CN111083648A - 一种极低成本BLE Beacon硬件架构及兼容广播包生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种极低成本BLE Beacon硬件架构及兼容广播包生成方法,该低成本硬件架构仅使用一款低功耗MCU及可以工作在2.4GHz，码率具有1Mbps的GFSK发射机，即可实现BLE Beacon功能。基于本发明的BLE Beacon由于删除了标准蓝牙芯片中的协议栈，减小了芯片的大容量存储器，降低了Beacon所需MCU的性能，因此可以大大降低BLE Beacon的成本。同时基于该低成本硬件架构，本发明还公开了一种基于通用GFSK发射机产生BLE兼容广播包的方法。通过利用MCU中的定时器，可以控制本发明的低成本Beacon产生与BLE标准兼容的广播时序。该方法可以确保低成本架构的BLE Beacon发送的广播包能够被标准的BLE设备扫描获取。最终使得本发明的BLE Beacon可以大规模应用于密集物联网应用。

Description

一种极低成本BLE Beacon硬件架构及兼容广播包生成方法
技术领域
本发明涉及有源RFID信标领域，具体来讲，是设计BLE的一种极低成本信标(Beacon)。
背景技术
物联网(IoT)已被应用于越来越多的领域，例如智能农业，工业自动化，智能城市，智能家居等。随着物联网技术的快速发展，它提高了效率，安全性和生活质量。物联网中使用的通信技术示例包括RFID，ZigBee，蓝牙，低功耗蓝牙(BLE)，LoRa，NB-IoT等。BLE逐渐成为物联网社区的主导者，因为它已发展成为一种节能高效的低数据速率技术。适用于功率受限的IoT应用，并由于蓝牙在消费类设备(如平板电脑和智能手机)中的普及，以及更低的功耗模式，更低的复杂度和更低的成本优势。BLE将成为未来IoT时代的重要技术之一。
蓝牙技术是一种无线数据传输和语音通信开放的全球规范，它是基于低成本的近距离无线连接技术，为固定和移动设备建立通信环境的一种特殊的近距离无线技术连接。之前许多用户通常只将其视为是活动设备密度低的短距离个人区域网采用的技术。但是，随着信息技术的高速发展，可以预见物联网(IoT)时代的到来，人们对蓝牙的愿景正在发生变化。因此蓝牙规范在其版本4.0中引入低功耗蓝牙(BLE)，BLE更低的功耗模式，更低的复杂度和更低的成本，是使其成为未来IoT时代的合适技术所必不可少的特性。
Beacon是低功耗蓝牙的重点应用之一，它可以随时随地进行信息、服务推送和数据收集，在室内定位、景点讲解、商场酒店医院等公共场所管理、可视化监管报警等场景下有广泛应用。随着Beacon设备技术和功耗的完善，提高了对于Beacon设备的管理效率。可以预见在未来物联网进一步发展的情况下，Beacon设备数量还将不断增加，因此对Beacon设备的成本考量也是很重要的因素。
目前的Beacon大都集成完整的BLE协议栈，但多数Beacon设备只用到广播态以广播消息，因此选用大容量存储器和高性能MCU的商用芯片组开发低功耗蓝牙Beacon时，会浪费资源和成本。
发明内容
本发明目的为了解决上述问题，提供一种极低成本BLE Beacon硬件架构及兼容广播包生成方法，其基于低功耗微处理器和GFSK发射机，并通过BLE兼容广播包生成方法与协议实现兼容，大大的降低了Beacon设备的成本，使其更加适合在大量密集场景下的应用。
为了达到上述目的，本发明提供的技术方案是；一种极低成本BLE Beacon硬件架构，其中硬件设计包括四个部分：
1.微控制器单元(MCU)：能够非易失性存储120Byte内容以上数据，
具有定时器，休眠功耗尽量低。
2.GFSK发射机：能够在2402MHz、2426MHz和2480MHz，以1Mbps GFSK
方式发送无线数据
3.Beacon天线可以采用PCB、陶瓷等
4.MCU和GFSK发射机的连接取决于GFSK发射机的通信方式，可以采用SPI或者IIC等。
但由于一般的GFSK发射机，无法满足BLE广播报格式要求，因此需要一种针对一般GFSK发射机的BLE兼容广播包生成方法，本发明提供的技术方案是：
首先根据BLE广播包格式，分别整理前导(Preamble)、接入地址(AccessAddress)、广播包头(Header)、设备地址(AdvA)和广播数据(AdvData)部分内容；
BLE广播包的前导固定为0xAA，占一个BYTE。前导的作用在于频率同步、符号同步、自动增益调节等。而在接收机钟，接入地址前面的数据将全部抛弃，因此如果通用接收机前导与BLE规范的前导不一致，只需要最有一个Byte为0XAA即可，其他多余前导不影响BLE标准扫描设备的接收；
BLE广播包的接入地址固定为0x8E89BED6，占4个Byte。在GFSK收发机中还起到同步字的功能。因此在通用GFSK发射机中的同步字配置成与BLE广播包接入地址相同的数据即可。
BLE广播的包头部分，又包括广播包类型、广播设备地址类型、接收设备地址类型、数据包长度。广播包类型、广播设备地址类型、接收设备地址类型根据蓝牙标准定义，组包生成。数据包长度为用户数指的是设备地址(AdvA)和广播数据(AdvData)的数据长度。
设备地址(AdvA)指的是广播设备的地址，占6个Byte。用户根据标准定义和应用自行生成。
广播数据(AdvData)指的是需要广播的数据，长度为0～31个Byte。用户根据应用自行生成。
第二步是根据上述生成的数据，进行CRC运算。BLE中的CRC占3个Byte。如果通用GFSK发射机的CRC计算与蓝牙标准中规定的不一致，那么需要根据BLE规范的多项式，自行对数据进行CRC计算，然后将计算后的CRC数据拼接至AdvData后。
