低功耗蓝牙 (BLE) 解决方案回顾(2022 年更新)

在这篇更新的文章中,我们将回顾当前可用于在 2022 年将蓝牙整合到您的新产品中的微芯片和模块。

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蓝牙低功耗(BLE)绝对是新电子硬件产品最流行的技术之一。有充分的理由。

BLE 是一种极低功耗的无线技术,可以使用微型电池供电数年。更好的是,它实施起来也相对简单,而且非常实惠。

有两种方法可以将无线功能(例如 BLE)整合到新产品中:使用模块或使用片上系统 (SoC) 解决方案。

对于大多数产品,我强烈建议您从包含内置天线的模块开始(本文中的所有模块都包含天线)。

这主要是因为一个模块将为您节省数千美元的 FCC 认证费用并简化开发。

还要考虑到,无论何时添加自定义或外部天线的集成,都会为您的团队带来额外的工作和更大的潜在错误。

除非绝对需要定制解决方案,否则最好使用与您的确切模块配合使用的久经考验的天线解决方案。

之后,一旦您达到更高的制造量,您可以从模块解决方案迁移到芯片解决方案,从而降低产品的制造成本并增加您的利润率。

尽管如此,有几个 BLE 模块的价格如此之低,以至于切换到基于 SoC 的定制解决方案可能没有经济意义。

蓝牙 SoC 基本上只是一个带有嵌入式蓝牙无线电的微控制器。对于许多产品,该芯片还可以作为您产品的主微控制器。

但是,对于更复杂的产品,可以使用速度更快的微控制器作为您的主控制器,而蓝牙 SoC 则充当与主微控制器接口的外围设备。

虽然不是绝对必要的,但我强烈建议您使用蓝牙模块,该模块使用您最终可能在更高生产量中使用的相同 SoC。这样做将使转换更容易,需要更少的代码重写。

也许有些令人惊讶的是,许多蓝牙芯片制造商不提供基于其芯片的模块。所以在这些情况下,模块制造商将不同于芯片制造商.

带 BLE 的网状网络

直到 2017 年,BLE 通常是一种非常有限的通信方法,一次只允许一个设备与一个其他设备通信。任何将创建设备“网络”的 BLE 解决方案仍将依赖中央集线器来管理所有设备。

然而,在 2017 年,Bluetooth Mesh 被用作蓝牙 5 的一部分,以满足物联网领域不断增长的需求,在一个地方看到大量 BLE 设备非常普遍(想想一个拥有数十个 BLE 灯泡的智能家居)能力)。

因此,如果您想要具有强大网状网络功能的设备,请寻找蓝牙 5 设备。与 ZigBee 等竞争对手相比,蓝牙网站简要概述了蓝牙网状网络必须提供的功能。

一些显着的差异包括蓝牙网格是一个定义应用层一直到底层物理层的标准。这意味着 Mesh 不依赖任何其他标准来工作。

此外,虽然其他解决方案是基于路由的,但 Mesh 是完全分散的,并使用受控泛洪方法中继消息,其中一个蓝牙设备接收消息,然后将其传播到附近的所有其他设备。

每个设备依次发送消息,直到网状网络中的每个设备都收到消息。

对泛洪进行管理,使得消息不会返回到之前已经发送过相同消息的设备,从而防止所谓的广播风暴,其中设备不断接收和重新传输它们已经接收到的消息。

与路由相比,泛洪的主要好处是它使网络更具可扩展性。

蓝牙 Mesh 能够创建包含数百或数千个设备的网络,而不会显着影响性能。它还降低了单个模块的性能要求。

北欧半导体

芯片解决方案(北欧 nRF51822 / nRF52832)

Nordic Semiconductor是蓝牙 SoC 解决方案的领先制造商。他们的 nRF51822 和 nRF52832 芯片都很受欢迎。

nRF51822 和 nRF52832 之间的一个主要区别是核心微控制器。nRF51822 使用运行频率为 16 MHz 的 32 位 ARM Cortex-M0 微控制器。

而 nRF52832 使用更快、更先进的 32 位 ARM Cortex-M4F 微控制器,运行频率为 64 MHz。

事实上,nRF52832 拥有所有审查过的纯 BLE 解决方案中最快的微控制器。它甚至包括一个浮点单元 (FPU),这是 Cortex-M4F 中的“F”所表示的。

