智能信标利用蓝牙片上系统可实现联网机器学习洞察力

如今的产品开发和支持周期运转迅速。嵌入式产品可检测软件和硬件故障并洞察用户行为，从而为工程师提供所需的数据，确保设备正常运行且不断改进。

但并非所有的工业设备都能轻松连接，以支持这些嵌入式产品。即使是专为物联网 (IoT) 设计的产品，也会遇到电磁干扰 (EMI)、带宽限制和电缆过长等连接问题。

支持蓝牙的片上系统 (SoC) 技术的出现，能够让工程师获得无缝的连接能力与微处理器的强大性能，从而实现板载机器学习 (ML) 支持。将连接能力与智能分析相结合，在从被动响应转向主动前瞻的设计与支持周期中，这是一个重要的工具。

智能数据收集改变了产品开发和支持

成功的产品开发和支持需要使用数据。设计人员如果不了解客户是如何使用产品的，包括他们依赖哪些功能，哪些功能繁琐或存在漏洞，就很难将产品迭代升级到用户想要的水平。同样，如果不了解用户行为、系统状态、环境条件以及问题发生前或发生时的其他关键数据，支持人员就无法充分排除故障。

具有现代板载连接能力和分析功能的产品可以使设计迭代和支持更加有效。嵌入式产品和智能信标可以检测温度、湿度和气压等环境条件，还能感应多轴加速度、环境光和磁场。通过实时时钟 (RTC) 的时间戳，在使用板载分析功能时，或通过蓝牙向云服务器广播时，可将数据与其他系统事件相关联。

例如，连接到工业环境中线性运动系统的智能信标可能会检测到湿度升高时振动加剧。然后，板载处理器可以向维护工程师发出警报，提醒他们需要额外的润滑。这种积极主动的故障诊断可减少设备停机时间和维护成本。

产品设计人员还可以利用记录的振动和环境数据来改进线性运动系统的未来版本。例如，他们可能会推荐一种在潮湿条件下使用时间更长的不同润滑剂。他们还可能重新设计润滑系统，以更好地保护其免受外界影响。

实现挑战和解决方案

为了在物联网环境中实现增强数据收集的优势，工程师必须优化数据收集和分析。将任何信息传输到云端进行分析都会产生固有的延迟，并降低数据安全性。嵌入式系统和智能信标通过将 AI 和 ML 功能集成到设备本身来解决这一问题。这些边缘 AI 和 TinyML 系统包含按比例缩小的软件模型，可让处理器根据接收到的真实世界数据进行智能推断。

板载 ML 功能可以简单到匹配振动数据、环境数据和全球时间戳，也可以复杂到根据数据趋势预测维护需求。无论复杂还是简单，ML 模块都能在不占用网络资源的情况下接收和处理实时数据，从而及时洞察各种变化，并将能耗降至最低。

不过，智能信标和嵌入式系统最终还是需要通过网络与其他设备或服务器进行状态通信。许多传统系统设计通过 PROFIBUS、DeviceNet、CANOpen 和 Modbus RTU 等协议进行有线串行连接。更多的现代设备依赖于低延迟的以太网协议，如 PROFINET、EtherCAT、EtherNet/IP 或以太网 POWERLINK。然而，串行和以太网通信都需要在工厂车间内铺设数据和电源电缆，随之而来的挑战包括电磁干扰、长电缆传输过程中的信号衰减，以及为减轻绊倒危险和为驾驶或自动驾驶车辆提供通道所需的设施投资。

使用蓝牙协议的短程射频 (RF) 通信克服了上述许多挑战。某些版本蓝牙，如低功耗蓝牙 (BLE)，可利用纽扣电池的电能在 150 米范围内发射强信号，因此无需电源线和数据线。

BLE 信号在 2.4 GHz 频段上运行，该频段也支持一些蜂窝网络和 Wi-Fi 网络。虽然共享频段可能导致网络干扰和信号完整性降低，但它也是克服视线障碍（如墙壁和设备）的最可靠频段。为了克服视距和干扰问题，许多 BLE 系统都可以采用网状网络，利用第 6 版互联网协议 (IPv6) 将 BLE 设备相互连接并连接到云（图 1）。有策略地放置蓝牙热点还能增强网状网络内的信号强度和完整性。

