技術(shù)干貨－低功耗藍(lán)牙連接在電動工具領(lǐng)域的優(yōu)勢

本篇白皮書由Silicon Labs（亦稱“芯科科技”）系統(tǒng)工程師Kiruba Subramani和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)資深產(chǎn)品營銷經(jīng)理Paul Daigle共同撰寫，內(nèi)容概述了工業(yè)電動工具領(lǐng)域所常見的各種應(yīng)用案例，并重點介紹了集成無線模塊——特別是低功耗藍(lán)牙(Bluetooth LE)——所帶來的功能。此外，文中也重點介紹了該領(lǐng)域即將出現(xiàn)的一些機(jī)會，包括使用藍(lán)牙AoA/AoD和HADM技術(shù)進(jìn)行精確的電動工具追蹤，以及使用機(jī)器學(xué)習(xí)來進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)。點擊文末的閱讀原文按鈕或復(fù)制鏈接訪問Silicon Labs官網(wǎng)獲取完整內(nèi)容：https://www.silabs.com/whitepapers/the-benefits-of-bluetooth-le-connectivity-in-power-tools

前言

近年來，工業(yè)工具制造商已開始將無線連接納入其產(chǎn)品以啟用各種功能，包括電動工具追蹤、通過手機(jī)App進(jìn)行配置更新、用于防盜的地理圍欄、實時性能監(jiān)控和OTA升級。對于許多客戶來說，預(yù)防損失尤其重要，因為這不僅需要更換工具，而且還會因計劃外的停機(jī)而降低生產(chǎn)率。同樣，客戶也擔(dān)心假冒和篡改所帶來的安全問題。

通過使用基于藍(lán)牙接收信號強(qiáng)度指示(RSSI)、藍(lán)牙到達(dá)角/出發(fā)角(AoA/AoD)和即將推出的高精度距離測量(HADM)技術(shù)的定位服務(wù)，藍(lán)牙模塊有助于解決防丟問題。在這些測距解決方案的幫助下，客戶可以建立地理圍欄并在工具離開限定邊界時收到警報信息。

另一方面，可以通過選擇支持篡改檢測、固件簽名和安全引導(dǎo)的無線模塊來解決對安全性的擔(dān)憂。電動工具可靠性是該領(lǐng)域的另一個新興趨勢，客戶希望能夠根據(jù)用戶體驗層次和作業(yè)執(zhí)行的情況來定制工具配置。最后，客戶希望他們的工具能具備預(yù)測性維護(hù)功能以改善產(chǎn)品的生命周期和價值。

通過包含藍(lán)牙模塊和配套的手機(jī)app，制造商可以讓用戶通過手機(jī)app來配置工具設(shè)置，實現(xiàn)電動工具問責(zé)的功能。此外，從工具發(fā)送的定期診斷報告，以及在工具本身運行的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可以讓預(yù)測性維護(hù)更為便利。

應(yīng)用案例：電動工具+低功耗藍(lán)牙連接

根據(jù)功能和系統(tǒng)架構(gòu)，工業(yè)工具細(xì)分市場可大致分為三項應(yīng)用領(lǐng)域：

• 資產(chǎn)標(biāo)簽

• 改造現(xiàn)有工具

• 下一代集成設(shè)計

資產(chǎn)標(biāo)簽是三項應(yīng)用領(lǐng)域中最簡單的一個，它是將藍(lán)牙模塊與感興趣的工具進(jìn)行關(guān)聯(lián)。藍(lán)牙模塊傳輸有關(guān)工具的狀態(tài)更新信息，使其行蹤能夠被追蹤。第二項應(yīng)用是當(dāng)今大部分工業(yè)工具領(lǐng)域的代表用例，就是在現(xiàn)有的設(shè)備中添加無線連接功能。在這里，無線模塊是以網(wǎng)絡(luò)協(xié)處理器(NCP)模式運作，并支持工具和智能手機(jī)app之間的雙向通信來實現(xiàn)一系列的功能。我們稍后將在本文中討論這些應(yīng)用案例。最后，第三項用例揭示了這個細(xì)分市場的未來趨勢，其中的無線模塊將能夠處理應(yīng)用程序代碼的要求并實現(xiàn)無線連接。以下章節(jié)中將詳細(xì)介紹每一項用例。

