如何快速而經濟高效地將藍牙 5.3 添加至邊緣物聯網設計
作者：Jens Wallmann
投稿人：DigiKey 歐洲編輯
激烈的競爭給物聯網 (IoT) 設備開發商帶來了壓力，他們必須迅速推出新的創新產品，同時還要降低成本，確保穩定、低功耗、安全的通信。傳統的智能物聯網終端節點包括用于邊緣處理的微控制器單元 (MCU) 和用于連接的無線集成電路。如果設計團隊缺乏開發有效解決方案必需的射頻 (RF) 技能，就會出現問題。
為了按時完成和認證無線物聯網設計，并將其投入量產，開發人員必須提高開發過程的效率。提高開發過程效率的一種方法是使用配備集成低功耗藍牙 (BLE) 無線接口的低功耗 MCU。
本文介紹了來自 [STMicroelectronics] 的超低功耗 [STM32WBA52]MCU 系列，并展示了開發人員如何使用 BLE 評估板、開發工具和應用示例，快速完成和運行 BLE 5.3 無線設計。此外，本文還簡要介紹了編程和 MCU 布線。
高安全級別的節能無線 MCU
STM32WBA52 MCU 系列已通過 BLE 5.3 認證，這是一種經濟高效的解決方案，可幫助新手開發人員快速為設備添加無線通信功能。這些微控制器基于時鐘頻率為 100 MHz 的 [Arm?] Cortex?-M33 內核和 TrustZone 技術，具有高安全·，可保護數據和知識產權 (IP)，防止黑客攻擊和設備克隆。
[STM32WBA52CEU6]無線 MCU 搭載 512 KB 閃存和 96 KB 靜態 RAM (SRAM)，[STM32WBA52CGU6]型號則搭載 1 MB 閃存和 128 KB SRAM。圖 1 顯示了 48 UFQFN 封裝中集成電路的功能范圍。此外，多達 20 個電容式觸摸通道可支持密封設備的操作（無需機械按鍵）。
圖 1：STM32WBA52 的功能框圖顯示了集成 BLE 5.3 無線電、閃存和 SRAM 以及安全支持。（圖片來源：STMicroelectronics）
豐富的 STM32Cube 生態系統可以支持 BLE 應用的實現和編程。該生態系統包括 STM32CubeIDE 開發環境以及各種工具，例如 STM32CubeMX 外設配置器和代碼生成器、STM32CubeMonitorRF 性能測試器，以及用于人工智能 (AI) 的 STM32Cube.AI 桌面版本和云版本。匹配的評估板 [NUCLEO-WBA52CG]可簡化原型設計，并提供大量 BLE 實例應用程序和免費源代碼，以加速驗證。
設備和數據安全
STM32WBA52 產品系列達到了物聯網安全標準平臺安全架構 (PSA) 認證等級 3 和物聯網平臺安全評估標準保證等級 3 (SESIP3)。基于安全隔離、內存保護、篡改保護的 PSA 安全認證計劃，以及采用 Arm TrustZone 架構的 MCU Cortex-M33，都可以增強網絡保護。適用于 Arm Cortex-M 的可信固件 (TF-M) 符合行業標準 PSA 認證安全框架，具有 PSA 不可變信任根 (RoT)，包括安全啟動和安全固件更新 [(X-CUBE-SBSFU])、加密、安全存儲和運行時驗證。
集成無線電最大限度地降低物料成本
集成的超低功耗無線電模塊可提供 +10 dBm（分貝數基準為 1 mW）的射頻輸出功率。該模塊可實現短距離 (BLE 5.3) 和長距離 (Long Range) 可靠通信，數據傳輸速率高達 2 Mbps。在進行無線電通信時，深度待機低功耗模式可以降低總耗電量。STM32WBA MCU 可同時支持最多 20 個連接。
該無線電模塊的電氣性能特征：
由于高效的能源管理，電池體積更小
STM32WBA52 MCU 采用多項節能技術，包括 STMicroelectronics 的低功耗直接內存訪問 (LPDMA)，以及具有快速喚醒時間的靈活省電狀態。這些特性組合在一起，可將 MCU 功耗降低多達 90%，從而顯著縮小電池體積或延長電池續航時間。
FlexPowerControl 的電氣性能特性：
- 1.71 至 3.6 V 電源
- 140 nA 待機模式（16 個喚醒引腳）
- 200 nA 待機模式，實時時鐘 (RTC) 運行
- 2.4 μA 待機模式，64 KB SRAM
- 16.3 μA 停止模式，64 KB SRAM
- 45 μA/MHz 運行模式，電壓 3.3 V
- 無線電：Rx 7.4 mA/Tx，0 dBm，10.6 mA
此外，藍牙 5.3 在低占空比和高占空比之間的切換速度更快，因而比先前版本的能效更高。
藍牙堆棧架構和數據包
