用于智能标签的运动感知薄型低功耗蓝牙信标解决方案

2021-07-22来源: EEWORLD关键字:Dialog半导体  智能标签  低功耗蓝牙

作者:Nikolaos Terzopoulos,Dialog半导体公司高级硬件工程师;

          Marios Iliopoulos,Dialog半导体公司应用总监;

          Panagiotis Rozos,Dialog半导体公司硬件应用经理;

          Athanasios Nikou,Dialog半导体公司初级硬件应用工程师      

1.摘要


信标是一个电池供电的微型蓝牙无线电发射器。它的功能就像一座灯塔,能在一定范围内,可以被每个人看到。这些小型硬件设备一直传输的不是光,而是低功耗蓝牙(BLE)数据包。配合使用智能设备中相应的交互式应用程序进行扫描,这些低功耗蓝牙数据可以通过任何带有内置蓝牙收发器的现代智能手机设备中呈现出来。


信标提供了一种低成本的广播解决方案,能够自主运行很长时间。此外,例如当在建筑物内使用时,不需要额外的技术,因为一切都可以集成到无线网络的同一个生态系统中。除此之外,通过一些额外的功能,可以将低功耗蓝牙信标广播消息这个概念进行扩展,使其能应用于其他领域。


在本白皮书中,我们将展示信标如何通过使用一系列外围设备来支持扩展功能,以允许它们在保持自主运行的同时处理和显示数据。


image.png

图1:BLE生态系统示例


一个典型的低功耗蓝牙生态系统如图1所示。该示例显示了一个接近营销的应用案例。其中,部署的信标通过低功耗蓝牙信道,以大约10次/秒的速度广播ID号。当放置在信标附近的蓝牙设备(例如智能手机)接收到此ID号时,应用程序识别出此ID号,它会将其链接到一个操作。这个操作可以是在智能手机上显示营销优惠这样的简单操作,也可以是执行更复杂的任务,例如下载应用程序。


其他低功耗蓝牙信标用例包括但不限于:


室内导航:GPS信号在室内的情况下有时会非常弱。BLE信标网络可用于在大型购物中心、博物馆、机场等室内场所进行准确定位。

智能标签:在大型零售店尤其流行,传统标签可以用信标代替,实现智能标签机制,可以最大限度地减少更新产品价格、推出新优惠时所需的时间和人力。

医疗保健:BLE信标可以通过减少患者等待时间、将患者的病史告知医生,包括药物、医疗设备跟踪(资产跟踪)、注射设备、贴片等,为医疗保健带来极大的改善。


图2展示了室内导航和智能标签应用的示例,使用了BLE信标技术引导和通知访客。

 


image.png

图2:用于室内导航/智能标签应用的BLE信标应用示例


图3展示了基于BLE信标的医疗保健应用示例。在该示例中,可以远程查看和访问患者的重要读数。


 image.png

图3:医疗保健应用中BLE信标应用示例


如果没有额外的硬件,像运动传感器或视觉辅助设备等,传统的低功耗蓝牙信标无法支持这些用例。需要具有扩展功能的版本。在本文中,我们提出了一种具有扩展功能的BLE信标解决方案,包括其最重要的外围设备:薄型电池、运动传感器和用户界面组件(LCD、按钮)。我们将在下一节中详细介绍这些外设。


本白皮书中还概述了使用柔性PCB技术来制造低功耗蓝牙信标。这是一些细分应用所提出的关键需求,例如智能标签、制药产品应用、可穿戴设备、医疗应用等。


1.1.柔性PCB技术


柔性电路适配具有以下优势:


动态弯曲:柔性电路具有出色的弯曲或移动能力。此功能有助于通过可在应用过程中伸展、收缩或伸缩的设备来保持连接。这是柔性PCB技术在空间非常有限的可穿戴和医疗应用中的一项非常有用的优势。


可靠性:柔性电路在高要求的医疗应用领域具有出色的性能和可靠性记录。其基本优势是消除了连接点,简化了组装,并降低了互连故障(如焊点不良)的风险,从而提高了可靠性和耐用性。


空间和重量:最近对更小、更轻设备的需求不断增长,使柔性电路成为对空间和重量有着高要求的应用之理想选择。柔性电路超薄,可以轻松弯曲以适应几乎任何表面。与标准刚性PCB板相比,柔性电路也更轻。


