路框圖


具有擴展功能的BLE信標系統的主要硬件組件分析如下:


3.2.柔性電子紙顯示器


對于智能標簽應用,需要薄型低功耗的顯示器。電子紙顯示器是最適合具有擴展功能的信標用例的,因為這些顯示器僅在刷新時耗電。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,這極大地延長了產品的電池使用壽命。


對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電源(負電源需要額外的復雜且昂貴的電路來實現),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


為了增加運動智能并進一步降低系統的功耗,需要添加運動傳感器。在本文中,我們使用的是博世BMI270。這是一款超低功耗運動傳感器,結合了加速度計和陀螺儀,具有多種運行模式和自校準算法。BMI270是實現此目的非常好的選擇,因為它集成了擴展信標所需的許多功能。此外,其超小尺寸和為數很少的外部組件使其非常適合在靈活的系統中使用。


3.4.柔性電池


在靈活的信標系統中,還需要柔性電池。在本文的系統示例中,使用了Imprint Energy最新推出的先進固態電池。這種電池材料(Zinc poly)可以實現高能量、安全和穩定的超薄運行,使其成為BLE信標應用的理想選擇,因為它可以打印成任何形狀,無需額外密封。這種電池具有非常低的內阻,可以長時間承受高電流脈沖,并提供15mAh的標稱容量。這些特性使這種電池成為具有擴展功能的信標應用的絕佳選擇。


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圖6:15mAh ZincPoly柔性超薄電池


3.5.實際具有擴展功能的DA14531靈活BLE 信標


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PCB部署了本文第3章節中所介紹的DA14531信標系統。這兩張圖還注明了前幾章節介紹的所有主要組件的位置。柔性PCB的總厚度為0.23 mm。基材是聚酰亞胺,其特性如表1所示。整個結構(PCB 和外設)的最大高度約為2 mm,考慮到每一側的最高組件,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數字,而電路板的柔性材料使其具有很強的適應性和可彎曲性,使其可以適應任何類型的外殼。整個BLE信標(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

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圖9:將柔性BLE信標放置在實際的圓形(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計,DA14531柔性信標應具有超低功耗,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值,該測量是在以下條件進行的:


o電子紙顯示器在屏幕刷新模式

oBLE廣播間隔為2秒

o對附近標簽設備的掃描模式事件

o加速度計運行,輸出數據速率為1.5Hz


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圖11顯示了在160 uA(平均)水平的總功耗數值,在與上述相同的條件下,不包括屏幕刷新事件。


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在睡眠模式下,極低的功耗至關重要,因為這是此類信標的默認運行狀態。對于此方案,電子紙顯示屏上靜態(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。匹配天線的反射系數-28dB幾乎與標準非柔性PCBFR4材料相同,因此使用的聚酰亞胺材料具有良好的射頻性能。


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5.結論


本文介紹了一種基于Dialog半導體公司DA14531BLE SoC的低功耗、具有擴展功能的BLE信標系統。重點介紹了柔性材料PCB,它具有更高的可靠性,節省了成本,最重要的是因其柔性特性而能適應任何表面。此外,電池的柔性材料和電子紙顯示組件使這種具有擴展功能的低功耗藍牙信標成為醫療保健和智能標簽等應用的理想選擇。


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