一种基于BLE蓝牙技术实现智能终端通信系统集成

柏海如，刘 伟

（上海闻泰电子技术有限公司，上海 200232）

0 引言

随着无线技术飞速发展，智能终端设备逐年更新换代，目前BLE蓝牙基本支持V5.1/2/3版本，高算力、低延时、低功耗的芯片应用于移动终端产品开发越来越普及。本文重点介绍基于目前消费者普遍应用的智能手机、智能手表、智能耳机等搭载BLE蓝牙芯片设计，基于BLE蓝牙技术实现互联方案。本文讲述的智能耳机是基于ATS 3019E蓝牙芯片设计的产品，可以与其他蓝牙设备进行配对连接；智能手表是基于W307+GR5515主控芯片平台，内置BLE蓝牙协议，并配备有eSIM卡及Modem，支持LTE通信、Wi-Fi（2.4 GHz 802.11b/g/n）、蓝牙（V2.1、BLE V4.2、GR5515-BLE V5.3）、2G/3G/4G，系统集成有PKE及NFC芯片；智能手机端是通用高通MTK SoC芯片（常规SoC芯片集成蓝牙芯片）；智能汽车端一般配备有IVI或智能座舱系统，常规系统均支持集成蓝牙芯片。基本应用场景包括以下方面。

（1）智能手表与智能汽车通信：①本系统支持智能手表通过BLE蓝牙及PKE加密芯片与车载PEPS（Passive Entry & PassiveStart）装置进行通信；②智能手表内置Modem及eSIM进行远程与车载PEPS装置通信；③智能手表内置NFC近场与智能汽车PEPS通信。

（2）智能手机与智能汽车通信：智能手机通过App及LTE网络与智能汽车通信。

（3）智能耳机与智能手机通信：智能耳机通过内置BLE蓝牙芯片与智能手机蓝牙通信。

（4）智能耳机与智能手表通信：智能耳机通过内置BLE蓝牙芯片与智能手表内置BLE蓝牙芯片通信。

（5）智能耳机与智能汽车通信：①智能耳机与智能汽车通过BLE蓝牙进行通信；②智能汽车与智能手机或智能手表进行BLE蓝牙连接后，通过系统支持的语音助手连接智能手机App或智能手表App，通过终端App对智能汽车进行通信。

本文重点讲解智能手表终端设计及与智能汽车终端通信。

图1 基于BLE蓝牙智能终端通信网络

1 系统硬件设计

1.1 智能手表终端硬件配置

⊙ Apollo4：平台性能高，驱屏效果更好。

⊙ 低功耗蓝牙（BLE）：V5.3。

⊙ Flash：4Gbytes eMMC。

⊙ RAM：1 Gbit/ROM、1 Gbit+4 Gbyte，大容量存储，支持音乐存储。

⊙ 传感器：A+G、地磁、气压计、心率血氧、环境光传感器，支持110种运动，智能体验更加。

⊙ 显示屏：1.43" 466×466高分辨，搭配W307帧率可达40～50 Fps，提升视觉交互体验。

⊙ 电池：420 mAh电池，大容量电池，更长的续航体验。

⊙ PKE模块：NCF2953。

⊙ 智能手机操作系统：支持i O S11及以上、Android 5.0及以上。

⊙ 智能手表操作系统：MOCOR RTOS系统，全智能模式，低功耗智能模式，智能助手、三方应用更好的快稳省用户体验；兼顾智能和长续航，满足不同用户需求；丰富的三方应用，功能更多。

1.2 智能手表终端硬件设计[1]

常规式布局，满足ID、结构、硬件、天线、声学、光学各领域要求。

图2 智能蓝牙手表终端硬件框图

A p ol lo 4芯片是A mbiq公司最新推出的蓝牙BLE芯片，具有512 KB Flash+（96 KB ROM）+64 K B SR A M，蓝牙协议栈固化，不再占用Fla sh空间。64 KB的SRAM分区使用，可以在待机时保存更多用户数据，可以设置大容量缓冲区，支持更加复杂的功能。符合SIG规范的Mesh自组网应用，包括多节点的控制，以及一主多从的同时工作。

Apollo4最大的优势是功耗降低。上一代产品蓝牙接收峰值电流＞13 mA；MCU的功耗0.3～0.5 mA/MHz；低功耗模式下平均电流＞40 μA。新产品的蓝牙接收峰值电流4.7 mA，MCU的功耗＜60 μA/MHz。低功耗模式下平均电流可降低到20～30 μA。BLE5的广播数据包更加灵活，最多可包含200 Byte数据，BLE4只有32 Byte。传输速率更快，BLE5可以达到20～30 KB/s，BLE4一般在4～5 KB/s。

