如何使用小型直接替代模組簡化低功耗藍牙連接

藍牙 (BT) 及其低功耗藍牙 (BLE) 增強技術已成為通訊的關鍵技術。能讓物聯網 (IoT) 裝置以無線連接並傳輸資料，包括文字、音訊、串流視訊等。

然而，完整藍牙節點的設計、實作、認證需要具備專業知識，包括對基帶類比和數位功能、韌體驅動的嵌入式處理，以及接收器低雜訊前端放大器和發射器功率放大器的射頻 (RF) 都有所瞭解。

這些功能也必須由有效的電源管理支援。此外，每個藍牙節點都必須滿足完整的目標效能項目，以及符合射頻干擾 (RFI) 和電磁干擾 (EMI) 的相關監管要求。這些強制規定可能會造成設計更複雜，並且減慢裝置部署。

本文概述低功耗藍牙及其對低功率物聯網裝置的適用性。接著，介紹 Ezurio 的就緒型低功耗藍牙模組，並展示如何有助於加速開發低功耗藍牙功能的物聯網節點。

從藍牙到低功耗藍牙

藍牙是一種開放式全球無線資料和語音傳輸標準，可在各種電子裝置之間進行低成本、短距離的無線連接。此技術在 2.4 GHz 工業、科學和醫療 (ISM) 頻帶運作，其應用包括音訊和文字影像的短距離傳輸、視訊串流、智慧型手機與耳塞式耳機配對，以及低功率物聯網連接。

Bluetooth 1.0 規範的傳輸距離為 10 m (針對 Class 2 裝置)，支援簡單的點對點網路，數據傳輸率為 732.2 kbits/s；首批產品於 2000 年推出。2.0 版 (2004 年) 和 3.0 版 (2009 年) 的改進在於分別將數據傳輸率提高到 3 Mbits/s 和 24 Mbits/s。

然而，原始藍牙鏈路的功率要求對許多目標應用而言還是太高。2010 年，開始採用 4.0 版 (BLE)，前代版本則非正式重新命名為 Bluetooth Classic (圖 1)。低功耗藍牙專為物聯網裝置量身打造，採用基於最佳化低頻寬協定堆疊的超低功率閒置模式，功耗降低約 90%。閒置模式可以讓物聯網感測器、定位信標、智慧家庭節點、醫療裝置、健身追蹤器使用一枚小小的鈕釦電池即可運作數年。

圖 1：Bluetooth Classic (1.0 至 3.0 版) 和低功耗藍牙 (4.0 至 6.0 版) 的簡單比較。(圖片來源：MOKOSmart)

藍牙的各版本都允許設計人員在距離、數據傳輸率、功率之間進行權衡取捨。低功耗藍牙的最新版本是 6.0 (2024)，在低功耗模式、延伸範圍下，支援 1 Mbits/s 至 2 Mbits/s 的最大數據傳輸率，以及點對點、星狀、廣播、網狀拓撲結構。

低功耗藍牙模組簡化導入設計

藍牙技術是一種用途廣泛且適用於短距離、低功率無線鏈路的技術，但其實作需要多種組件和技術的融合，包括處理器、記憶體、類比 RF 前端、RF 功率放大器、天線。此外，還有軟體驅動的資料鏈路協定和堆疊。針對這些不同元素的選擇和導入設計可能會具有挑戰。

Ezurio 在其 BL54L15 低功耗藍牙模組中整合必要元件 (圖 2)，簡化低功耗藍牙功能裝置的設計。這些模組的核心是 Nordic Semiconductor 的 nRF54L15 系統單晶片 (SoC)。

圖 2：BL54L15 系列低功耗藍牙模組包含完整、高度整合的解決方案，涵蓋無線應用成功所需的所有功能。(圖片來源：Ezurio)

這些模組的重要特點包括：

• 以 128 MHz Arm Cortex-M33 和 128 MHz RISC-V 輔助處理器為基礎的雙核心處理
• 大容量記憶體，涵蓋 1.5 Mbytes 的非揮發性記憶體 (NVM) 和 256 Kbytes 的隨機存取記憶體 (RAM)
• 強化的安全性

這些模組為低功耗藍牙和 802.15.4 提供安全可靠的支援。透過 Nordic 的 nRFConnect 軟體開發套件 (SDK)、Zephyr 即時作業系統 (RTOS)、Ezurio Canvas 軟體套裝，提供靈活的編程功能。Canvas 支援 MicroPython 腳本功能，簡化並加速應用開發。整體配置利用 nRF54L15 的所有硬體特性和功能。

