1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 SensorTile開發(fā)套件及無線解決方案 具有藍(lán)牙功能的 IoT 設(shè)備可通過智能手機(jī)和其他網(wǎng)關(guān)設(shè)備提供即時(shí)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(shè)計(jì)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(duì)于上市時(shí)間排程極度緊迫的設(shè)計(jì)人員而言，必須簡化設(shè)計(jì)任務(wù)。 為幫助開發(fā)人員應(yīng)對(duì)低功耗設(shè)計(jì)復(fù)雜性和上市時(shí)間壓力帶來的挑戰(zhàn)，STMicroelectronics 和 Enmo Technologies 分別將其各自的 SensorTile 開發(fā)套件和藍(lán)牙軟件技術(shù)開展結(jié)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(yù)算的電池供電 Io

2、T 設(shè)備。 IoT 硬件和軟件未必費(fèi)力 對(duì)于希望利用無處不在的藍(lán)牙移動(dòng)設(shè)備的設(shè)計(jì)人員而言，集成式藍(lán)牙解決方案的出現(xiàn)令他們?nèi)缁⑻硪怼３私档驮O(shè)計(jì)復(fù)雜性以外，現(xiàn)成的藍(lán)牙解決方案可直接加速市場投放，因?yàn)檫@些解決方案往往已通過，符合監(jiān)管要求。但對(duì)于大多數(shù)開發(fā)人員而言，將這些包含多個(gè)傳感器的精細(xì) IC 與一個(gè)主機(jī) MCU 組合起來的任務(wù)，依然是一個(gè)漫長而復(fù)雜的過程。此外，即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的開發(fā)團(tuán)隊(duì)，面對(duì)相關(guān)軟件驅(qū)動(dòng)程序、中間件和應(yīng)用軟件的開發(fā)也可能舉步維艱。 STMicroelectronics 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(duì)載

3、板和一個(gè)綜合軟件開發(fā)包。Enmo Technologies 的 IoT.Over.Beacon 軟件平臺(tái)旨在與 SensorTile 環(huán)境配合使用，可提供獨(dú)特的解決方案，限度降低具有藍(lán)牙功能的 IoT 設(shè)計(jì)的功耗。搭配使用 SensorTile 套件和 Enmo 平臺(tái)，開發(fā)人員便能以少的工作實(shí)施完整的低功耗 IoT 設(shè)備解決方案，或使用相同的硬件和軟件組件作為定制設(shè)計(jì)的根底。 無線傳感器節(jié)點(diǎn) 作為套件的組件，SensorTile 系統(tǒng)板是采用 13.5 mm x 13.5 mm 封裝且具有藍(lán)牙功能的獨(dú)立傳感器系統(tǒng)。該系統(tǒng)以基于 32 位 ARM Cortex-M4F 的 STM32L4 MCU

4、 為根底，包含 STMicroelectronics BlueNRG 藍(lán)牙收發(fā)器和多個(gè)傳感器，所有組件均通過 SPI 連接或?qū)Ｓ媒涌陂_展通信（圖 1）。 STMicroelectronics SensorTile 系統(tǒng)示意圖 圖 1： SensorTile 系統(tǒng)提供了完整的無線傳感器解決方案，該解決方案在 13.5 mm x 13.5 mm 的外形尺寸內(nèi)組合了低功耗 MCU、藍(lán)牙收發(fā)器、多個(gè)傳感器、平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，甚至還有一根集成天線。（圖片： STMicroelectronics） 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

5、羅盤模塊、LPS22HB 壓力傳感器及其 MP34DT04 MEMS 麥克風(fēng)。連同板載的低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器，板包含 STMicroelectronics BALF-NRG-01D3 小型平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，其中集成了一個(gè)諧波濾波器和專為 BlueNRG 收發(fā)器定制的匹配網(wǎng)絡(luò)。TDK ANT016008LCS2442MA1 多層天線補(bǔ)全了無線傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 開發(fā)人員可使用兩種不同的方案將板連接到套件配套的載板，或其自己的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在板的兩側(cè)，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。板的反面包含一個(gè)連接器，用于將其安裝到擴(kuò)展板或其他任何具有相應(yīng)連接器的電纜或板（圖 2）。

6、 STMicroelectronics SensorTile 板圖片 圖 2： 開發(fā)人員可以將 SensorTile 板插入 SensorTile 開發(fā)套件的擴(kuò)展板上的插座，以利用包括 Arduino 兼容型外設(shè)在內(nèi)的其他選件。（圖片：STMicroelectronics） PC 板焊盤和反面連接器均引出了多個(gè) MCU 引腳，包括 SPI、I2C 和 UART 接口，一個(gè)脈沖密度調(diào)制 (PDM) 接口，多個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (ADC) 以及 ST 的串行線調(diào)試 (SWD) 接口（圖 3）。 盡管板可用作獨(dú)立解決方案，但套件的載板為設(shè)計(jì)人員提供了基于 SensorTile 開發(fā)和部署 IoT 設(shè)計(jì)的替