資產(chǎn)標(biāo)簽

第一項應(yīng)用利用低功耗藍(lán)牙協(xié)議的廣播功能來實現(xiàn)工具追蹤功能。圖1顯示了這一應(yīng)用的系統(tǒng)框圖，特別是針對資產(chǎn)標(biāo)簽。在這一示例中，該設(shè)備由在片上系統(tǒng)(SoC)模式下運行的單一低功耗藍(lán)牙模塊所組成，其中應(yīng)用程序代碼和無線協(xié)議棧在主機(jī)處理器上執(zhí)行，然后該設(shè)備將定期傳輸信標(biāo)。該設(shè)備由一顆容量為235mAh的CR2032鈕扣電池供電。假設(shè)電池降額系數(shù)為20%(考慮到鈕扣電池的非最佳峰值電流處理能力以及自放電情況)和1s的傳輸間隔，則平均電流消耗為10μA的系統(tǒng)可達(dá)到兩年的電池壽命。通過增加傳輸間隔，進(jìn)而利用無線MCU的低睡眠電流，還可進(jìn)一步延長電池壽命。例如，如果將傳輸間隔增加到4s，電池壽命可超過5年。

圖1：資產(chǎn)標(biāo)簽框圖。

為了啟用追蹤功能，設(shè)備制造商提供了一款具有以下功能的智能手機(jī)app：

• 使用信標(biāo)和智能手機(jī)的GPS定位功能，定期更新標(biāo)簽最后所在的位置。

• 允許用戶記錄與標(biāo)簽相關(guān)工具的服務(wù)記錄。

• 顯示工具狀態(tài)，例如“可使用”、“使用中”、“當(dāng)前正在維修”和“遺失”等。

• 監(jiān)控鈕扣電池的電池壽命。

表1顯示了資產(chǎn)標(biāo)簽用例的示例規(guī)格。在該用例中，設(shè)備所支持的一般和最大發(fā)射功率分別為0dBm和+4dBm。雖然大多數(shù)設(shè)備使用制造商預(yù)先配置的固定傳輸間隔，但某些設(shè)備可以讓用戶從智能手機(jī)應(yīng)用程序設(shè)定傳輸間隔。

表1：用例1的典型規(guī)格。

利用低功耗藍(lán)牙連接改造現(xiàn)有工具

在第二個用例中，低功耗藍(lán)牙模塊以NCP模式運行，從而實現(xiàn)工業(yè)工具的無線連接。這種系統(tǒng)架構(gòu)在當(dāng)今大多數(shù)工業(yè)工具中很常見，因為制造商可輕松將無線模塊添加到他們的設(shè)計中，并通過UART或SPI接口將其與工具的主處理器連接，而無需重新設(shè)計整個工具電路。另一方面，專用主處理器的使用也適用于許多工具，在這些工具中獨立低功耗藍(lán)牙模塊無法滿足應(yīng)用程序代碼對RAM、閃存、通用輸入輸出(GPIO)和外設(shè)要求。

以下是無線模塊與智能手機(jī)app一起使用時，在該用例中啟用的一些功能：

• 特定作業(yè)要求的定制工具設(shè)置。例如，在支持低功耗藍(lán)牙的電鉆中，用戶可以選擇正在執(zhí)行的作業(yè)或正在處理的材料類型，而其app也會自動調(diào)整工具設(shè)置，例如作業(yè)開始、運行和完成階段的速度、啟動加速時間、防倒轉(zhuǎn)保護(hù)控制和其他功能?；蛘撸脩艨梢赃x擇所需的數(shù)值，并將它們保存為工具上的定制設(shè)置。