STM32WBA52 中的單核 Arm Cortex-M33 MCU 專門用于應用固件開發，包括 BLE 堆棧（控制器和主機）上的配置文件和服務。MCU 處理從最低物理層 (PHY) 上的集成射頻模塊到通用屬性配置文件 (GATT) 和通用訪問配置文件 (GAP) 的數據流（圖 2）。GAP 定義和管理廣播和連接，GATT 則定義和管理進出數據交換。
圖 2：MCU 處理從無線電 PHY 到 GATT 和 GAP 的數據流。（圖片來源：STMicroelectronics）
BLE 發送的數據包被定義為一個位序列的固定幀結構。用戶數據區的長度在 27 到 251 個字節之間動態變化。
BLE 應用實例
在線百科全書 [STMicro-Wiki]中有關 STM32WBA MCU 的部分包含多個不同藍牙角色的應用實例，包括：
- 廣播：BLE_Beacon
- 傳感器：BLE_HealthThermometer、BLE_HeartRate
- 網橋：BLE_SerialCom
- 路由器：BLE_p2pRouter
- 數據：BLE_DataThroughput、BLE_p2pServer 和 Multi Slave BLE_p2pClient
- 射頻監控器：BLE_TransparentMode
- 固件空中升級：BLE_Fuota
設備設計人員和程序員可根據自己的 BLE 項目，將相應 GitHub 項目目錄中已編譯的二進制文件燒錄到 NUCLEO 開發板上，然后啟動與智能手機或臺式電腦的藍牙連接。必需的編程器軟件 [STM32CubeProg]讓用戶能夠通過調試接口和引導程序接口，對設備內存進行讀取、寫入和驗證。
運行 BLE 實例“健康溫度計傳感器”
健康溫度計規范 (HTP) 是藍牙技術聯盟 (SIG) 制定的基于 GAP 的低功耗規范。其將健康溫度計收集器和健康溫度計傳感器結合在一起，在不同應用中進行連接和交換數據（圖 3）。
[
]圖 3：作為傳感器/服務器的 NUCLEO 開發板與作為收集器/客戶端的智能手機之間的 BLE 通信。（圖片來源：STMicroelectronics）
健康溫度計傳感器：
- 測量溫度，并通過健康溫度計服務公布數據
- 包含遠程設備要識別的設備信息服務
- 作為 GATT 服務器
健康溫度計收集器：
- 訪問健康溫度計傳感器提供的信息，并將其顯示給最終用戶，或者存儲在非易失性存儲器中，以便日后分析
- 作為 GATT 客戶端
將健康溫度計[二進制文件]燒錄到 NUCLEO 的 MCU 上之后，開發人員需要按照以下步驟運行 BLE 應用實例：
使用智能手機應用程序
- 在智能手機上安裝 [ST BLE 工具箱]。該應用程序用于與 ST BLE 設備交互以及對其進行調試。
- 為已燒錄健康溫度計應用程序的 STM32WBA NUCLEO 開發板通電。
- 打開智能手機藍牙 (BT)，在應用程序中掃描可用的藍牙設備。選擇健康溫度計并連接。
使用網絡瀏覽器界面
- 確保瀏覽器的兼容性：
- 在臺式電腦上：Chrome、Edge 或 Opera
- 在智能手機設備上：安卓版 Chrome 瀏覽器
- 為已燒錄健康溫度計應用程序的 STM32WBA NUCLEO 開發板通電。
- 在電腦上激活藍牙。
- 在瀏覽器中打開網頁 [https://applible.github.io/Web_Bluetooth_App_WBA/]。
- 點擊網頁頂部的連接按鈕，然后在設備列表中選擇 HT_xx，點擊配對。該設備現已連接。
- 點擊健康溫度計以顯示界面。
表 1 顯示了健康溫度計傳感器的服務結構。128 位長度的全局唯一標識符 (UUID) 可區分各個特征和服務。
| | 服務 | 特征 | 屬性 | UUID | 大小 |
| ---------------- | ------------------ | ------------------ | -------- | ------ |
| 健康溫度計服務 | | | 0X1809 | |
| | 溫度測量 | 指示 | 0x2A1C | 13 |
| | 溫度類型 | 讀取 | 0x2A1D | 1 |
| | 中間溫度 | 通知 | 0x2A1E | 13 |
| | 測量間隔 | 讀取、寫入、指示 | 0x2A21 | 2 |
| 設備信息服務 | | | 0X180A | |
| | 制造商名稱字符串 | 讀取 | 0x2A29 | 32 |
| | 型號字符串 | 讀取 | 0x2A24 | 32 |
| | 系統 ID | 讀取 | 0x2A23 | 8 |
表 1：“健康溫度計傳感器”GAP 的 GATT 服務及其 UUID。（圖片來源：STMicroelectronics）
來自 [GitHub]的以下 JavaScript 序列顯示了網絡瀏覽器界面如何篩選不同的 GATT 數據吞吐量特征（清單 1）。
復制
[...]
