基于信标设计的解决方案

Beacon技术为各种细分市场（包括零售，运输和酒店行业）的辅助应用提供了极具吸引力的机会。随着公司急于向快速发展的市场提供基于信标的解决方案，信标设计人员面临着对更快交付这些小型无线设备的需求，以及对扩展，免维护操作的更高期望。通过将无线处理器与专用能量采集IC相结合，工程师可以快速创建能够在不更换电池的情况下运行多年的信标设计。

信标正在成为旨在提供基于位置的协助的策略中越来越重要的元素对个人 - 帮助引导乘客通过机场，客人到酒店房间，甚至棒球迷更好的座位。在零售业中，信标技术被视为有助于影响购物者在商店选择产品的强大催化剂（图1）。

图1：基于蓝牙的小型设备因其影响零售销售和跨不同细分市场提供基于位置的服务的能力而迅速受到关注。 （北欧半导体公司提供）

事实上，市场分析师BI Intelligence预测，2015年美国零售销售额已直接影响超过40亿美元，仅2016年就会影响该数量的十倍。另一家分析公司ABI预测，到2018年，超过8亿部智能手机将依靠信标进行室内定位，实现与智能手机应用程序相同的GPS使用水平。事实上，凭借其能够利用全球74亿智能手机用户的安装基础，信标技术为越来越多利润丰厚的应用提供了关键推动因素。

Beacon运营

潜在的信标设备概念简单，设计用于在短至几厘米或长达数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无线发射器，一些用于唯一ID的非易失性存储器，以及用于处理通信协议的MCU。设计用于传输环境数据（如温度或湿度）的信标只需添加适当的传感器和传感器数据转换功能 - 这些要求通常可以通过集成在这些设计中使用的许多MCU中的模拟外设来满足。

信标可以在无线应用中担任多种角色。广播信标仅设计有无线电发射机，旨在传输少量信息以供任何兼容主机接收。例如，旨在帮助航空公司乘客找到其门的广播信标将定期发送唯一ID。反过来，智能手机应用程序将使用此信息在航空公司终端内准确地放置用户。

设计用于双向通信的信标用作外围设备，旨在向主机提供信息或作为用于从外围设备收集信息的中央设备。在典型的信标应用中，外围信标与诸如智能手机或其他通信集线器的主机交互。例如，心率监视器中的外围信标可以与主机交互以相互验证用户的健康数据的交换，或者在需要时执行信标固件的无线更新。

Beacon技术依赖于蓝牙低功耗（BLE），它不仅利用几乎所有移动产品中内置的蓝牙功能，而且在无线电操作期间也表现出非常低的功率要求。实际上，BLE仍然是最有效的短程无线电通信技术之一：它消耗大约0.153μW/bit - 这是另一种流行的短程无线电技术ZigBee所需的一小部分，ZigBee需要大约185.9μW/bit（见TechZone文章“比较低功耗无线技术”）。此外，在实践中，BLE设备通常在大多数时间处于睡眠模式（图2）。实际连接时间仅持续几毫秒，因此总体功率要求仍然非常低。

图2：BLE信标大部分工作时间都处于睡眠状态模式，短暂唤醒以广播信息或连接到主机以进行双向通信 - 从而降低了这些设计的总体功率要求。 （由德州仪器提供）

在构建信标设备时，设计人员可以利用越来越丰富的集成解决方案，旨在满足功能要求，同时实现极低的功耗。 BLE系统级芯片（SoC）器件，如STMicroelectronics BLUENRG-MSCSP，Nordic Semiconductor NRF51822和Texas Instruments CC2541，将低功耗处理器内核与片上BLE无线电相结合，简化了信标设计。与此类别中的其他设备一样，这些BLE SoC中的每一个都提供节能无线电操作以及低功耗模式，在睡眠状态期间将功耗降至一或两微安。

环境功率

随着这些超低功耗BLE SoC的推出，工程师可以使用CR2032等小型电池设计能够运行数月的信标。然而，大规模微定位应用可能需要放置数十甚至数百个这些设备以提供高度准确的位置数据。因此，实现更长时间无需维护的操作的能力对于希望一次放置信标并且不担心下游维护和相关成本的组织来说是一个优势。

凭借其低功耗要求，信标是理想的候选者使用能量收集技术。实际上，由于信标通常放置在高度交通，光线充足的地方，工程师可以制造信标设备，这些信标设备只能从室内照明中获取的能量进行操作。对于这些应用，工程师可以通过将TI CC2541等超低功耗BLE SoC与TI BQ25505等专用能量采集电源管理IC（PMIC）相结合，构建高效的环境供电信标（图3）。

图3：由于功耗极低，德州仪器CC2541等BLE SoC可以通过专用能源管理的环境功率运行 - 收集TI BQ25505等IC。 （德州仪器公司提供）

BQ25505设计用于从仅提供微瓦能量的电源提取能量，可以管理能量收集电源管理的所有方面，包括能量传感器管理，能量存储管理和负载管理。为了从室内光源提取功率，BQ25505和此类设备中的其他设备通常提供最大点功率跟踪（MPPT）功能，旨在确保太阳能电池有效地从可用光线中提取最大功率。该器件可以在超级电容器或可充电电池中节省多余的能量，管理特定类型的能量存储设备所需的特定充电/放电曲线。在负载方面，该设备可以在环境光源和存储电源之间切换电源。

在许多信标应用中，超级电容器为可充电电池提供了有效的能量存储替代方案。与典型的可充电电池不同，超级电容器静电存储电荷。由于在电极和电解质之间发生很少或没有反应，超级电容器可以执行数十万次充电和放电循环。此外，虽然电池表现出很少或没有低于其工作电压阈值的容量，但超级电容器即使在较低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，这对于信标应用尤其重要。

为了控制电源和负载之间的连接，TI BQ25505 PMIC - 与此处的许多设备一样class - 包括用于操作外部FET负载开关的片上栅极驱动器，用于断开负载与能源的连接或在更复杂的设计中在不同电源中复用。对于图3中建议的特定信标设计，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。在正常操作中，BQ25505的VBAT_OK信号保持高电平，同时电池输出仍然高于可用电平。

提供反相VBAT_OK信号，VB_SEC_ON可用于驱动系统隔离FET的栅极。当来自超级电容器（在这种情况下）的电压低于阈值电压时，BQ25505关闭负载开关以断开BLE SoC，而不是让它在欠压条件下工作。除了添加合适的FET和相关的无源元件（包括简单天线）之外，能量采集BQ25505 PMIC和CC2541 BLE SoC的这种组合可以作为环境供电信标解决方案所需的完整硬件补充。

总而言之，

Beacon应用程序正在迅速成为物联网（IoT）中首批大规模部署之一。对于信标开发者而言，不断增长的市场需求转化为需要更快速地开发能够作为仅发送广播设备或能够发送和接收无线通信的外围设备操作的合适信标设计。虽然BLE SoC为信标设计提供了快速解决方案，但这些SoC与专用能量采集IC的结合提供了一种有效的方法，可以创建无需电池即可运行多年的免维护信标。