低功耗蓝牙SoC可延长电池供电IoT设备使用寿命至10年

根据蓝牙技术联盟（Bluetooth SIG）的最新2020蓝牙市场报告，到2024年蓝牙设备年出货量将达到62亿个，2019-22024期间的年复合增长率（CAGR）为8%。一个明显的趋势是，低功耗蓝牙（BLE）技术正在成为新的市场标准，支持BLE的蓝牙芯片和设备增长最快，增长率高达26％。从2020年到2024年，预期BLE单模设备累积出货量将达到75亿个。

若按蓝牙的应用类别划分，主要有音频流设备、数据传输、定位服务，以及MESH网络等。

● 音频流应用包括：语音通话、收听音频/音乐、视听设备、智能语音控制。2019-2024年增长率为7%，到2024年出货量将达15.4亿个。

● 数据传输应用包括：运动健身体征数据测量、医疗保健、输入和控制、物联网等。2019-2024年增长率为13%，到2024年出货量将达15亿个。

● 定位服务应用包括：物品标签、仓储货物管理、室内定位导航、访问控制等。2019-2024年增长率为32%，到2024年出货量将达5.38亿个。

● MESH网络包括：智慧家居、智能建筑和照明、工厂和医院监控系统等。2019-2024年增长率为26%，到2024年出货量将达8.92亿个。

其中增长最快的当数定位服务，2024年出货量将是2020年的4倍。由此可以看出，具有测向功能的电池供电蓝牙设备将成为未来5年的市场亮点，可以支持这些功能需求的蓝牙射频芯片将具有巨大的增长空间。

专注于物联网连接技术和应用方案的Silicon Labs（芯科科技）适时地开发出BG22系列SoC芯片，为物联网开发人员提供了优化的蓝牙连接解决方案，可以同时支持新的蓝牙5.2规范、蓝牙测向和蓝牙Mesh功能。

BG22系列芯片具有超低发射和接收电流（发射功率为0 dBm时3.6 mA；接收2.6 mA），采用了高性能和低功耗Arm Cortex-M33内核（工作电流27 µA / MHz；休眠电流1.2 µA），可将纽扣电池供电的设备使用寿命延长至十年。其目标应用包括蓝牙Mesh低功耗节点、智能门锁、个人医疗保健和健身等新兴物联网设备。尤其值得关注的是，该SoC的蓝牙到达角（AoA）和离开角（AoD）特性，以及1米以内的定位精度，可以大大提升资产跟踪标签、信标和室内导航等应用的性能和普及。

低功耗BLE EFR32BG22 SoC原理框图

与芯科科技的第一代BG13和第二定BG21蓝牙SoC系列相比，BG22的性能在很多地方都有提升。下图是三个系列芯片的参数对照表。

无论是数据传输还是定位服务应用，BG22芯片的平均电流都不超过4.0 μA。如果使用CR2032纽扣电池供电，其工作寿命可达到5年；若使用CR2354供电，工作寿命长达10年。

BG22可以支持如下低功耗蓝牙和网格软件：

● Bluetooth 5.2兼容的蓝牙协议栈，具有：

● Bluetooth 5.2 Dynamix TX功率调节

● Bluetooth 5.1测向

● Bluetooth 5.0标准特性

● Bluetooth 4.x特性

具有如下高级功能：

● 多连接和广播

● 并行实现广播、扫描和LE连接

● 优化的吞吐量和功耗

● 建立在通用EFR32软件平台之上

● GeckoBootloader

● 用于MCU外设和驱动的emLib

● 带有耗损均衡技术的NVM3键/值对数据存储

● RAIL无线电驱动器

完整的蓝牙网格配置文件，支持以下功能：

● 代理、中继和朋友节点

● 蓝牙网格低功耗节点（LPN）

● 低延迟通信，每跳低至10ms

● 大型网络，最多支持4096个节点

全面的网格模型应用层，具有以下功能：

● 开/关、调光和色温的照明模型

● 用于商业应用的占用照明

● 场景、传感器、通用和供应商模型

● 低功耗蓝牙支持包括：室内定位系统信标、资产跟踪定位、电话连接、能量收集照明开关等。

物联网开发人员如今面临的最严峻挑战之一是确保连接设备的安全，只运行真正的可信固件，BG22 SoC通过具有信任根（Root of Trust）和安全加载程序（Secure Loader）的安全启动（Secure Boot）功能来满足这一需求。此外，BG22 SoC还配置了先进的Secure Vault硬件/软件安全套件，并通过了Arm PSA 2级安全性认证，其安全特性包括：

● 硬件加速加密，比软件更快速、更节能、更安全

● 真随机数生成器（TRNG）

● 与NIST SP800-90和AIS-31兼容

● 通过信任根和安全加载程序（RTSL）进行安全启动

● 防止恶意软件注入和回滚

● 确保固件可靠执行和OTA更新

● 通过锁定/解锁（Lock/Unlock）进行安全调试

● 可通过认证访问增强故障分析（FA）

● 带有TrustZone的ARM Cortex M33内核

● 提供具有成本效益的硬件隔离

为满足开发人员的不同需求，芯科科技还推出了BGM220蓝牙模块，包括系统级封装（SiP）BGM220S和PCB模块BGM220P。BGM220S的尺寸仅为6x6 mm，是一种超紧凑、低成本、长电池寿命的SiP模块，内置高性能天线，简化了射频设计，为超小型产品增加了完整的蓝牙连接能力。而BGM220P是一款尺寸稍大的PCB模块，针对无线性能进行了优化，集成了DC-DC、XTAL和无源元件，并具有更好的链路预算，可覆盖更大范围。BGM220S和BGM220P属于首批支持蓝牙测向功能的蓝牙模块，同时可以支持单个纽扣电池实现长达10年的电池寿命。

下图是BG系列蓝牙模块的性能参数对比。

为简化开发人员的设计和缩短IoT产品开发周期，芯科科技还同步更新了Simplicity Studio 5，使其界面更加直观易用，具有直观的开箱即用体验，可以快速访问开发人员资源，并支持Linux，Mac和Windows。

Simplicity Studio 5提供的工具包括：

● 配置实用程序

● 编译器

● 错误与验证

● IDE和命令行支持

● 图形硬件配置器

● Energy Profiler –视觉能量分析

● 网络分析仪–数据包捕获和解码

Silicon Labs正通过新的Bluetooth Xpress BGX220预认证PCB和SiP模块来扩展其NCP产品系列，即将推出的BGX220 UART转低功耗蓝牙桥接模块有望加速安全的低功耗蓝牙连接产品市场。与BGM220一样，Bluetooth Xpress BGX220通过为客户提供经过认证的硬件平台来简化设计，该平台通过将协议栈转化为可与外部微控制器一起使用的简单API，来简化代码开发。