成本:由于柔性电路可以将所需的连接数量减至最少,因此可以高效地大批量生产,这有助于降低组装成本。避免使用焊接线、刚性印刷电路和连接器,为进一步降低总成本提供了可能。


2.低功耗蓝牙信标系统概述


具有扩展功能的信标BLE系统通常由以下主要组件构成:


低功耗蓝牙SoC单元:一个蓝牙连接系统级芯片(SoC),具有用于必要计算任务的内置微控制器单元(通常是ARM处理器)。主处理器的选择取决于设备的类型和复杂性。现代MCU将大部分功能集成在单个芯片中。BLE SoC 有一个附加天线,它以特定波长和频率进行广播。

电池:BLE SoC 应能够长时间运行,这是通过使用合适的电池电源来实现的。纽扣电池已被证明是成本、尺寸和持续时长综合最有效的解决方案。一般不推荐使用可充电电池,因为需要使用专用电路来支持充电操作,导致成本增加。

运动传感器:可以使用带有加速度计的运动传感器,通过在未检测到运动时引入系统睡眠模式功能,来延长电池寿命,并提高系统的自主性。当然,此可选功能取决于信标的应用场景。

用户界面:根据应用场景,可以考虑在信标中使用各种人机界面选项:

o低功耗显示器,例如电子纸技术,具有在完全断电后持续显示单个图像的优势,对于零售店标签应用非常有用。

o机械按钮可用作开/关机制的一部分,进一步延长电池寿命。


2.1.具有扩展功能、低功耗、灵活的BLE信标

 

     image.png                                        

图4:具有扩展功能的信标设备电路框图


图4描绘了具有扩展功能的BLE 信标设备的顶层框图,包含:


o低功耗蓝牙(BLE)SoC,采用微处理器单元 ARM Cortex M0用于数据传输

o大容量SPI闪存

o加速度计/陀螺仪传感器

o32MHz晶振

o开/关电源开关

o考虑到BLE SoC 的显示驱动能力有限,也可以将低分辨率电子纸彩色显示器连接到信标系统


3.硬件元件和实现


除了提供扩展功能之外,Dialog的BLE信标方案还支持关键组件的灵活性。PCB、电池和LCD均由可弯曲材料制成,使它们能够放置在大多数非平面表面,这对智能标签应用尤其重要。


BLE信标的另一个关键方面是其所有有源组件都应表现出非常低的功耗,以支持较长的电池续航时间。


3.1.来自Dialog半导体公司的DA14531 BLE SoC


在本文所示的示例中,我们需要一个功耗非常低的小尺寸BLE MCU解决方案。因此,我们选择了DA14531 BLE SoC,它是全球尺寸最小的低功耗蓝牙 5.1 系统级芯片(SoC)解决方案之一。它具有破纪录的低休眠和运行功耗,即使使用最小的一次性电池也能确保较长的运行和货架期。DA14531 采用2.0 x 1.7 mm的小巧封装,基于强大的32位ARM Cortex M0+,具有集成的存储器和一套完整的模拟和数字外设。


 image.png

图5:DA14531电路框图


具有扩展功能的BLE信标系统的主要硬件组件分析如下:


3.2.柔性电子纸显示器


对于智能标签应用,需要薄型低功耗的显示器。电子纸显示器是最适合具有扩展功能的信标用例的,因为这些显示器仅在刷新时耗电。只要图像显示出来后,电子纸显示器就不需要消耗额外的电来保持该图像的显示状态,这极大地延长了产品的电池使用寿命。


对于本文中描述的示例,我们选择了多合一显示器。这类显示器不需要负电源(负电源需要额外的复杂且昂贵的电路来实现),从而降低了总体物料成本。显示分辨率为212*104像素,使用24引脚FPC连接器通过SPI接口连接到主MCU。


3.3.Bosch Sensortec传感器


为了增加运动智能并进一步降低系统的功耗,需要添加运动传感器。在本文中,我们使用的是博世BMI270。这是一款超低功耗运动传感器,结合了加速度计和陀螺仪,具有多种运行模式和自校准算法。BMI270是实现此目的非常好的选择,因为它集成了扩展信标所需的许多功能。此外,其超小尺寸和为数很少的外部组件使其非常适合在灵活的系统中使用。