• 查看庫存并獲取有關(guān)工具性能和診斷信息的報告。用戶可以獲得有關(guān)其庫存的實時更新，例如工具使用數(shù)據(jù)、性能特征和問題，以便在需要時主動安排維護(hù)。

• 工具的軟件和固件更新。用戶可以從智能手機(jī)app安排/執(zhí)行無線(OTA)升級，以解決軟件錯誤、安全問題并添加功能。

• 用于地理圍欄和防盜的工業(yè)工具追蹤功能。用戶可以獲得有關(guān)工具最后所在位置的定期更新，類似于資產(chǎn)標(biāo)簽應(yīng)用。該功能可以讓用戶在工具離開界定的邊界(例如工作現(xiàn)場)時收到通知。如果需要，該app還可以提供鎖定工具的功能。

  
  

圖2顯示了第二個用例的系統(tǒng)框圖，例如支持低功耗藍(lán)牙的電鉆。低功耗藍(lán)牙模塊支持兩種電源選項：主工具電池和CR2032鈕扣電池。在有工具電池的情況下，無線模塊支持前述所有功能。然而，如果工具電池沒電或被移除，無線模塊則繼續(xù)由鈕扣電池供電，但在這種情況下，功能僅限用于追蹤工具的信標(biāo)。由于無線模塊在NCP模式下運行，因此無線協(xié)議棧在低功耗藍(lán)牙模塊上運行，而應(yīng)用程序代碼則在主機(jī)處理器上運行。軟件組件，例如Silicon Labs提供的BGAPI協(xié)議，可通過UART接口用于簡化應(yīng)用主機(jī)與低功耗藍(lán)牙NCP之間的通信。

圖2：低功耗藍(lán)牙(BLE)模塊在NCP模式下運行的電動工具框圖。

表2顯示了這一應(yīng)用的示例規(guī)格。工具中的低功耗藍(lán)牙模塊與智能手機(jī)app之間的連接參數(shù)會在工具注冊時分配。無線模塊的發(fā)射功率通常設(shè)置為0dBm，最大值為+8dBm。工具和app之間的連接間隔可以從100ms到4s不等，具體取決于目標(biāo)應(yīng)用。例如，如果無線連接主要用于更新工具配置和讀取診斷信息，4s的連接間隔就足夠了?；蛘?，為了讓用戶實時監(jiān)控工具的性能并執(zhí)行預(yù)測性維護(hù)，可能需要更短的連接間隔。智能手機(jī)app和工具上的應(yīng)用程序代碼可以進(jìn)行設(shè)計，使連接參數(shù)根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用動態(tài)變化，而無需用戶參與。最后，CR2032鈕扣鋰電池的電池壽命額定為1至2年，具體壽命取決于發(fā)射功率和間隔。

表2：第二項應(yīng)用的典型規(guī)格。

下一代集成設(shè)計

在第三項用例中，低功耗藍(lán)牙模塊在SoC模式下運行，而其中應(yīng)用程序代碼和無線協(xié)議?？稍谀K本身上執(zhí)行，使得工具的設(shè)計集成度更高，降低物料清單(BOM)成本，并延長某些產(chǎn)品和配置的電池壽命。隨著無線MCU取得大幅改善，增加更多的內(nèi)存、處理速度、模擬/數(shù)字外設(shè)和專用硬件塊以加速機(jī)器學(xué)習(xí)功能的運行，這種較新的工具設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)即將開始流行。

圖3顯示了該用例的框圖，特別是支持低功耗藍(lán)牙的工具電池，其示例規(guī)格如表3所示。在該實現(xiàn)中，無線MCU應(yīng)用程序代碼負(fù)責(zé)電池管理系統(tǒng)，并提供與智能手機(jī)app的藍(lán)牙連接。電池管理系統(tǒng)在鋰離子電池中至關(guān)重要，因為每個電池的充電容量會受到老化、制造工藝變化和溫度的影響。因此，電池管理系統(tǒng)需要使用外部電池監(jiān)控/均衡電路來監(jiān)控電池組中各個電池的溫度、電流、電壓和充電/放電特性。該電池均衡電路可以是有源或無源，用于優(yōu)化單個電池的充電和放電循環(huán)，從而延長電池組的使用壽命。以下是低功耗藍(lán)牙模塊與智能手機(jī)app搭配時所啟用的一些功能：