第三步是根据上述生成和计算得到的CRC数据，进行白化运算。如果通用GFSK发射机不支持白化运算，或者白化运算的多项式与蓝牙标准不一致，那么需要自行根据蓝牙标准的白化多项式进行白化运算。
第四步是根据上述生成和运算后的数据，进行数据位反转操作。由于BLE中规范的发射数据顺序是是小印第安序，与通用的GFSK发射机顺序正好完全相反。因此如果此情况发生，需要将带发射的数据进行位反转，也就是地位数据先发送，高位数据后发送。
最后将比特位反转后的数据，通过MCU与前端通用GFSK互连线配置入发射机的数据FIFO中，等待广播发送。
根据蓝牙规范，广播数据发送整体需要满足休眠、唤醒发送、休眠的过程。两次唤醒发送的间隔叫广播间隔。
有益效果：
本发明提出的低成本Beacon兼容性广播流程的广播间隔，通过MCU中的Timer模块控制。用户可以根据实际应用确定广播间隔。唤醒发送阶段，首先是配置到37信道，然后从MCU获取广播数据，进行广播；然后立即配置到38信道，然后从MCU获取广播数据，进行广播；最后配置到39信道，然后从MCU获取广播数据，进行广播。同时本发明提出的低成本Beacon兼容性广播流程还支持关闭某一些信道或者信道随机化广播的方式，用户可以根据实际应用确定广播信道顺序。
附图说明
图1低成本Beacon结构框图；
图2BLE兼容空中广播包实例；
图3由不同位顺序引起的数据映射；
图4本发明BLE兼容广播包数据生成流程；
图5本发明BLE兼容广播发送时序；
图6本发明实施例电路板实物；
图7本发明实施例实测广播事件；
图8本发明实施例在37信道上实测广播包长度及发送功率。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
实施例1：
本实施例描述了一种面向BLE的低成本Beacon硬件设计和实现，本硬件基于STM8L051微处理器和XN297收发器，如图1所示，两者通过4线SPI连接。通过本发明的BLE广播包生成方法和兼容广播时序，使得微处理器控制的通用GFSK发射机能够产生BLE扫描设备能够接收的广播包。重点是通过空口包的重新设计与BLE协议实现兼容。
由于XN297为通用GFSK收发机，因此直接发送的数据包无法被BLE设备接收。图2为基于XN297数据包结构设计的BLE兼容广播包结构。图2详细标识了BLE广播包中规定各个字段在XN297的数据包结构所处的位置。XN297的前导码为3个字节，而BLE标准的前导码为一个字节，因此我们只截取3个字节中的1个字节作为前导码。并且XN297没有定义Header，因此我们在Payload中将前2个字节作为Header。由于XN297的CRC算法与BLE规定的不兼容，因此广播包中的CRC根据BLE规范而生成，并且一起填入XN297的Payload部分，同时为了节约数据包长度，因此直接关闭了XN297的CRC字段。同时由于XN297不支持白化，因此最终的发射内容需要经过标准中规范的白化多项式进行处理后，才能填入XN297进行发射。XN297的位顺序是大印第安序，而BLE的位顺序是小印第安序，它们是完全相反的。因此需要对映射方式进行重新设计，如图3所示。最后将面向通用GFSK发射机的兼容BLE广播包生成流程总结在图4中。利用MCU中的Timer，可以最终生成兼容的BLE广播时序，如图5所示，其中T_advEvent受Timer控制。
图6为本发明提出的低成本BLE Beacon电路板实物，它的外形非常小，只有34×22mm。该BLE信标使用两个IC：ST制造的低功耗MCU STM8L051F3和PANCHIP制造的2.4GHz收发器XN297。
本发明实施例实际测试的一个完整广播事件，如图7所示，该图完整记录了实施例从休眠唤醒，然后分别在37、38和39信道上发送兼容广播包，最后又进入休眠状态的过程。而在37信道上的射频测试结果如图8所示，其中包含了4次广播事件，而一个数据包所占的事件长度以及发射功率也在图8中测试记录。
上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种极低成本BLE Beacon的硬件架构，其特征在于：包括MCU、GFSK发射机以及Beacon天线；所述的MCU能够非易失性存储120Byte内容以上数据，具有定时器；所述的GFSK发射机能够在2402MHz、2426MHz和2480MHz，以1Mbps GFSK方式发送无线数据、所述的MCU与GFSK发射机连接。
2.根据权利要求1所述的一种极低成本BLE Beacon的硬件架构，其特征在于：所述的MCU与GFSK发射机连接采用SPI或者IIC连接。
3.根据权利要求1所述的一种极低成本BLE Beacon的硬件架构，其特征在于：所述的Beacon天线采用PCB或者陶瓷。
4.根据权利要求1所述的一种极低成本BLE Beacon的硬件架构，其特征在于：所述的GFSK发射机产生BLE兼容广播包的方法，包括以下步骤：
(a)首先根据BLE 广播包规范，生成所需要的前导、接入地址、广播包数据；
(b)根据BLE规范的CRC多项式，对PDU部分数据进行CRC计算；
(c)根据BLE规范对PDU和CRC部分数据进行白化运算；
(d)对数据进行比特反转运算，将带发射的数据进行位反转，即低位数据先发送，高位数据后发送；
(e)将比特位反转后的数据，通过MCU与前端通用GFSK互连线配置入发射机的数据FIFO中，等待广播发送。
5.根据权利要求4所述的一种极低成本BLE Beacon的硬件架构，其特征在于：所述的MCU的定时器周期性的从存储器中取出需要发送的数据，对前端的GFSK芯片，实现BLEBeacon广播包的兼容性广播。
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