图 1：智能信标和其他设备可以使用蓝牙连接到最近的热点，而无需配对。热点可启用蓝牙网状网络，或通过 Wi-Fi 连接到云服务。（图片来源： Blecon LTD）

智能信标将分析和连网功能结合在一起

蓝牙智能信标将数据收集、AI 和 ML 推理引擎以及网络连接结合在一起，可提供产品运行、用户行为和预测性维护方面的洞察力，即使在非嵌入式系统设计的设备上也可实现这些能力。其中一个例子是 Blecon LTD 生产的 L02S-BCN（图 2）。

图 2：L02S-BCN 智能信标具有 BLE 连接、多种传感选择、高可见性 LED 和可现场更换的电池，防护等级为 IP67。（图片来源：Blecon LTD）

L02S-BCN 智能信标由 Nordic Semiconductor 的 nRF54L15 系列多协议 SoC（图 3）驱动。这些芯片将支持蓝牙 5.4、IEEE 802.15.3-2020 和 2.4 GHz 协议的多协议 2.4 GHz 无线电与运行在 265 KB RAM 上的 128 MHz Arm® Cortex®-M33 处理器结合在一起，数据传输速度高达 4 Mbps。1.5 MB 非易失性存储器可在无法连接网络的情况下存储传感器读数和分析结果。

图 3：nRF54L15 系列多协议 SoC 具有多功能无线电、PSA 3 级安全性、带 256 KB RAM 的 128 MHz 处理器以及支持边缘 AI 和 ML 的硬件和软件外设。（图片来源：Nordic Semiconductor）

nRF54L15 芯片内置专为物联网系统设计的安全功能。TrustZone 隔离、侧信道保护和篡改检测协议使之通过了平台安全架构 (PSA) 3 级认证。这些系统可确保对从 L02S-BCN 信标传输出的数据有效载荷进行加密，以实现安全传输，并通过双向通信从云端验证网络节点的身份。

nRF54L15 芯片还有内置外设，使 L02S-BCN 智能信标能够收集、分析和共享来自物联网系统的数据。14 位模数转换器 (ADC) 可将温度、湿度、气压、加速度和光敏传感器的信号转换为数字数据，而全局 RTC 则为每个读数创建时间戳。五个串行接口（包括串行外设接口 (SPI)、双线接口 (TWI) 和通用异步接收器/发送器 (UART)）连接处理和传感元件。

除了这些物理传感器选件外，L02S-BCN 信标还可用作嵌入式设备，在开放标准精简指令集计算第五版 (RISC-V) 协处理器上使用预集成的 Memfault 软件，以检测并向云报告崩溃、软件故障、电池状态和用户行为。Memfault 还能管理无线 (OTA) 更新，因此无需召回已部署的设备。

L02S-BCN 信标还展示了边缘 AI 平台 Edge Impulse 的使用情况，它可以在不使用网络资源的情况下提供 ML。边缘 AI 消除了延迟，使 L02S-BCN 信标能够使用可在现场更换的 1000 mAh CR2477 纽扣电池。高 69.9 mm 、宽 46.7 mm 、厚 18 mm 的 L02S-BCN 信标外壳达到 IP67 防护等级，防尘防水，并可在 1 米深的水中浸泡长达 30 分钟。这些信标可使用双面胶、螺丝或束线带安装到设备上。

结语

蓝牙智能信标为工业和物联网应用带来了传感、连接以及边缘 AI 和 ML。同时有像 Nordic Semiconductor 的 nRF54L15 这样的 SoC 提供数据收集、零延迟分析和 OTA 更新支持，诸如 Blecon L02S-BCN 这样的智能信标就能克服连接障碍，将已部署的工业设备转变为具有 ML 功能的嵌入式产品。