• 使用電壓、電流、溫度傳感器以及電池監(jiān)控/均衡電路來監(jiān)控電池特性

• 定期向用戶更新電池性能特征，例如剩余電池壽命、電池健康狀況和溫度

• 根據(jù)周期性的藍(lán)牙連接記錄，看到電池最新的位置和時間

• 在充電期間，提供有關(guān)電池充電狀態(tài)的更新(低電量、充電完成等)、電池是否在智能手機(jī)的連接范圍內(nèi)，以及過熱問題的警報

• 啟動電池上閃爍的LED，幫助用戶定位鄰近的電池

• 在電池遺失或超出智能手機(jī)連接范圍時，執(zhí)行鎖定或解鎖電池功能

• 執(zhí)行無線OTA更新以修復(fù)錯誤、提高安全性和固件升級

圖3：低功耗藍(lán)牙模塊在SoC模式下運行的工具框圖。

表3：應(yīng)用3的典型規(guī)格。

利用藍(lán)牙AoA/AoD和HADM追蹤電動工具

電動工具追蹤是用戶在建筑工地、工廠、倉庫或車庫環(huán)境中所面臨的常見問題之一。為了解決這一問題，制造商目前提供了一種測距解決方案，使用接收藍(lán)牙數(shù)據(jù)包的信號強(qiáng)度來估計設(shè)備所在的位置。在無線通信中，信號強(qiáng)度的降低理論上是發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備之間距離平方的函數(shù)。因此，通過利用接收到的信號強(qiáng)度值，并使用一些復(fù)雜的信號處理算法，可以估計兩個設(shè)備之間的距離。雖然該解決方案實施起來相對簡單，但其準(zhǔn)確性很大程度上取決于無線信道的條件。因此，該解決方案的實際精度通常限于半徑5到10m，其可能不足以滿足上述各種用例。為了解決這一問題，藍(lán)牙提供了兩種測向解決方案：到達(dá)角/出發(fā)角(AoA/AoD)和高精度距離測量(HADM)。

顧名思義，AoA技術(shù)估計接收RF信號的方向，使用接收器的天線陣列來提高測量精度。包含兩個或更多這樣的多天線接收器的系統(tǒng)，可以通過利用接收器的角度測量和所在位置來執(zhí)行三角測量，以準(zhǔn)確估計藍(lán)牙標(biāo)簽的位置，如圖4所示。

另一方面，HADM是藍(lán)牙中一種新的測距技術(shù)，它使用飛行時間或基于相位的測量來估計發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備之間的距離。因此，由三個或更多接收器所組成的系統(tǒng)，可以執(zhí)行如圖4所示的三邊測量，其中可以利用來自多個接收器的距離測量值來估計標(biāo)簽位置。與AoA需要在接收器所在地點使用天線陣列不同，HADM通常只需要單天線解決方案。然而，在出現(xiàn)重大信道障礙(例如多路徑和衰退)的情況下，多天線HADM解決方案可以顯著提高準(zhǔn)確性。為便于使用多個天線，藍(lán)牙規(guī)范在測量距離時，支持最多四個天線路徑，這可能須在發(fā)射器接收器節(jié)點上執(zhí)行1×4或2×2的天線配置。

圖4：三角測量和三邊測量技術(shù)。

使用AoA執(zhí)行工具追蹤，需要將天線陣列安裝在工廠或建筑工地的天花板上。這些陣列可以是現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施(例如接入點)的一部分，且目前能夠?qū)崟r追蹤多達(dá)500個工具。另一方面，一項簡單的、基于HADM單接收器的工具追蹤器，可以為用戶提供有關(guān)工具距離遠(yuǎn)近的信息，而無需提供太多有關(guān)方向性的信息。然而，通過結(jié)合AoA和HADM技術(shù)，用戶只需使用一個接收器即可確定工具的精確位置。例如，同時支持AoA和HADM的手持式工具追蹤器可以將AoA所提供的方位角和仰角與HADM所返回的距離參數(shù)相結(jié)合，以精確指示工具所在的方向以及深度場。這種方法可以讓工具追蹤解決方案達(dá)到亞米級的精度，從而顯著改善上述場景中的用戶體驗。

