【应用】低功耗无线SoC+蓝牙硬件模块快速开发蓝牙网状网络应用

时间： 2018-05-27 来源：Silicon labs

技术问答

蓝牙5网状网络（Bluetooth 5 Mesh Networking）可以增强无线连接系统（如物联网设备）的覆盖范围和网络可用性。但是，网状网络在低功耗无线硬件设计和网状网络软件开发之间存在复杂的层次，可能会使开发人员很快陷入困境并影响项目进度。随着支持蓝牙5的智能手机和其他移动平台的出现，时间成为一个关键因素，因为开发人员需要迅速响应几乎所有行业和应用程序对蓝牙网状网络功能需求的爆炸式增长。本文将概述蓝牙网状网络的基本原理，然后介绍SILICON LABS针对快速开发蓝牙网状网络应用的解决方案。

蓝牙网状网络

蓝牙网状网络超越了传统蓝牙技术的点对点连接能力（图1）。通过临近连接设备对消息的中继（如relay提供在节点之间传递消息的功能），扩展了通过代理节点与支持蓝牙的移动设备进行交互的网络的有效范围；friend节点可以缓存低功耗节点在扩展睡眠状态之间定期轮询的消息，解决了降低功耗的要求。蓝牙网状网络还解决了建筑自动化或其他物联网应用所需的网络安全问题，与BLE保护单个设备的安全性不同，蓝牙网状网络强制实施安全措施，可以保护整个网状网络的安全，其安全方案引入了关注点分离到网状网络的概念，对每个设备、网络和应用程序使用不同的安全措施。

图1 蓝牙网状网络

实现蓝牙网状连接的应用程序给开发者带来很大困难。大多数使用网状网络的应用建立在功率受限的设备上，依靠网状网络来扩展低功率无线电子系统的有效范围。即使是最有经验的硬件开发人员，也会在创建合适的低功耗硬件设备方面遇到挑战。在完成自定义蓝牙网络的设计之后，开发人员也可能在满足国家认证要求方面，面临巨大的成本和时间挑战。软件开发人员会寻找兼容的蓝牙网状网络堆栈，并使用它们来构建支持自己应用的软件层，但有很大的时间开销。然而，利用Silicon Labs的蓝牙硬件和软件，开发人员可以在低功耗设备中快速部署蓝牙网络功能，以满足他们自己的应用需求。

Silicon Labs的蓝牙网状网络解决方案

Silicon Labs的蓝牙网络解决方案建立在其低功耗蓝牙BGM13P硬件模块的基础上，该模块结合了无线处理器和完整的蓝牙协议栈，以12.9×15.0×2.2mm的封装形式提供了完整的认证蓝牙系统。EFR32BG13 Blue Gecko无线片上系统（SoC）为该模块提供核心功能。它包含一个32位的ARM®Cortex®-M4内核、一个2.4 GHz无线模块、512KB闪存、64KB RAM以及大量的模拟和数字外设。它也可以作为定制蓝牙硬件设计的基础。

该模块提供完全认证的设计，包括EFR32BG13和所需的支持电路（多个振荡器源、两个晶振和端口驱动器）。同时，该模块还提供了一系列省电功能，满足低功耗设备的持续需求。该模块在主动模式下的功耗仅为87μA/MHz，深度睡眠模式下的功耗仅为1.4μA，并且具有完整的RAM功能。为了最大限度地延长低功耗深度睡眠模式的时间，工程师们可以利用低能量传感器接口和低能量计时器等功能。在处理器保持深度睡眠模式时，低功耗传感器接口便于工程师对模块的集成有限状态机和模拟外设编程，以采集和处理传感器信号。低功耗定时器可让工程师输出简单的波形并监控实时时钟/计数器，以在指定的时间段内执行操作，而无需处理器参与。当然，无线设备的功耗一般取决于无线系统的效率。在这种情况下，2.4GHz无线模块在接收模式下仅消耗9.9mA，在0dBm输出功率下仅消耗8.5mA。即便如此，该模块还通过射频控制在节能方面提供了额外功能。开发人员可以在模块中编程RF感测功能，以在检测到宽带RF能量时唤醒处理器。使用这种方法，开发人员可以保持模块在深度睡眠期间保持通信功能。开发人员还可以将设备配置为蓝牙5低功耗节点，该节点从深度睡眠周期性地醒来，通过轮询friend节点来获取缓存消息。

开发人员可以简单地将模块放入具有现有处理器的设计中，以用作蓝牙网络协处理器（图2），也可以将该模块用作完整的系统解决方案（图3）。在图3这种独立模式下，开发人员可以在模块的EFR32BG13处理器上运行其应用程序代码，并使用EFR32BG13的集成模拟和数字外设以简单的物联网设计进行信号采集。

图2 BGM13P硬件模块用作蓝牙网络协处理器解决方案

图3 BGM13P硬件模块完整的系统解决方案

Silicon Labs的SLWSTK6101C开发套件被设计用于不同蓝牙设备的插入式板卡，提供具有代表性的物联网设计，其中包括Macronix的MX25R8035F 8 Mbit闪存，Sharp Microelectronics的LS013B7DH03 128×128 LCD以及Silicon Labs的Si702温度和湿度传感器等。

图4 提供多种接口的SLWSTK6101C套件

硬件工程师可以使用开发套件来优化他们的硬件设计，软件开发人员也可以利用Silicon Labs全面的软件开发环境来快速创建网状网络应用程序。在Simplicity Studio的帮助下，Silicon Labs的蓝牙5网状堆栈可将基本蓝牙堆栈扩展到特定的网状资源（图5）。因此，开发人员可以从更传统的蓝牙协议（如信标或点对点通信）扩展到全网状拓扑。Simplicity Studio与基于Silicon Labs BGM13P的SLWRB4306A和SLWSTK6101C开发板配合使用，可让开发人员使用适当的软件开发工具包（SDK）配置其环境。

图5 Silicon Labs的蓝牙网状堆栈

结论

蓝牙5网状网络为广泛的利用智能手机和其他移动设备进行点对点通信的应用提供了基础。然而，蓝牙5网状网络的部署给硬件和软件设计带来了巨大的挑战，特别是在功耗有限的应用中，如物联网。此外，硬件工程师需要满足最小占用空间和低功耗的要求，软件工程师需要构建使用最少资源执行复杂通信协议的软件。然而，通过将BGM13P模块、SLWSTK6101C开发板和用于节点和移动设备的蓝牙堆栈相结合，工程师们拥有了一个综合平台，可快速开发使用蓝牙网状网络的应用。

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