唯一具有更快处理器的解决方案是 Espressif ESP32,但这确实是一种不同的野兽,它消耗的电流大约是 nRF52832 的 16 倍。

因此,如果您的产品需要一个真正高性能的微控制器,但又必须保持低功耗,那么 nRF52832 可能是您的最佳选择。

此外,nRF52832 支持蓝牙 5,而所有其他解决方案仅支持蓝牙 4 规范。作为奖励,它还包括 NFC 功能。

nRF52832 包含更多的内存(闪存和 RAM),甚至比 nRF51822 消耗更少的功率。

nRF51822 的唯一优势是价格较低。然而,价格差异非常小,所以我一般推荐 nRF52832。

您最近可能看到的一个使用此模块的流行产品是 Apple Airtag,这是一家大型硬件公司的一个很好的认可,该设备在低功耗应用中表现出色。

nRF52832 以 3.68 美元的价格批量订购 1000 片。

鉴于它是 SoC,对于许多应用来说,这是一个极具吸引力的价格,尤其是对于大批量生产的蓝牙设备,因为您的设备固件和 BLE 可能由单个 IC 处理。

模块解决方案(Rigado BMD-200/300、Fanstel BT832)

正如我之前提到的,许多蓝牙 SoC 制造商不提供基于其芯片的模块。Nordic Semiconductor 就是如此。

但幸运的是,包括RigadoFanstel在内的许多公司都提供基于 Nordic 芯片的 BLE 模块。

Rigado BMD-200 基于 Nordic nRF51822,Rigado BMD-300 基于更强大的 nRF52832。

Rigado BMD-300 BLE模块

Rigado 还提供 BMD-350,它是 BMD-300 的超紧凑型变体,尺寸仅为 6.4mm x 8.65mm x 1.5mm。

Fanstel 提供多种 BLE 模块,成本几乎是大多数其他模块的一半。事实上,Fanstel 的 BLE 模块是我见过的成本最低的 BLE 模块(除了我稍后讨论的 Espressif ESP32 模块)。

例如,Rigado BMD-300 以 1000 件为单位的售价为 6.96 美元而 Fanstel BT832 的售价仅为 5.10 美元

Fanstel 基于 Nordic nRF52832 SoC 的 BLE 模块

Fanstel 还提供基于 Nordic nRF52810 芯片(nRF52822 的低内存版本)的 BT832A。BT832A 批量购买 1k 件时仅需 3.92 美元。

Fanstel 还提供基于 Nordic nRF52832 的各种其他远程 BLE 模块。这包括工作范围为 1,170 米的 BT832X。BT832X 以 1000 件为单位的售价为 12.57 美元。

Fanstel BC832 BLE 模块四分之一

BC832 是他们最小的模块,尺寸仅为 7.8 毫米 x 8.8 毫米 x 1.3 毫米,每千片售价为 6.46 美元。

最后,可用的最小 BLE 模块(带天线)是 Taiyo Yuden EYSHSNZWZ 模块,其尺寸仅为 3.25mm x 8.55mm x 0.9mm。它还基于 Nordic nRF52832 SoC。订购 100 片时售价 10.88 美元。

英飞凌科技(原赛普拉斯半导体)

芯片解决方案 (PSoC 4 BLE)

Infineon Technologies的 PSoC 4 BLE 芯片解决方案 基于运行频率为 48 MHz 的 ARM Cortex-M0 微控制器。

它包含高达 256 KB 的 FLASH 存储器和 32 KB 的 RAM 存储器。它在接收数据时消耗 18.7 mA 的电流,使该解决方案在所审查的 BLE 模块的功耗方面处于较高端。

英飞凌芯片集成了所有标准微控制器功能,包括 UART、I2C、SPI、I2S、定时器、一个 ADC 和两个 DAC。

Infineon PSoC 4 还提供多达 36 个可编程 GPIO 引脚,甚至还包括 4 个用于模拟功能的运算放大器。

模块解决方案(赛普拉斯 EZ-BLE)

英飞凌是同时生产BLE芯片解决方案和基于其芯片的模块解决方案的制造商之一。他们提供 EZ-BLE 模块,这是可用的低成本 BLE 模块之一。

EZ-BLE 模块的售价为 5.10 美元/1000 件。英飞凌 BLE 模块的尺寸小至 10 毫米 x 10 毫米 x 1.8 毫米,是经过审查的第三小的模块。

德州仪器

由于我在德州仪器 (TI) 担任了 10 多年的设计工程师,因此我非常喜欢 TI 产品已不是什么秘密。德州仪器不仅提供出色的产品,而且还为初创公司提供一些最好的技术支持。