3.4.柔性电池


在灵活的信标系统中,还需要柔性电池。在本文的系统示例中,使用了Imprint Energy最新推出的先进固态电池。这种电池材料(Zinc poly)可以实现高能量、安全和稳定的超薄运行,使其成为BLE信标应用的理想选择,因为它可以打印成任何形状,无需额外密封。这种电池具有非常低的内阻,可以长时间承受高电流脉冲,并提供15mAh的标称容量。这些特性使这种电池成为具有扩展功能的信标应用的绝佳选择。


image.png

图6:15mAh ZincPoly柔性超薄电池


3.5.实际具有扩展功能的DA14531灵活BLE 信标


图7和图8显示了组装好的柔性PCB 的顶部视图和底部视图,该PCB部署了本文第3章节中所介绍的DA14531信标系统。这两张图还注明了前几章节介绍的所有主要组件的位置。柔性PCB的总厚度为0.23 mm。基材是聚酰亚胺,其特性如表1所示。整个结构(PCB 和外设)的最大高度约为2 mm,考虑到每一侧的最高组件,即电感器(顶部)和显示器连接器(底部)。大部分表面厚度都低于这个数字,而电路板的柔性材料使其具有很强的适应性和可弯曲性,使其可以适应任何类型的外壳。整个BLE信标(PCB、电子纸、电池组件)的灵活性如图9所示。


表1:聚酰亚胺材料特性

image.png


image.png


image.png


image.png

图9:将柔性BLE信标放置在实际的圆形(非平面)表面上


4.功率和射频测量部分


作为以电池供电的设计,DA14531柔性信标应具有超低功耗,使其能够提供较长的工作寿命。图10显示了在大约500 uA(平均)水平下测得的总功耗数值,该测量是在以下条件进行的:


o电子纸显示器在屏幕刷新模式

oBLE广播间隔为2秒

o对附近标签设备的扫描模式事件

o加速度计运行,输出数据速率为1.5Hz


image.png

图11显示了在160 uA(平均)水平的总功耗数值,在与上述相同的条件下,不包括屏幕刷新事件。


image.png


在睡眠模式下,极低的功耗至关重要,因为这是此类信标的默认运行状态。对于此方案,电子纸显示屏上静态(固定)图片测得的睡眠电流为3.9 uA。


在图12中有表1所描述的柔性聚酰亚胺PCB材料的反射系数。匹配天线的反射系数-28dB几乎与标准非柔性PCBFR4材料相同,因此使用的聚酰亚胺材料具有良好的射频性能。


image.png


5.结论


本文介绍了一种基于Dialog半导体公司DA14531BLE SoC的低功耗、具有扩展功能的BLE信标系统。重点介绍了柔性材料PCB,它具有更高的可靠性,节省了成本,最重要的是因其柔性特性而能适应任何表面。此外,电池的柔性材料和电子纸显示组件使这种具有扩展功能的低功耗蓝牙信标成为医疗保健和智能标签等应用的理想选择。


关键字:Dialog半导体  智能标签  低功耗蓝牙 编辑:张工 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/IoT/ic542711.html