// Filtering the different datathroughput characteristics
props.allCharacteristics.map(element = > {
switch (element.characteristic.uuid) {
case"00002a1c-0000-1000-8000-00805f9b34fb":
IndicateCharacteristic= element; // Temperature Measurement (TEMM)
IndicateCharacteristic.characteristic.startNotifications();
IndicateCharacteristic.characteristic.oncharacteristicvaluechanged=
temperatureMeasurement;
break;
case"00002a1d-0000-1000-8000-00805f9b34fb":
ReadCharacteristic= element; // Temperature Type
readTemperatureType();
break;
case"00002a1e-0000-1000-8000-00805f9b34fb":
NotifyCharacteristic= element; //Immediate Temperature
NotifyCharacteristic.characteristic.startNotifications();
NotifyCharacteristic.characteristic.oncharacteristicvaluechanged= notifHandler;
break;
case"00002a21-0000-1000-8000-00805f9b34fb":
ReadWriteIndicateCharacteristic= element; // Measurement Interval
readMeasurementInterval();
break;
default:
console.log("# No characteristics found..");
}
});
[...]
清單 1：此 JavaScript 序列可篩選表 1 中的不同 GATT 數據吞吐量特征。（清單來源：GitHub、STMicroelectronics）
跟蹤 BLE 堆棧進程
NUCLEO-WBA52CG 嵌入了 ST-LINK/V3 在線調試器和編程器，支持 STM32 虛擬 COM 端口驅動程序，可通過串行接口與 PC 通信。任何軟件終端都可以打開該串行通信端口，顯示由 APP_DBG_MSG 函數在代碼中生成的文本短消息。
項目內的跟蹤需要在 app_conf.h 文件中啟用
#define CFG_DEBUG_APP_TRACE (1)
另外，智能手機應用程序“SE BLE Toolbox”在<應用程序日志>選項卡上提供了跟蹤功能。
BLE 5.3 應用程序編程
為了對 STM32WBA52 MCU 進行編程，STM 推出了由硬件抽象層 (HAL)、低層應用程序編程接口 (API)、CMSIS、文件系統、RTOS、BLE/802.15.4、線程和 Zigbee 堆棧組成的 [STM32CubeWBA 軟件包]，以及在 STMicroelectronics 電路板上運行的實例。
每個 [NUCLEO-WBA52CG BLE 應用程序實例]都包含適用于 IAR Embedded Workbench for Arm (EWARM)、Keil MDK-ARM 和 STM32CubeIDE 等所有三種開發環境 (IDE) 的項目結構設置。
在健康溫度計實例中，只有項目目錄樹（圖 4 左側框架）中的特定文件才會生成 GATT 服務。表 1 中的“健康溫度計服務”(hts) 和“設備信息服務”(dis) 這兩個例程并行運行（圖 4 右下方）。
[
]圖 4：程序員可以在框架代碼文件（左）中添加自己的 GATT 內容；這些文件會生成 GATT 服務（右）。（圖片來源：STMicroelectronics）
程序員可將源代碼用于自己的項目，并在標記 USER CODE BEGIN/USER CODE END 的區域內進行擴展，添加他們的 GATT 內容（清單 2）。文件 hts.c 中的初始化序列會生成 GATT 特性溫度測量 (TEMM)，其 UUID 為 0x2A1C。
復制
[...]
void HTS_Init(void)
{
[...]
/* TEMM, Temperature Measurement */
uuid.Char_UUID_16 = 0x2a1c;
ret =aci_gatt_add_char(HTS_Context.HtsSvcHdle,
UUID_TYPE_16,
(Char_UUID_t *) &uuid,
SizeTemm,
CHAR_PROP_INDICATE,
ATTR_PERMISSION_NONE,
GATT_DONT_NOTIFY_EVENTS,
0x10,
CHAR_VALUE_LEN_VARIABLE,
&(HTS_Context.TemmCharHdle));
if (ret != BLE_STATUS_SUCCESS)
{
APP_DBG_MSG(" Fail : aci_gatt_add_char command : TEMM, error code: 0x%2Xn", ret);
}
else
{
APP_DBG_MSG(" Success: aci_gatt_add_char command : TEMMn");
}
/* USER CODE BEGIN SVCCTL_InitService2Char1 */
/* USER CODE END SVCCTL_InitService2Char1 */
[...]
}
[...]
清單 2：文件 hts.c 中的初始化序列會生成 GATT 特性 TEMM。（圖片來源：GitHub、STMicroelectronics）
外部元器件要求
STM32WBA52 無線 MCU 只需少量外部元器件即可實現基本的藍牙功能操作。這些元器件包括用于提供電壓的電容器、晶體振蕩器、帶阻抗匹配的印刷電路板天線，以及諧波濾波器（圖 5）。
[
]圖 5：為實現藍牙功能，STM32WBA52 的射頻終端連接到阻抗匹配網絡、諧波濾波器和天線。（圖片來源：STMicroelectronics）
總結
無線物聯網設備開發人員必須縮短設計周期并降低成本，才能在快速發展的市場中競爭。然而，射頻設計非常具有挑戰性。STM32WBA52 MCU 集成 BLE 5.3 接口，使開發人員能夠經濟高效地快速將產品推向市場。預編程的 BLE 堆棧和多個 BLE 應用實例為定制項目提供了編程模板，可輕松插入 GATT 內容。
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