1.3 智能手表终端天线及射频设计

图3 智能手表堆叠摆件

图4 智能手表BLE天线仿真

（1）主天线/GPS/BT/Wi-Fi按照兼容地脚和加开关设计。①智能手表调试天线的隔离度基本在-10 dB左右；②天线的效率满足预定指标要求，性能较高；③低频切换方案为并联开关，对GPS/BT天线影响较小。

（2）RSE/CSE解决方案。①射频电源走线，线宽参考芯片耗电规格，上下左右用地保护好，防止被其他信号干扰；②RF屏蔽罩内壁的高度，建议＞0.4 mm（现在是最少的地方0.1 mm，最高0.2 mm）；③同一个电源既给BB供电又给RF供电，或给不同类型的两个RFpin功能供电时必须走星型线；④RF独立屏蔽罩，其他干扰源器件做好充分接地。

（3）BT频段跟蓝牙频段接近会存在共存干扰问题，咨询平台没有优化此项共存干扰制止解决方案。①天线隔离度保证好；②调试匹配时考虑优化带外谐波；③通路上滤波器选型考虑好抑制度。

1.4 智能汽车终端硬件设计[2]

1.4.1 PEPS模块

PEPS为汽车终端无钥匙进入系统重要接收控制单元，内部的高频接收电路负责接收智能手表发送的RF高频信号，并传送至主芯片验证智能手表身份的合法性识别，内部集成的蓝牙模块接收智能手表相关传感器的信息根据预先定义的策略，通过CAN总线发送给相关整车模块去处理，包括开/关车门、开/关空调等。当用户携带智能手表钥匙靠近车辆时，通过操作车辆门把手上的按钮或传感器，PEPS模块检测到按钮或传感器信号后，会驱动车上相应的低频天线产生无线低频信号搜索智能手表PKE钥匙，智能手表PKE钥匙接收到车辆端低频信号后会反馈一个信号（RF/BT），PEPS对钥匙反馈的信号的合法性做验证，之后把命令发到BCM模块实现对整车的上锁和解锁。

1.4.2 智能手表PKE

智能手表硬件设计包括主控芯片、触控屏、PKE、App等，用户可以通过在触摸屏上操作Ap p对应的菜单，PEPS控制器收到智能手表传送RF射频信号命令后，对其进行解析、验证钥匙身份合法性，并将命令发送给BCM（车身控制单元）执行相应的车门解锁、落锁、开启后备箱、升降车窗、寻车等功能。

2 智能手表终端设计

2.1 BLE互联通信软件设计方案

系统互联主要流程如图5所示[3]。

图5 蓝牙互联通信软件流程

2.2 BLE协议栈架构

（1）基于GATT的应用规范（Application）：即时报警服务、FindMe规范、链路丢失服务、健康体温计规范、电池服务等。

（2）通用接入规范（Generic Access Profile，GAP）：蓝牙设备如何发现、建立连接及绑定远端蓝牙设备的通用程序。

（3）通用属性协议（Generic Attribute Protocol，GATT）：定义了服务的流程、格式及其所包含的特征，包含特征的发现、读取、写入、通知、指示。

（4）属性协议（Attribute Protocol，ATT）：用于发现、读取和写入对端设备上的属性的规范。

（5）安全管理协协议（Securit y Manager，SMP）：配对和密钥分发。

（6）链路控制和适配协议（Logical Link Control and Adaption Protocol，L2CAP）：数据分组交换。

（7）主机接口规范（Host controller Interface，HCI）：主机和控制器之间的接口。

（8）链路层（Link layer，MAC）：链路管理，执行基带协议和其他低级的链路程序。

（9）物理层（physical layer， RF&BandBand）：空中包的收发。

2.3 BLE接收数据

通过设置特征值的写回调函数来接收数据，有WRITE和WRITE_WITHOUT_RSP两种写方法（在特征值属性中进行设置），WRITE方法写入后server端会发送响应，而WRITE_WITHOUT_RSP方法则不会。

static ssize_t speed_write_cb(struct bt_conn*conn,const struct bt_gatt_attr *attr,

const void *buf, uint16_t len, uint16_t offset,

2.4 BLE发送数据

发送数据一般采用NOTIFY方式。

2.5 BLE连接管理

连接相关的回调函数都在conn_callbacks结构体中进行注册。

4 结束语

本系统通过设计、仿真、测试及应用数据分析，BLE蓝牙通信连接稳定性、射频信号、功耗指标、App应用、近场/远程通信等整个系统通信、交互、安全等各项功能指标符合设计要求，系统运行稳定可靠，操作方便易用、智能，消费者市场反馈良好，取得了较好的经济效益。■