7、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(shè)來擴(kuò)大系統(tǒng)。該板包括一個(gè)用于濕度和溫度的 STMicroelectronics HTS221 傳感器。此外，鞍形板還包括 SD 卡插座、micro-USB 接口、開關(guān)和電池組。設(shè)計(jì)人員只需將板焊接到鞍形上的相應(yīng)焊盤，便可利用更多外設(shè)。完成開發(fā)后，設(shè)計(jì)人員可在交貨時(shí)移除鞍形板的可折斷 SWD 接口。 套件的擴(kuò)展板提供了一種更為簡單的方法來開發(fā)定制設(shè)計(jì)。開發(fā)人員只需使用專用連接器將板插入擴(kuò)展板即可（圖 2）。連同用于軟件開發(fā)的 SWD 接口，擴(kuò)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

8、內(nèi)的更多連接器。 即時(shí)部署 開發(fā)人員只需將板插入擴(kuò)展板（或?qū)⑵浜附拥桨靶伟迳希?，通過 USB 將其連接到主機(jī) PC 以獲取電源，然后受支持的 Android 或 iOS 移動(dòng)應(yīng)用程序，便可開始探索具有藍(lán)牙功能的 IoT 設(shè)計(jì)。開發(fā)套件附帶的系統(tǒng)已使用支持三種樣例應(yīng)用程序的固件開展編程，這些應(yīng)用程序?qū)⒌凸乃{(lán)牙 (BLE) 與適用于 Android 或 iOS 的 ST BlueMS 應(yīng)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(fēng)音頻流和傳感器數(shù)據(jù)流等應(yīng)用。 除了提供用于即時(shí)部署 SensorTile 應(yīng)用程序的軟件以外，這些樣例應(yīng)用程序還可作為使用 SensorTi

9、le 的多層架構(gòu)的指導(dǎo)。連同 ARM Cortex 微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn) (CMSIS) 元器件，STMicroelectronics 基于自己的 STM32Cube 環(huán)境提供硬件抽象層 (HAL) 和板級(jí)支持包 (BSP)。這些層反過來與 STLCS01V1 板、STLCX01V1 擴(kuò)展板和 STLCR01V1 鞍形板上的根底硬件接口（圖 4）。 STMicroelectronics SensorTile 軟件包圖片 圖 4： SensorTile 軟件包提供了基于 STMicroelectronics 的 STM32Cube 設(shè)備軟件層構(gòu)建的樣例應(yīng)用程序。它將復(fù)雜的硬件互動(dòng)抽象為若干簡單的

10、軟件調(diào)用。（圖片：STMicroelectronics） 分層架構(gòu)盡管看似復(fù)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(yīng)用程序演示了開發(fā)人員只需在主等待循環(huán)之前調(diào)用若干初始化例程便可（列表 1）。主循環(huán)等待關(guān)鍵事件，包括用于指定傳感器數(shù)據(jù)采樣之間的等待時(shí)間的定時(shí)器到期。當(dāng)定時(shí)器處理程序設(shè)置 SendEnv=1，該例程便會(huì)使用單個(gè)調(diào)用 SendEnvironmentalData() 收集并傳輸環(huán)境數(shù)據(jù)。 /* Initialize the BlueNRG */ Init_BlueNRG_Stack(); /* Initialize the BlueNRG Cu

11、stom services */ Init_BlueNRG_Custom_Services(); /* initialize timers */ InitTimers(); StartTime = HAL_GetTick(); /* Infinite loop */ while (1) /* Led Blinking when there is not a client connected */ if(!connected) if(!TargetBoardFeatures.LedStatus) if(HAL_GetTick()-StartTime 1000) LedOnTargetPlatfo

12、rm(); TargetBoardFeatures.LedStatus =1; StartTime = HAL_GetTick(); else if(HAL_GetTick()-StartTime 50) LedOffTargetPlatform(); TargetBoardFeatures.LedStatus =0; StartTime = HAL_GetTick(); /* handle BLE event */ if(HCI_ProcessEvent) HCI_ProcessEvent=0; HCI_Process(); /* Update the BLE advertise data

13、and make the Board connectable */ if(set_connectable) setConnectable(); set_connectable = FALSE; /* Environmental Data */ if(SendEnv) SendEnv=0; SendEnvironmentalData(); 列表 1.此代碼片段取自 ST SensorTile 軟件包，它顯示，開發(fā)人員在用于等待新藍(lán)牙事件或傳感器數(shù)據(jù)采樣的等待循環(huán)之前調(diào)用了若干初始化例程。（代碼： STMicroelectronics） SendEnvironmentalData 例程以步進(jìn)方式遍