芯片解决方案 (TI CC2650)

Texas Instruments CC2650不仅提供 BLE 功能,还支持 ZigBee 和 6LoWPAN 无线协议。

TI CC2650 基于 ARM Cortex-M3 架构微控制器,它比大多数其他 BLE 芯片中使用的 Cortex-M0 架构更快、更先进。

德州仪器还提供了一个非常受欢迎的基于 CC2650 的物联网 (IoT) 开发套件,称为 SensorTag。

德州仪器的 CC2650MODA BLE 模块

模组解决方案(CC2650MODA)

Texas Instruments 是提供基于其 BLE SoC 解决方案的模块的制造商之一。CC2650MODA 模块尺寸为 16.9 毫米 x 1 毫米,以 1.2k 为单位批量购买的价格为 11.53 美元。

对话半导体

Dialog Semiconductor并不像我之前讨论过的其他芯片制造商那样知名。但是,它们提供了可用的成本最低和功耗最低的 BLE 芯片之一。

芯片解决方案 (DA1458x)

DA1458x 基于运行频率为 16 MHz 的 32 位 ARM Cortex-M0。它有两种变体。DA14583 包含 128 KB 闪存,而成本较低的 DA14580 包含 32 KB 一次性可编程 (OTP) 内存。

在大多数情况下,我推荐使用具有可重写闪存的 DA14583 进行开发,然后使用具有 OTP 的低成本 DA14580 进行生产。此策略假定您的固件程序小于 32 KB。

Dialog BLE芯片的功耗比Nordic nRF52832低25%左右,不到nRF51822的一半。唯一功耗更低的 BLE 芯片是 Atmel 芯片,我将在稍后讨论。

模组方案(松下PAN1740)

不幸的是,Dialog 不生产任何使用其 BLE 芯片的模块。然而,松下 PAN1740 是一个可用的模块,它基于 Dialog DA1458x BLE SoC。

PAN1740 模块以 1000 片为单位的售价为 6.23 美元。它的尺寸仅为 9 毫米 x 9.5 毫米 x 1.8 毫米,是审查过的第二小的 BLE 模块。

Panasonic PAN1740 BLE 模块

高通

高通通常不被认为是初创公司的良好供应商。这是因为它们通常只向大公司供货。作为一家微不足道的初创公司,你不会得到高通的爱,这意味着没有支持,有时也没有零件。

芯片解决方案 (CSR101x)

然而,高通(前身为 CSR)确实提供了一种成本非常低、流行的 BLE 芯片,称为CSR101x。它基于运行频率仅为 16 MHz 的专有微控制器,并包含 128 KB 的 FLASH 存储器和 64 KB 的 RAM 存储器。

CSR101x 在接收或传输数据时消耗大约 20 mA 的电流,使其成为本次评测中最耗电的 BLE 芯片之一。

CSR101x BLE 芯片是第一个提供 BLE 网状网络的解决方案,使其成为任何需要网状网络功能的应用的非常受欢迎的选择。

模块解决方案(Microchip RN4020)

Microchip Semiconductor 制造了一种非常流行的 BLE 模块,称为RN4020,它基于 Qualcomm 的 CSR101x SoC。RN4020 是一款中等价位的 BLE 模块,已经上市很长时间了。

基于 CSR101x SoC 的 Microchip RN4020 BLE 模块

爱特梅尔

芯片解决方案 (Atmel BTLC1000)

如果低功耗对您的产品至关重要,那么 Atmel 的 BLE 芯片解决方案可能是您的最佳选择。

Atmel BTLC1000的功耗规格是我见过的所有 BLE 解决方案中最低的。它在传输过程中仅消耗 3.0mA,在接收数据时仅消耗 4.0mA,远低于其他芯片。

与我讨论过的许多其他 BLE 解决方案一样,BTLC1000 基于运行频率为 26 MHz 的 ARM Cortex-M0 微控制器。

Atmel 芯片的一个缺点是它不包含任何 FLASH 存储器,因此需要一个单独的 FLASH 存储器芯片,该芯片通过 SPI 接口与微控制器连接。

模块解决方案 (Atmel ATBTLC1000)

Atmel 提供了他们自己的基于 BTLC1000 BLE SoC 的模块,称为 ATBTLC1000。Atmel 模块的尺寸为 12.7 毫米 x 20 毫米,采用 ARM Cortex M0 处理器,最大时钟频率为 26MHz。