上一篇:​搭载光伏能量收集技术助力物联网设备制造商永久续航
下一篇:最后一页

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

Dialog半导体公司IoTMark™-Wi-Fi基准测试中达到行业最高排名
Dialog半导体公司在IoTMark™-Wi-Fi基准测试中达到行业最高排名Dialog的DA16200 Wi-Fi网络SoC获得最高能效分数中国北京,2021年6月22日 – 领先的电池和电源管理、Wi-Fi、低功耗蓝牙(BLE)、工业边缘计算解决方案供应商Dialog半导体公司   今天宣布,其DA16200 SoC在EEMBC IoTMark™-Wi-Fi基准测试上获得了815高分。DA16200取得的成绩进一步巩固了Dialog在超低功耗Wi-Fi网络SoC市场中的领先地位。市场对电池供电的IoT设备的需求加速了低功耗Wi-Fi技术的采用。Dialog利用其VirtualZero™技术开发
发表于 2021-06-22
<font color='red'>Dialog半导体</font>公司IoTMark™-Wi-Fi基准测试中达到行业最高排名
新一代AC/DC ZVS高功率密度USB PD解决方案
新一代AC/DC ZVS高功率密度USB PD解决方案助力移动设备快速充电摘要:针对智能手机和平板电脑等移动设备的快速充电是消费电子行业中增长最快和规模最大的市场之一,相应电源适配器每年全球使用量达数亿件以上。其中涉及一系列新兴技术和挑战,包括USB Power Delivery(PD)。本文将探讨一些目前与快充相关的AC/DC功率变换关键技术,重点讨论对USB PD的支持、技术的发展,以及Dialog在这方面提供的最新产品和解决方案。移动设备AC/DC电源适配器之大趋势大多数移动设备(包括智能手机和平板电脑)都需要AC/DC开关电源适配器/充电器为电池充电。我们先来看一下大趋势。如图1所示,大约15年前,插在墙头的充电器看上
发表于 2021-05-17
新一代AC/DC ZVS高功率密度USB PD解决方案
Dialog半导体推出功耗最低的闪存器件,丰富其IoT产品组合
Dialog半导体公司推出业内功耗最低的闪存器件,进一步丰富其IoT产品组合AT25EU超低功耗、快速读取NOR Flash产品系列提供显著更快的擦除时间和节能特性,助力降低IoT设备能耗中国北京,2021年4月27日 – 领先的电池和电源管理、Wi-Fi、低功耗蓝牙(BLE)、工业边缘计算解决方案供应商Dialog半导体公司(德国证券交易所交易代码:DLG)今天宣布,推出AT25EU系列SPI NOR Flash器件,助力注重功耗、尺寸受限的联网设备开发。AT25EU系列专注于实现最低的功耗和最快的运行速度,从而实现最低的能耗。与现有的SPI NOR Flash解决方案相比,AT25EU系列最大的差异化特性是在不影响性能的前提下
发表于 2021-04-27
<font color='red'>Dialog半导体</font>推出功耗最低的闪存器件,丰富其IoT产品组合
瑞萨电子拟约60亿美元收购Dialog半导体
近日,日本瑞萨电子发表声明称,考虑拟约60亿美元收购苹果公司供应商、英国芯片制造商Dialog半导体,旨在增加与其互补的产品线,以增强其在IT、工业和汽车领域的实力。瑞萨电子将拟以每股67.5欧元的价格收购Dialog半导体全部发行在外的流通股,如果价格获得Dialog半导体的同意,则瑞萨电子对Dialog半导体的收购金额预估将达到约60亿美元,较Dialog半导体2月5日上周五收盘价56.12欧元溢价20%,且收购将以全现金的方式进行。据英国金融法规规定,瑞萨电子必须在28天内(至3月7日前)宣布是否有意向发起竞标。此外,报道称Dialog也一直在与意法半导体等公司进行谈判。Dialog首席执行官Jalal Bagherli此前
发表于 2021-02-10
瑞萨电子拟约60亿美元收购<font color='red'>Dialog半导体</font>
Dialog半导体公司和阿尔卑斯阿尔派合作开发汽车触觉控制应用
领先的电池和电源管理、Wi-Fi、低功耗蓝牙(BLE)、工业IoT解决方案供应商 Dialog半导体公司 日前宣布,其DA7280高清触觉控制驱动IC已获汽车级认证,并且该IC被领先的汽车电子零部件和车载信息设备制造商阿尔卑斯阿尔派(Alps Alpine)公司选中,将结合该公司的HAPTIC™ Reactor线性谐振传动器(LRA)系列中的最新产品Alps Alpine Heavy一起使用。DA7280的汽车级认证以及与Alps Alpine Heavy LRA的结合使用,将为汽车应用带来更多创新的触觉控制体验,填补其他竞争解决方案做的不足的方面。DA7280提供最低的待机功耗,同时为市场上最强大的LRA提供
发表于 2020-11-02
<font color='red'>Dialog半导体</font>公司和阿尔卑斯阿尔派合作开发汽车触觉控制应用
又一OPPO蓝牙智能标签定位器专利获批
       早在今年 1 月开始就有消息称,OPPO 计划随 Find X3 系列推出蓝牙智能追踪器。OPPO Smart Tag 有点类似于三星的 Galaxy SmartTag,能够帮助用户追踪钥匙、背包、自动车等日常物件。在外媒 LetsGoDigital 曝光方形的 OPPO Smart Tag 之后,国家知识产权局(CNIPA)今天批准了另一个长方形的 OPPO Smart Tag 外观专利。  该外观专利名称为“蓝牙智能标签定位器”,展示了多张设计草图,和今年 1 月 LetsGoDigital 发现的 OPPO Smart Tag 有所不同,设计更加扁平化
发表于 2021-03-08
又一OPPO蓝牙<font color='red'>智能</font><font color='red'>标签</font>定位器专利获批
小广播
换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2021 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved