加速开发环境驱动的、基于信号的解决方案

　　Beacon技术为各种细分市场的应用提供了令人信服的机会，包括零售、运输和酒店业。随着公司纷纷向快速移动的市场交付基于beacon的解决方案，beacon设计公司面临着越来越多的需求，要求更快地交付这些小型无线设备，并对扩展的、无需维护的操作有更大的期望。通过将无线处理器与专门的能量收集技术结合起来，工程师可以快速创建能够在不更换电池的情况下运行数年的beacon设计。

　　信标正在成为一种越来越重要的策略，旨在为个人提供基于位置的帮助——帮助引导乘客通过机场、客人到酒店房间，甚至是棒球迷到更好的座位。在零售领域，beacon技术被视为一种强大的催化剂，可以帮助消费者在商店的地板上选择产品(图1)。

　　小型蓝牙设备正迅速受到关注，因为它们有能力影响零售销售，并在不同的细分市场提供基于位置的服务。

　　图1:小型蓝牙设备正在迅速获得关注，因为它们能够影响零售的销售，并在不同的细分市场提供基于位置的服务。(由凯利讯半导体)

　　事实上，市场分析人士BI Intelligence预测，信标已经直接影响到2015年美国零售额的40亿美元，并将影响2016年的10倍。另一家分析公司ABI预计，到2018年，超过8亿部智能手机将依赖于室内定位的信标，这将使智能手机应用的使用水平达到全球定位系统(GPS)今天所提供的水平。事实上，凭借其在全球拥有74亿智能手机用户的能力，beacon技术为越来越多的利润丰厚的应用提供了关键的推动因素。

　　标操作

　　尽管它们的潜力很大，但beacon设备的概念很简单，它的设计目的是在短到几厘米或几百米的范围内传输少量信息。用于微定位应用的信标只需要一个无线发射机、一个惟一ID的非易变存储和一个用于处理通信协议的单片机。设计用来传输环境数据的信标，例如温度或湿度，只需要添加合适的传感器和传感器数据转换能力——这一要求通常可以通过在这些设计中已经集成在许多MCUs中的模拟外围设备来满足。

　　信标可以在无线应用程序中的多个角色中运行。广播信标是由无线电发射机设计的，目的是传输少量的信息供任何兼容的主机接收。例如，为帮助航空公司乘客寻找登机口的广播信标会定期发送一个唯一的ID，而智能手机应用程序则会利用这些信息在航空公司终端内准确地定位用户。

　　设计用于双向通信的信标作为外围设备，用于向主机或用于从外围设备收集信息的中心设备提供信息。在典型的信标应用程序中，外围信标与智能手机或其他通信中心等主机交互。例如，心率监视器中的外围信标可能与主机交互，以相互验证用户的健康数据的交换，或者在需要时对beacon固件进行过空更新。

　　Beacon技术依赖于蓝牙低能量(BLE)，它不仅利用了几乎所有移动产品内置的蓝牙功能，而且在无线电操作中也显示了非常低的功率要求。事实上,祝福依然是最有效的短程无线通信技术之一:它会消耗大约0.153μW /位-的一小部分,需要在另一个受欢迎的短程无线电技术,无线个域网,这需要大约185.9μW /位(见本文TechZone比较低功耗无线技术)。此外，在实践中，大多数时间(图2)中，BLE设备通常处于睡眠模式(图2)。实际连接时间仅为几毫秒，因此总体的电源需求仍然非常低。

　　BLE beacons将大部分的运行时间都花在了睡眠模式上，短暂地唤醒了广播信息，或者连接到主机进行双向通信，从而降低了这些设计的总体功率要求。

　　图2:BLE beacons把大部分的运行时间都花在了睡眠模式上，简单地把信息或连接到主机上进行双向通信，从而降低了这些设计的总体功率要求。(由凯利讯半导体)