這兩個 BL54L15 模組為 453-00001R (圖 3，左)，具有預先認證的印刷電路板 (PCB) 走線天線；以及 453-00044R (圖 3，右)，具有 MHF4 連接器，可支援外部天線。這兩個模組均採用 1.7 V_DC 至 3.5 V_DC 電源供電，並且各自納入一個緊湊的 14 mm × 10 mm × 1.6 mm 的封裝中。

圖 3：453-00001R (左) 具有預先認證的印刷電路板走線天線，而 453-00044R (右) 則附有 MHF4 連接器，可支援外接天線。(圖片來源：Ezurio)

此模組的多協定無線電可提供高達 7 dB (以 1 mW (dBm) 為參考) 的發射 (TX) 功率 (以 1 dB 為步長) 和 -94 dBm 的接收 (RX) 靈敏度，傳輸量為 1 Mbit/s。此硬體的設計和認證適用於 -40°C 至 +105°C 的工業溫度範圍。

這些模組還具有最先進的安全功能，支援安全啟動、安全韌體更新、安全儲存。其整合式防篡改感測器可偵測實體攻擊，而加密加速器則可抵禦旁路攻擊。此外，還符合所有相關的國際標準和監管要求，包括低功耗藍牙效能、RFI/EMI 發射和抗干擾能力。

納入天線

天線是 BL54L15 模組功能中非常重要的被動元件。有些設計人員出於效能、定位、封裝尺寸、成本方面的考量，偏好使用表面黏著天線，有些則喜歡使用印刷電路板走線天線。基於這些偏好，Ezurio 提供兩款 BL54L15 模組；不過設計人員在使用時需謹慎。

例如，453-00001R 整合式印刷電路板走線天線的效能會受主機印刷電路板拓撲結構的影響。必須將 453-00001R 放置在主機印刷電路板的邊緣，天線才能正確輻射 (圖 4)。此禁區約寬 5 mm、長 28.6 mm，在 453-00001R 模組下方的引刷電路板介電質 (無銅) 高度為 1.57 mm。

圖 4：453-00001R 模組的印刷電路板走線天線禁區 (紅色框線) 是達到最佳效能的關鍵。(圖片來源：Ezurio)

將這種整合式印刷電路板走線天線搭配塑膠和金屬外殼使用時，Ezurio 提出一些重要建議：

• 為避免嚴重折損天線調諧，金屬的最小安全距離為距頂部／底部 40 mm，距左側和右側 30 mm。
• 在任何方向靠近印刷電路板走線單極天線的金屬都會降低天線的效能。效能下降的程度完全取決於系統；設計人員需要使用其主機應用進行測試。
• 距離禁區 20 mm 以內的任何金屬都會開始明顯降低效能 (S11、增益、輻射效率)。
• 使用產品的模型或原型測試範圍，以評估外殼高度和材料 (金屬或塑膠) 以及主機印刷電路板接地的影響。

具有 MHF4 極細同軸連接器的 453-00044R BL54L15 模組，可以作為 453-00001R 的替代方案。合適的外部天線選項包括表面黏著 EMF2449A1-10MH4L (圖 5，左) (36 × 12 × 0.1 mm)，採用撓性印刷電路板，適用於彎曲、空間受限的外罩。另一種天線選擇是 EBL2400A1-10MH4L (圖 5，右) (44.45 mm × 12.7 mm × 0.81 mm)。這種天線在其諧振器結構中整合接地平面，因此無需額外的接地平面即可以高效率輻射。

圖 5：453-00044R 模組的可用天線選項包括 EMF2449A1-10MH4L 撓性電路板天線 (左) 和含整合式接地平面的 EBL2400A1-10MH4L 天線 (右)。(圖片來源：Ezurio)

除了低功耗藍牙連接外，BL54L15 系列還支援 Zigbee 和 NFC-A 標籤。

評估板件和軟體支援

Ezurio 提供兩種評估板，有助於加速完整的產品開發週期。分別為 453-00001-K1 (圖 6)，用於具有整合式印刷電路板走線天線的 453-00001R；以及 453-00044-K1，用於含表面黏著天線的 453-00044R。

圖 6：453-00001R 低功耗藍牙模組的 453-00001-K1 開發板。(圖片來源：Ezurio)

結論

低功耗藍牙已成為短距離、低功率連接的關鍵無線標準和協定。Ezurio 為設計人員提供緊湊型低功耗藍牙模組、評估板、軟體，以便快速且有效率地將低功耗藍牙整合到最終產品中。