2015-03-05   瞄準物聯網及智慧家庭應用的嵌入式藍牙模組
 
  王暑衛 [2015-03-05]

雖然智慧家庭的概念早已存在許久,但在網際網路普及、通信技術發達的今天,物聯網(Internet of Things;IoT)堪稱2014科技圈最熱話題,大趨勢鳴槍起跑後,智慧家庭可望進一步落實並幫助使用者提升居住的安全品質和環境舒適度。如圖一所示,1990年代興起的第一波網路浪潮─固網讓10億使用者連上個人電腦,2000年代的第二網路浪潮─行動網路則讓20億使用者連上智慧型手機(正在邁向60億)。物聯網現正風起雲湧,儼然成為網路發展中的第三波浪潮。根據哈佛商業評論(HBR)的預估,物聯網在2020年之前將有280億「物件」(Things)連上網,從穿戴式裝置如智慧手錶到汽車、家電和工業設備,影響範圍遍及各產業與區域。


圖一 : 網路演進流程

藍牙雖然是現代電子設備中常見的硬體規格,但它卻一直與互聯網絡有緣無份,過去要讓藍牙設備連接上網,往往是透過Wi-Fi或其他方式。但藍牙技術聯盟(Bluetooth Special Interest Group;SIG)於2010年底推出低功耗藍牙Bluetooth Low Energy(BLE;亦稱為Bluetooth Smart、藍牙4.0),嘗試從行動裝置市場橫跨到物聯網市場。並加緊腳步於2013年底推出藍牙4.1版及2014年底推出藍牙4.2版,進一步強化BLE在物聯網的應用層面及競爭力。目前全球市場採用BLE技術的裝置正呈現高速成長的態勢,BLE開拓了一個市場機會讓過去數十億個獨立運作的裝置彼此連結起來而形成所謂的物聯網,同時也滿足許多新的無線應用需求,包括超低功耗、快速連結、穩定性及安全性。消費者不論身處何處皆可輕鬆地控制家中的任何BLE裝置,包括照明控制、冷/暖氣溫度控制、智慧家電及安全監控系統。

如圖二所示,BLE採2.4GHz頻段及GFSK調變,支援1Mbps資料傳輸率下的超短封包,支援低延遲(最短可在3毫秒內完成連線設定並開始傳輸資料)及128位元AES演算加密,傳輸距離約50公尺,支援對等點對點(P2P)、放射星狀(Star)以及網狀網路(Mesh,目前為CSRmesh,尚未成為標準)的連接型態。


圖二 : 藍牙4.1版(Bluetooth Low Energy, Bluetooth Smart)主要規格

BLE主要是針對穿戴式裝置(如智慧手錶、手環、心率帶產品,運動健身/醫療保健領域的長時間感測之用)或工業自動化之低耗電需求,因為該技術能使裝置在閒置時休眠,在需要傳輸檔案時才啟動藍牙功能,因此能有效的降低電力耗損。僅需一顆小小的鈕釦型電池即可長時間運行,因此能應用於小型傳感器像是計步器、血糖記錄器的使用,並可將資料發送至應用程式端,進而將資料轉換為對終端使用者有用的資訊,讓設備變得更具智慧。

支援Bluetooth Smart Ready(BT 4.0 Dual Mode)的智慧型手機、平板及電腦數量成長快速,自從iPhone 4S率先支援BLE之後,現今新推出的智能裝置及電腦(iOS7、OS X、Android 4.3、Windows 8、BlackBerry 10及Linux 3.4 以後)都已配備藍牙4.0技術,透過安裝專屬App即可直接與BLE裝置取得連線。順應物聯網及智慧家庭的市場趨勢,亞信電子(ASIX Electronics)的嵌入式無線模組系列新增六款AXB系列嵌入式藍牙模組(圖三 ),包括針對物聯網應用的AXB031/AXB032/AXB033及針對無線音頻應用的AXB051/AXB052/AXB081。


圖三 : 亞信電子推出五款嵌入式藍牙模組

如圖四所示,AXB03x(包括AXB031/032/033)皆符合藍牙4.1 BLE標準,其中AXB031提供Chip Antenna,AXB032為小封裝尺寸,AXB033則支援較多的GPIOs。


圖四 : 亞信電子AXB Series嵌入式藍牙模組的功能比較表

具有成本優勢的藍牙4.1 AXB03x模組適合於穿戴式醫療感測器、運動健身感測器、活動監視器、無線遙控器、智慧家庭、商業/工業自動化以及任何需要連接至智慧型手機、平板電腦及其他Bluetooth Smart Ready裝置等應用(圖五)。


圖五 : 亞信電子AXB03x BLE模組瞄準物聯網及智慧家庭應用

AXB03x嵌入式BLE模組分為兩種工作模式(圖六):獨立運作或搭配外掛微控制器(Companion Mode)。左邊為利用CSR101x BLE單晶片內建的微控制器即可以最省成本的方式獨立運作,BLE模組不但提供UART對具有中等輸送量 (<200kbps) 的 RS-232/422/485連結進行線纜更換,還提供豐富的GPIOs介面進行遠端控制及狀態傳輸,3組Analog I/O連接類比感測器,4組PWMs供燈光控制及調光應用。至於右邊的工作模式為利用BLE單晶片的UART介面連接外掛微控制器,方便客戶保留原有熟悉的開發平台,以最簡單的方式新增BLE BT 4.1介面。另外,CSR101x BLE單晶片內建64KB ROM(儲存較底層的BLE stack)及64KB RAM,AXB03x BLE模組上則另外提供64KB EEPROM,用來儲存藍牙上層的Profiles及更新的軟體。

根據以往的使用場景,每個藍牙設備必須連接手機或PC才能被控制,如圖七所示,具備BLE介面的健康醫療設備(如血壓計或血糖計),需搭配安裝App的Bluetooth Smart Ready智慧型手機,才可將量測資料上傳到雲端或者醫院,這大大限制了使用範圍。


圖六 : 亞信電子AXB031/033嵌入式低功耗藍牙(BLE)模組提供兩種運作模式


圖七 : 傳統上需搭配智慧型手機,才能上傳健康醫療設備的量測資料至雲端

在智慧家庭系統中,為了讓身處在外的使用者能安全地透過網際網路或雲端伺服器連線家中的低功耗藍牙BLE裝置,進行遠端控制或獲得資訊,只要利用BLE Gateway(圖八)以Ethernet或Wi-Fi介面連上傳統的家用路由器即可滿足上述需求,讓家中所有的藍牙4.1裝置連上網際網路而無需手機或PC的參與,可望提升智慧家庭的便利性及滲透率。


圖八 : 搭配物聯網雲端服務及智慧型手機App,適合智慧家庭應用的BLE Gateway

如圖九所示,亞信電子將持續努力投入物聯網應用的研究開發,自Embedded Ethernet、USB-to-LAN、Embedded Network SoC及I/O Connectivity等晶片,到嵌入式Wi-Fi及藍牙模組等領域,致力於提供客戶最符合經濟效益及市場需求的完整解決方案。(本文作者王暑衛任職於亞信電子ASIX Electronics市場處協理)


圖九:亞信電子針對物聯網應用提供完整的解決方案