　　在构建beacon设备时，设计师可以利用越来越丰富的集成解决方案来满足功能需求，同时实现低功耗。系统芯片(SoC)设备，如STMicroelectronics BLUENRG-MSCSP、Nordic Semiconductor NRF51822和德州仪器CC2541，将低功耗的处理器核与芯片上的BLE无线电结合，以简化beacon设计。与本课程中的其他设备一样，这些BLE SoCs提供高效的无线电操作和低功耗模式，在睡眠状态下将功耗降低到一到两个微安。

　　周围的力量

　　随着这些超低功耗的SoCs的可用性，工程师们可以设计出能够使用像CR2032这样的小电池来运行几个月的信标。然而，大规模的微定位应用程序需要放置几十甚至上百个这样的设备来提供高度精确的位置数据。因此，实现更长期的免维护操作的能力对于那些想要放置信标的组织来说是一个优势，而不必担心下游的维护和相关的成本。

　　由于它们的低功率需求，信标是使用能量收集技术的理想候选者。事实上，因为信标通常放置在交通繁忙、光线充足的地方，工程师们可以建造设计的信标设备，而这些设备的设计仅仅是为了从室内照明中获取能量。对于这些应用程序，工程师可以通过将超低功耗的SoC(如TI CC2541)和一个专门的能量收集电源管理IC (PMIC)，如TI BQ25505(图3)，构建一个高效的环境驱动的信标。

　　由于他们的低功耗，像德州仪器CC2541这样的低功耗的SoCs可以通过像TI BQ25505这样的专门的能量采集系统来管理环境电力。

　　图3:由于他们的低功耗，像德州仪器CC2541这样的低功耗的SoCs可以通过像TI BQ25505这样的专门的能量采集系统来管理环境电力。(由凯利讯半导体)

　　BQ25505的设计是为了从提供少量能量的能源中提取能量，BQ25505可以管理能量收集电源管理的所有方面，包括能量转换器管理、储能管理和负荷管理。为了从室内光源中提取能量，BQ25505和这类的其他设备通常提供最大点功率跟踪(MPPT)功能，以确保太阳能电池有效地从可利用的光中提取最大的能量。该装置可以将多余的能量储存在超级电容器或可充电电池中，管理特定类型储能设备所需的特定充放电配置。在负载端，设备可以切换环境源和存储电源之间的电源。

　　超级电容提供了一种有效的储能替代可充电电池在许多信标应用。与典型的可充电电池不同，超级电容器以静电方式储存电荷。由于电极和电解质之间很少或没有反应，超级电容器可以执行数十万的充放电循环。此外，尽管电池在工作电压阈值以下几乎没有或没有容量，但超级电容即使在较低的电压下也能提供容量。因此，超级电容器在延长寿命和低电压操作方面具有优势，这对信标应用来说尤其重要。

　　控制连接电源和负载之间,TI BQ25505 PMIC——正如许多设备在这个类——包括芯片上的门司机操作设计外部场效应晶体管负载开关用来断开负载的能量来源或多路不同的电源在更复杂的设计。对于图3中建议的特定的beacon设计，设计人员可以使用BQ25505的VB_SEC_ON信号来控制这样的负载开关。在正常运行中，BQ25505的VBAT_OK信号仍然很高，而电池的输出仍然高于可用的水平。

　　提供一个反向的VBAT_OK信号，VB_SEC_ON可以用来驱动系统隔离FET的门。当超级电容器(在本例中)电压低于阈值电压时，BQ25505关闭了负载开关，从而断开了BLE SoC，而不是允许它在低电压条件下运行。除了添加一个合适的FET和相关的被动元件，包括简单的天线，这种能量采集BQ25505 PMIC和CC2541 BLE SoC的组合可以作为一个环境驱动的信标解决方案所需的完整硬件补充。

　　总之

　　信标应用正迅速成为物联网(物联网)的首批大规模部署之一。对于beacon开发者来说，不断增长的市场需求意味着需要更快速地开发合适的beacon设计，以便能够作为传输的广播设备或能够发送和接收无线通信的外围设备。虽然BLE SoCs为beacon设计提供了一个快速解决方案，但是这些soc和专门的能量收集集成电路提供了一种有效的方法来创建无需电池的无维护信标。