基于信標設(shè)計的解決方案

Beacon技術(shù)為各種細分市場（包括零售，運輸和酒店行業(yè)）的輔助應(yīng)用提供了極具吸引力的機會。隨著公司急于向快速發(fā)展的市場提供基于信標的解決方案，信標設(shè)計人員面臨著對更快交付這些小型無線設(shè)備的需求，以及對擴展，免維護操作的更高期望。通過將無線處理器與專用能量采集IC相結(jié)合，工程師可以快速創(chuàng)建能夠在不更換電池的情況下運行多年的信標設(shè)計。

信標正在成為旨在提供基于位置的協(xié)助的策略中越來越重要的元素對個人 - 幫助引導(dǎo)乘客通過機場，客人到酒店房間，甚至棒球迷更好的座位。在零售業(yè)中，信標技術(shù)被視為有助于影響購物者在商店選擇產(chǎn)品的強大催化劑（圖1）。

圖1：基于藍牙的小型設(shè)備因其影響零售銷售和跨不同細分市場提供基于位置的服務(wù)的能力而迅速受到關(guān)注。 （北歐半導(dǎo)體公司提供）

事實上，市場分析師BI Intelligence預(yù)測，2015年美國零售銷售額已直接影響超過40億美元，僅2016年就會影響該數(shù)量的十倍。另一家分析公司ABI預(yù)測，到2018年，超過8億部智能手機將依靠信標進行室內(nèi)定位，實現(xiàn)與智能手機應(yīng)用程序相同的GPS使用水平。事實上，憑借其能夠利用全球74億智能手機用戶的安裝基礎(chǔ)，信標技術(shù)為越來越多利潤豐厚的應(yīng)用提供了關(guān)鍵推動因素。

Beacon運營

潛在的信標設(shè)備概念簡單，設(shè)計用于在短至幾厘米或長達數(shù)百米的范圍內(nèi)傳輸少量信息。用于微定位應(yīng)用的信標只需要無線發(fā)射器，一些用于唯一ID的非易失性存儲器，以及用于處理通信協(xié)議的MCU。設(shè)計用于傳輸環(huán)境數(shù)據(jù)（如溫度或濕度）的信標只需添加適當(dāng)?shù)?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/117/" target="_blank">傳感器和傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能 - 這些要求通常可以通過集成在這些設(shè)計中使用的許多MCU中的模擬外設(shè)來滿足。

信標可以在無線應(yīng)用中擔(dān)任多種角色。廣播信標僅設(shè)計有無線電發(fā)射機，旨在傳輸少量信息以供任何兼容主機接收。例如，旨在幫助航空公司乘客找到其門的廣播信標將定期發(fā)送唯一ID。反過來，智能手機應(yīng)用程序?qū)⑹褂么诵畔⒃诤娇展窘K端內(nèi)準確地放置用戶。

設(shè)計用于雙向通信的信標用作外圍設(shè)備，旨在向主機提供信息或作為用于從外圍設(shè)備收集信息的中央設(shè)備。在典型的信標應(yīng)用中，外圍信標與諸如智能手機或其他通信集線器的主機交互。例如，心率監(jiān)視器中的外圍信標可以與主機交互以相互驗證用戶的健康數(shù)據(jù)的交換，或者在需要時執(zhí)行信標固件的無線更新。

Beacon技術(shù)依賴于藍牙低功耗（BLE），它不僅利用幾乎所有移動產(chǎn)品中內(nèi)置的藍牙功能，而且在無線電操作期間也表現(xiàn)出非常低的功率要求。實際上，BLE仍然是最有效的短程無線電通信技術(shù)之一：它消耗大約0.153μW/bit - 這是另一種流行的短程無線電技術(shù)ZigBee所需的一小部分，ZigBee需要大約185.9μW/bit（見TechZone文章“比較低功耗無線技術(shù)”）。此外，在實踐中，BLE設(shè)備通常在大多數(shù)時間處于睡眠模式（圖2）。實際連接時間僅持續(xù)幾毫秒，因此總體功率要求仍然非常低。

圖2：BLE信標大部分工作時間都處于睡眠狀態(tài)模式，短暫喚醒以廣播信息或連接到主機以進行雙向通信 - 從而降低了這些設(shè)計的總體功率要求。 （由德州儀器提供）

在構(gòu)建信標設(shè)備時，設(shè)計人員可以利用越來越豐富的集成解決方案，旨在滿足功能要求，同時實現(xiàn)極低的功耗。 BLE系統(tǒng)級芯片（SoC）器件，如STMicroelectronics BLUENRG-MSCSP，Nordic Semiconductor NRF51822和Texas Instruments CC2541，將低功耗處理器內(nèi)核與片上BLE無線電相結(jié)合，簡化了信標設(shè)計。與此類別中的其他設(shè)備一樣，這些BLE SoC中的每一個都提供節(jié)能無線電操作以及低功耗模式，在睡眠狀態(tài)期間將功耗降至一或兩微安。

