智慧信標利用藍牙系統單晶片達到連網式機器學習洞察

現今的產品開發與支援週期進展迅速。嵌入式產品能偵測軟體與硬體故障，並提供使用者行為的洞察，為工程師提供維持設備運作及改進所需的資料。

但並非所有工業設備都已接線，能支援這些嵌入式產品的簡易連接。即使是專為物聯網 (IoT) 設計的產品，也可能會遇到連接性問題，例如電磁干擾 (EMI)、頻寬受限及遠距離纜線配置。

具有藍牙功能的系統單晶片 (SoC) 技術問世後，工程師就能同時享有順暢的連線能力，以及可支援板載機器學習 (ML) 的微處理器能力。對主動而非被動的設計與支援週期來說，將連線能力與智慧分析能力搭配在一起，可形成寶貴的工具。

智慧型資料收集可改變產品的開發與支援

要順利進行產品開發與支援，都需要使用資料。設計人員若不瞭解客戶如何使用產品，包括其仰賴的功能以及哪些功能顯得累贅或有錯誤，將難以達到產品迭代以達成用戶期望的升級。同樣地，無論是問題發生前或發生時，支援人員若不知道使用者行為、系統狀態、環境條件以及其他關鍵資料，就無法有效地排解問題。

具備現代化板載連線能力和分析功能的產品，能讓設計迭代與支援更有效率。嵌入式產品與智慧信標能夠偵測環境條件，如溫度、濕度與大氣壓力，並可感測多軸加速度、環境光及磁場。即時時脈 (RTC) 的時間戳記能讓資料與其他系統事件互相關聯，無論是使用板載分析，或透過藍牙廣播到雲端伺服器都可達成。

舉例而言，安裝在工業環境中線性運動系統上的智慧信標，可能會在濕度上升時偵測到振動增加。板載處理器隨後會向維修工程師發出警示，提醒需要額外潤滑。這種主動式故障排除可減少設備停機時間及維護成本。

產品設計人員可能也會利用記錄中的振動和環境資料來改進線性運動系統的未來版本。例如，可能會建議使用能在潮濕環境中維持更長效果的潤滑劑。也可能會重新設計潤滑系統，以便提供更好的保護，以免受到環境因素影響。

實作挑戰與解決方案

為了在物聯網環境中發揮增強型資料收集的效益，工程師必須達到最佳化的資料收集與分析。任何將資訊傳輸到雲端進行分析的過程都有固有的延遲，且會降低資料安全性。嵌入式系統與智慧信標可將 AI 與 ML 功能整合到裝置本身，藉此因應此問題。這些邊緣 AI 與 TinyML 系統含有縮減規模的軟體模型，能讓處理器依據接收到的實際資料進行智慧推論。

板載的 ML 功能可以很簡單，像是匹配振動資料、環境資料和全球時間戳記，也可以很複雜，像是依據資料趨勢預測維護需求。無論複雜或簡單，ML 模組皆能接收並處理即時資料，無需使用網路資源，因此可提供及時洞察且僅需有最低能耗。

不過，智慧信標與嵌入式系統最終仍需透過網路向其他裝置或伺服器傳達狀態。許多舊有系統是針對有線序列連接而設計，並採用像是 PROFIBUS、DeviceNet、CANOpen 及 Modbus RTU 等通訊協定。較現代的設備則仰賴低延遲的乙太網路架構協定，如 PROFINET、EtherCAT、EtherNet/IP 或 Ethernet POWERLINK。然而，無論是序列通訊還是乙太網路通訊，都需要透過纜線在廠區內傳輸數據和電力，且要面臨 EMI、長距離纜線傳輸造成的訊號衰減難題，而且設施更要進行必要的投資，以減少絆倒風險，並針對人工駕駛車或自駕車提供道路。

使用藍牙協定的短距無線射頻 (RF) 通訊能克服上述諸多挑戰。某些版本的藍牙，如低功耗藍牙 (BLE)，在設計上能以鈕扣型電池的電力廣播強勁訊號，最遠可達 150 公尺，因此無需電源線和數據線。

