打造智能家庭的物联网

蓝牙低功耗（BLE）标准的出现彻底改变了物联网（IoT）概念，帮助其从概念转变为商业现实。BLE得到普及的最大原因是因为其在智能手机、平板电脑以及最近的笔记本电脑得到了广泛应用。与那些需要使用USB适配器、内置无线设备等定制硬件来完成通信连接另一端的专有协议相比，BLE在这方面拥有巨大优势。除此之外，包括低功耗和标准软件等原因使得BLE迅速成为IoT应用的事实上的标准。

迄今为止最常见的IoT应用是可穿戴电子设备（如Jawbone Up）。此类设备采集来自传感器的数据，通过运行复杂的算法提取有用信息，然后将这些信息传送到一个移动设备。一些家用电器和传感器模块也在采用类似的理念，目的是将普通家庭转变为智能家庭。这些电器包括：智能咖啡机和智能照明控制系统，前者能在您早晨离家之前，为您煮好所选择的咖啡；而后者能够检测到您是否在屋中，并自动开灯和关灯。

部署BLE标准目前面临的一大挑战是其有限的网络拓扑结构。在智能家庭等可能拥有多个节点（即多个位置的传感器和照明开关）的系统中，每个节点必需由一个通用中央设备（通常是一部手机）单独控制。我们将在本文中介绍一种消除这一限制的全新方法。

请设想一个拥有多个节点的智能家庭系统。每个节点配有一个传感器接口、一个照明控制单元和一个BLE通信单元。传感器接口可以检测人的存在和环境光亮度。照明控制单元能够开灯和关灯，并控制灯的色温和光强。通信单元使用BLE协议与智能家庭系统中的其它节点进行交互。

图一显示了智能家庭系统的一个高级框图。


图1智能家庭系统 – 框图

在这个智能家庭系统中，所有节点通过一个网状网进行通信，每个节点采用时分复用方式扮演主节点或从节点的角色。每个节点提供以下功能：

传感器接口：每个节点为一个接近传感器和一个光传感器提供接口。系统使用一个放大器放大来自这些传感器的信号，然后使用一个ADC将它们转变为数字信号。然后，使用数字信号控制LED，并与系统中的其它节点通信。

照明控制单元：所测得的信号由一个MCU处理，并被转变为控制信息，用于控制灯的色温和光强。控制单元能够根据环境光亮度和时间（来自RTC），或者根据用户通过BLE手机上的App输入的指令，调节灯的色温和光强。

BLE通信单元：在该系统中，BLE用于实现两个目的。首先，它为手机提供一种控制节点照明灯的方式。在这种情况下，节点扮演GAP Peripheral的角色，从手机（即GAP Central设备）接收控制信息。第二，BLE为节点提供一个控制智能家庭系统中其它节点的方式。在这种情况下，节点的角色变为GAP Central，以便向其它节点发送控制信息。
图2显示了智能家庭系统的高级BLE流程图：


图2. BLE接口

动态改变BLE GAP角色：在该应用中，所有节点扮演GAP外设（GAP从节点）的角色，并试图与GAP 中心（GAP主节点）建立BLE连接。当某个节点从GAP 中心接收到控制信息或者通过接近传感器检测到运动，它将把其角色变为GAP 中心，并与系统中的其它节点建立连接，以便转发该信息。这样以来，其它节点不需要从手机直接接收控制信息，而是能够从一个附近节点接收到此类信息。

由于此类应用需要众多功能，人们通常需要使用多个芯片来打造这样一个系统。使用多个芯片不仅会增加BOM（物料成本），而且还会增加PCB的尺寸，而后者对于智能家庭节点等空间受限的应用至关重要。赛普拉斯的PSoC 4 BLE解决方案等高度集成的SoC处理器提供单一芯片智能家庭节点所需的连接和功能。这些处理器不仅提供GAP 外设和GAP 中心BLE通信功能，而且还能在这两个GAP角色之间动态切换。此外，可编程模拟模块可用于定制传感器接口，可编程数字模块可用于实现控制单元－所有这些模块可用于设计一个真正的单芯片解决方案。这种方法提供一个经济高效的解决方案，可消减物料成本和PCB尺寸。此外，它还能为不同的节点提供不同的功能，从而实现模块化。

图3显示了采用PSoC 4 BLE的智能照明控制器


图3. 智能照明控制应用 - PSoC 4 BLE解决方案

该设备不仅实现了上述三个系统功能（传感器接口、照明控制单元和BLE通信），而且还提供可创建BLE GAP 中心和GAP 外设的BLE组件，从而简化了设计。赛普拉斯的应用笔记AN91162阐述了如何为那些未得到蓝牙技术联盟BLE 标准文件支持的定制应用创建兼容BLE的文件。

BLE在推动IoT走向成功方面发挥了重要作用，并已成为IoT应用的事实标准，它不仅用于可穿戴应用，而且被证明是家庭自动化应用的一个有效标准。BLE目前在网络拓扑结构上的限制可通过采用动态切换GAP 中心和 GAP 外设角色等全新方法加以克服。赛普拉斯的PSoC 4 BLE解决方案等高度集成的SoC处理器不仅满足IoT应用的所有要求，而且还能借助免费软件工具、低成本开发工具包和数百个入门设计样例简化设计。