这以前是更昂贵的 BLE 模块之一,但现在非常实惠,1.08k 单位的批量成本为 2.39 美元。

乐鑫

芯片方案(ESP32)

中国制造商乐鑫的 ESP32 SoC不仅仅是蓝牙

低能耗芯片。它还包括蓝牙经典和 WiFi 无线电,以及模糊微处理器和微控制器之间界限的快速微控制器。

话虽如此,我在一篇关于 BLE 解决方案的综述文章中包含这个模块的主要原因是价格非常低。

事实上,即使 ESP32 包括 WiFi、Bluetooth Classic、Bluetooth Low-Energy 和 240 MHz 微控制器,它仍然比这里讨论的任何其他模块便宜。

ESP32 基于速度极快的双核 Tensilica LX6 微控制器。它实际上有两个可以单独控制的独立处理器内核。

时钟频率可在 80 MHz 至 240 MHz 范围内调节。因此,如果您不需要速度,而是需要最小化功耗,您可以以较低的 80 MHz 时钟速度运行它。

您甚至可以关闭处理器的电源,转而使用低功耗协处理器来监控各种外围设备的活动。

ESP32 包括高达 16 MB 的 FLASH 存储器和 520 KB 的 RAM 存储器。讨论的所有其他 BLE 模块仅包括 32 到 512 KB 的 FLASH 和 8 到 128 KB 的 RAM。其他模块使用运行频率仅为 16 至 64 MHz 的微控制器。

ESP32 包含所有常用的接口端口,例如 GPIO、UART、SPI 和 I2C。但它还包含用于串行音频的 I2S,并且包括 ADC 和 DAC。乐鑫确实为 ESP32 提供了丰富的功能。

那么有什么缺点呢?必须权衡所有这些额外的功能和功能。

权衡是使用 BLE 无线电时的功耗约为 100mA。这是其他 BLE 芯片消耗的电流的 10 倍以上。

模组解决方案 (ESP-WROOM-32)

基于 ESP32 SoC 的 Espressif 模块以 1k 为单位批量购买仅需 3.59 美元。当谈到最大的收益时,ESP-WROOM-32 模块确实是无与伦比的。

模块尺寸为 25.5 x 18 mm,因此它比其他 BLE 模块稍大。

唯一价格接近的其他 BLE 模块是 Fanstel BT832A 模块(基于 Nordic nRF52810),但该解决方案尚不可用。

BT832A 的性能也无法与 ESP-WROOM-32 相比,尽管 Espressif 模块的功耗比 BT832A 高约 15 倍。

乐鑫 ESP32 模块 (ESP-WROOM-32)

结论

那么哪种解决方案最好呢?好吧,这实际上取决于您的应用程序。

一般来说,如果低功耗是您产品最关键的规格,那么我通常会建议使用基于 Atmel、Dialog 或 Nordic 的解决方案。

如果处理器性能和功耗都至关重要,那么我会推荐 Nordic nRF52832 解决方案。

最小化成本是您的首要任务吗?如果是这样,那么我建议使用 Fanstel BT832A 或 Fanstel BH678C,或者如果您可以忍受高功耗,则使用 E​​spressif ESP32 解决方案。

安装模块的空间是否很小?然后我推荐太阳诱电 EYSHSNZWZ、Fanstel BC832 或 Rigado BMD-350。Panasonic PAN1740 和 Cypress EZ-BLE 模块也非常小。

如果需要网状网络,那么我会推荐其中一种 Nordic BLE 芯片解决方案,尤其是 nRF52832。高通的CSR101x芯片也支持mesh组网,不过我不太推荐,因为不支持。

最后,如果您正在寻找超快、高性能的处理器,那么没有什么能比得上 Espressif ESP32 解决方案。此外,这些芯片在业余爱好者/Arduino 领域非常受欢迎,因此您可以找到大量的在线支持和文档。

Arduino 支持是一个重要的考虑因素,也可用于此列表中的其他芯片,包括 nRF52832。

当芯片可以与 Arduino IDE 兼容时,由于 Arduino 代码和在线资源的简单性和普遍性,它可以潜在地减少初始原型设计和验证时间并增加代码可移植性。

请注意,尽管对于许多应用程序,您最终都希望从 Arduino IDE 过渡到编程,但这并不会使其成为入门和测试硬件的绝佳选择。

可能有一百种或更多不同的 BLE 解决方案可用,所以我绝不会在本文中介绍它们。我主要尝试专注于我个人使用经验或突破性能极限的那些。