環(huán)境功率

隨著這些超低功耗BLE SoC的推出，工程師可以使用CR2032等小型電池設(shè)計能夠運行數(shù)月的信標。然而，大規(guī)模微定位應(yīng)用可能需要放置數(shù)十甚至數(shù)百個這些設(shè)備以提供高度準確的位置數(shù)據(jù)。因此，實現(xiàn)更長時間無需維護的操作的能力對于希望一次放置信標并且不擔(dān)心下游維護和相關(guān)成本的組織來說是一個優(yōu)勢。

憑借其低功耗要求，信標是理想的候選者使用能量收集技術(shù)。實際上，由于信標通常放置在高度交通，光線充足的地方，工程師可以制造信標設(shè)備，這些信標設(shè)備只能從室內(nèi)照明中獲取的能量進行操作。對于這些應(yīng)用，工程師可以通過將TI CC2541等超低功耗BLE SoC與TI BQ25505等專用能量采集電源管理IC（PMIC）相結(jié)合，構(gòu)建高效的環(huán)境供電信標（圖3）。

圖3：由于功耗極低，德州儀器CC2541等BLE SoC可以通過專用能源管理的環(huán)境功率運行 - 收集TI BQ25505等IC。 （德州儀器公司提供）

BQ25505設(shè)計用于從僅提供微瓦能量的電源提取能量，可以管理能量收集電源管理的所有方面，包括能量傳感器管理，能量存儲管理和負載管理。為了從室內(nèi)光源提取功率，BQ25505和此類設(shè)備中的其他設(shè)備通常提供最大點功率跟蹤（MPPT）功能，旨在確保太陽能電池有效地從可用光線中提取最大功率。該器件可以在超級電容器或可充電電池中節(jié)省多余的能量，管理特定類型的能量存儲設(shè)備所需的特定充電/放電曲線。在負載方面，該設(shè)備可以在環(huán)境光源和存儲電源之間切換電源。

在許多信標應(yīng)用中，超級電容器為可充電電池提供了有效的能量存儲替代方案。與典型的可充電電池不同，超級電容器靜電存儲電荷。由于在電極和電解質(zhì)之間發(fā)生很少或沒有反應(yīng)，超級電容器可以執(zhí)行數(shù)十萬次充電和放電循環(huán)。此外，雖然電池表現(xiàn)出很少或沒有低于其工作電壓閾值的容量，但超級電容器即使在較低電壓下也能提供容量。因此，超級電容器在延長壽命和低電壓操作方面具有優(yōu)勢，這對于信標應(yīng)用尤其重要。

為了控制電源和負載之間的連接，TI BQ25505 PMIC - 與此處的許多設(shè)備一樣class - 包括用于操作外部FET負載開關(guān)的片上柵極驅(qū)動器，用于斷開負載與能源的連接或在更復(fù)雜的設(shè)計中在不同電源中復(fù)用。對于圖3中建議的特定信標設(shè)計，設(shè)計人員可以使用BQ25505的VB_SEC_ON信號來控制這樣的負載開關(guān)。在正常操作中，BQ25505的VBAT_OK信號保持高電平，同時電池輸出仍然高于可用電平。

提供反相VBAT_OK信號，VB_SEC_ON可用于驅(qū)動系統(tǒng)隔離FET的柵極。當(dāng)來自超級電容器（在這種情況下）的電壓低于閾值電壓時，BQ25505關(guān)閉負載開關(guān)以斷開BLE SoC，而不是讓它在欠壓條件下工作。除了添加合適的FET和相關(guān)的無源元件（包括簡單天線）之外，能量采集BQ25505 PMIC和CC2541 BLE SoC的這種組合可以作為環(huán)境供電信標解決方案所需的完整硬件補充。

總而言之，

Beacon應(yīng)用程序正在迅速成為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）中首批大規(guī)模部署之一。對于信標開發(fā)者而言，不斷增長的市場需求轉(zhuǎn)化為需要更快速地開發(fā)能夠作為僅發(fā)送廣播設(shè)備或能夠發(fā)送和接收無線通信的外圍設(shè)備操作的合適信標設(shè)計。雖然BLE SoC為信標設(shè)計提供了快速解決方案，但這些SoC與專用能量采集IC的結(jié)合提供了一種有效的方法，可以創(chuàng)建無需電池即可運行多年的免維護信標。