14、歷各個(gè)傳感器，使用 BSP 例程采集各個(gè)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(shè)備特定的數(shù)據(jù)構(gòu)造中包含的數(shù)據(jù)。SendEnvironmentalData 例程隨后使用相應(yīng)的調(diào)用，通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?BlueNRG 服務(wù)例程 MCR_BLUEMS_F2I_2D()。 設(shè)計(jì)人員可采用提供的軟件應(yīng)用程序并參加少許更改，也可根據(jù)自己的定制需求開展改寫。SensorTile 軟件環(huán)境受 STMicroelectronics STM32 開放式開發(fā)環(huán)境 (STM32 ODE) 支持，旨在支持開源軟件庫和框架。套件已使用 ST 的

15、BLUEMICROSYSTEM 開放式框架固件開展預(yù)編程。 STMicroelectronics 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(qiáng)功能的第三方軟件庫，而不是繼續(xù)局限于特定的機(jī)制。對(duì)于有功率限制的 IoT 設(shè)備，此功能在利用能效更高的機(jī)制時(shí)變得尤其重要。 降低電源要求 對(duì)于許多 IoT 應(yīng)用而言，相關(guān)的無線傳感器系統(tǒng)依賴于電池電量，并且需要符合嚴(yán)格的功率預(yù)算。SensorTile 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(yùn)動(dòng)應(yīng)用中通常所需的低速率下，傳感器只需要微安級(jí)別的功耗。LSM6DSM IMU 在 12.5 Hz 的采樣率下僅使用 9 A 電流，

16、LSM303AGR 電子羅盤在 20 Hz 下僅需 200 A 電流，LPS22HB 壓力傳感器在 1 Hz 下需要的電流不超過 12 A。 此外，STM32L476 MCU 在運(yùn)行模式下只需 100 A/MHz (24 MHz)。BlueNRG 藍(lán)牙收發(fā)器 IC 在維持一個(gè)有源 BLE 堆棧的待機(jī)模式下僅消耗 1.7 A 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 8.2 mA 電流下以 0 dBm 傳輸數(shù)據(jù)，非常適合低功耗應(yīng)用，但即便如此，仍是功率受限型設(shè)計(jì)的用電大戶。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可通過簡單的權(quán)宜之計(jì)，即減少無線傳輸事務(wù)

17、的數(shù)量并縮短其持續(xù)時(shí)間，來解決與無線通信相關(guān)的功耗挑戰(zhàn)。不過，使用標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙通信，開發(fā)人員只有很少幾個(gè)選項(xiàng)用于限制功耗。具有藍(lán)牙功能的典型應(yīng)用依賴于使用重復(fù)輪詢檢查的設(shè)備發(fā)現(xiàn)和配對(duì)，這會(huì)造成大量功耗而并無實(shí)際數(shù)據(jù)交換。而且，標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙配對(duì)會(huì)給 IoT 部署帶來嚴(yán)重的后勤復(fù)雜性，因?yàn)槊總€(gè) IoT 設(shè)備都需要置于發(fā)現(xiàn)模式。其次，它必須采用手動(dòng)方式與移動(dòng)設(shè)備或其他數(shù)據(jù)聚合器配對(duì)。 藍(lán)牙的信標(biāo)機(jī)制提供了可消除與發(fā)現(xiàn)和配對(duì)相關(guān)的功耗和后勤問題的備選方案。不幸的是，標(biāo)準(zhǔn)信標(biāo)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(shù)，Enmo Technologies 可將

18、信標(biāo)技術(shù)的省電優(yōu)勢與藍(lán)牙配對(duì)設(shè)備技術(shù)的數(shù)據(jù)交換功能相結(jié)合。因此，Enmo 的機(jī)制可提供多達(dá) 50 KB 的可變大小有效載荷，同時(shí)還能滿足長時(shí)間操作電池供電 IoT 設(shè)備所需的低功耗要求。 與本機(jī) 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(duì)開發(fā)人員保持透明，但它將低級(jí) STMicroelectronics 調(diào)用替換為對(duì)其適用于 SensorTile 的專有 IoT.Over.Beacon 庫的調(diào)用。 為此，開發(fā)人員需要使用 STM32 ST-Link 實(shí)用程序來加載參考固件，該實(shí)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 板后，將通過低功耗藍(lán)牙連接與 Enmo 的 Android 和 iOS 移動(dòng)應(yīng)用程序交互。開發(fā)人員可以在 Enmo 應(yīng)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）。 Enmo Technologies 的參考固件圖片 圖 5： Enmo Technolog