預(yù)測性維護(hù)

工具維護(hù)是工業(yè)工具領(lǐng)域的一個重要課題。大多數(shù)用戶目前都會安排定期維護(hù)或在遇到問題時進(jìn)行維護(hù)。為工具添加預(yù)測性維護(hù)功能，可以讓用戶根據(jù)使用特性安排維護(hù)，從而節(jié)省定期維護(hù)成本，同時確保工具在需要時得到維修。圖5顯示了兩種不同的預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)，可以將無線功能集成到工業(yè)工具中執(zhí)行。

圖5：工業(yè)工具領(lǐng)域的預(yù)測性維護(hù)。

在第一種基于云的架構(gòu)中，無線模塊用于通過網(wǎng)關(guān)定期將表征工具性能的各種傳感器數(shù)據(jù)上傳到云端。因此，用戶可依據(jù)傳感器數(shù)據(jù)執(zhí)行復(fù)雜的信號處理和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，預(yù)測下次何時進(jìn)行工具維護(hù)。雖然這種方法有利于研究工具的老化現(xiàn)象和相關(guān)性能下降的問題，但如需解決間歇性故障和日后可能出現(xiàn)的系統(tǒng)問題，則需要以更高的頻率傳輸工具數(shù)據(jù)，以至于對其電池壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。工具制造商可以通過增加電池容量來克服這一限制，但這會帶來更高的BOM成本和增加產(chǎn)品的尺寸。

圖5顯示的第二種基于邊緣運行的系統(tǒng)架構(gòu)可以解決這個問題，它可以在嵌入式MCU上實現(xiàn)邊緣智能，從而在傳輸間隔之間監(jiān)控工具的性能。嵌入式機(jī)器學(xué)習(xí)模型能夠加以訓(xùn)練，通過分析振動、聲學(xué)和溫度數(shù)據(jù)來檢測運行時發(fā)生的故障，并且可以在識別到任何異常的測量數(shù)據(jù)時發(fā)送警報消息。該模型也可加以訓(xùn)練用來檢測數(shù)據(jù)中的特定模式以識別目標(biāo)故障，或者可根據(jù)理想的工具性能特征進(jìn)行建模，以檢測性能中的任何偏差。由于該模型是在嵌入式平臺上執(zhí)行，因此與基于云的分析相比，其性能預(yù)計會受到限制。

然而，由于此架構(gòu)旨在降低數(shù)據(jù)傳輸頻率以延長電池壽命，因此所采用擴(kuò)展模型的預(yù)測精度只須大于95%就可滿足上述用例。此外，最近在嵌入式硬件方面的演進(jìn)可以加速機(jī)器學(xué)習(xí)操作，加上為此類操作提供的所需軟件和工具支持，使制造商更容易將此功能集成到他們的產(chǎn)品中。

總結(jié)

總而言之，為傳統(tǒng)工業(yè)電動工具增加無線功能有以下幾項優(yōu)勢：基于作業(yè)要求的靈活工具配置、高度精確的工具追蹤、實時性能監(jiān)控、無線OTA升級軟件和固件等等。為此，Silicon Labs提供了種類多元的產(chǎn)品，以高性價比實現(xiàn)此類型的解決方案。我們的產(chǎn)品包括具備集成天線的預(yù)認(rèn)證SiP或PCB模塊，以減少開發(fā)時間和成本。與當(dāng)今市場上的其他產(chǎn)品相比，我們的無線MCU具有最低的運行電流和睡眠電流，可以顯著提高工業(yè)工具的電池壽命。

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