BLE 訊號能在 2.4 GHz 頻段運作，而此頻段也可支援部分行動通訊及 Wi-Fi 網路。雖然共用頻段可能會導致網路干擾和訊號完整性降低，但也是克服視線障礙 (例如牆壁和設備) 最可靠的頻段。為了克服視線遮蔽與干擾的問題，許多 BLE 系統可以組成網狀網路，利用網際網路協定第六版 (IPv6) 將 BLE 裝置互相連接，並連接到雲端 (圖 1)。藍牙熱點經過策略性佈點，亦可提升網狀網路內的訊號強度與完整性。

圖 1：智慧信標及其他裝置可以使用藍牙連接到最近的熱點，無需經過配對。熱點可以啟用藍牙網狀網路，或透過 Wi-Fi 連接到雲端服務。(圖片來源：Blecon LTD)

智慧信標結合分析與連網功能

藍牙功能的智慧信標，結合了資料收集、AI 與 ML 推論引擎以及網路連接能力，因此可提供產品運作、使用者行為及預測性維護的洞察，甚至可用於未針對嵌入式系統設計的設備。Blecon LTD 的 L02S-BCN 就是範例之一 (圖 2)。

圖 2：L02S-BCN 智慧信標具備 BLE 連線、多種感測選項、高能見度 LED 以及可現場更換的電池，並採用 IP67 等級外殼。(圖片來源：Blecon LTD)

L02S-BCN 智慧信標由 Nordic Semiconductor 的 nRF54L15 系列多重協定 SoC 驅動 (圖 3)。這些晶片結合了多重協定 2.4 GHz 無線電，可支援藍牙 5.4 版本、IEEE 802.15.3-2020 以及 2.4 GHz 協定，數據傳輸速率最高可達 4 Mbps，並搭載 128 MHz 的 Arm® Cortex®-M33 處理器，RAM 為 256 KB。具有 1.5 MB 的非揮發性記憶體，若無可用的網路連線，可用來儲存感測器讀數與分析資料。

圖 3：nRF54L15 系列多重協定 SoC 具有多功能無線電、PSA Level 3 安全性、128 MHz 處理器搭配 256 KB RAM，以及支援邊緣 AI 與 ML 的軟硬體週邊。(圖片來源：Nordic Semiconductor)

nRF54L15 晶片內建專為 IoT 系統設計的安全功能。具有 TrustZone 隔離、旁路攻擊防護及篡改偵測協定，因此通過平台安全架構 (PSA) 第三級認證。這些系統可確保從 L02S-BCN 信標傳輸的資料有效酬載經過加密，以確保傳輸安全，並且透過雙向通訊從雲端驗證網路節點的身份。

nRF54L15 晶片亦具備內建的週邊裝置，能讓 L02S-BCN 智慧信標收集、分析及分享來自 IoT 系統的資料。具有一個 14 位元類比數位轉換器 (ADC)，能將溫度、濕度、大氣壓力、加速度及光敏感測器的訊號轉換成數位資料，並具有一個全域 RTC 可針對每筆讀數產生時間戳記。具有五個序列介面，包括序列週邊介面 (SPI)、雙線介面 (TWI) 以及通用非同步收發器 (UART)，可用來連接處理與感測元件。

除了這些實體感測器選項之外，L02S-BCN 信標也可當作嵌入式裝置，使用預先整合的 Memfault 軟體，在開放式標準的精簡指令集運算第五版 (RISC-V) 輔助處理器上運作，以便偵測當機情況、軟體錯誤、電池狀態及使用者行為，並回報到雲端。Memfault 也負責空中 (OTA) 更新，因此無需召回已部署的裝置。

L02S-BCN 信標同時也可展示 Edge Impulse 邊緣 AI 平台如何在不使用網路資源的情況下提供 ML 結果。邊緣 AI 可消除延遲，並可讓 L02S-BCN 信標使用可現場更換的 1000 mAh CR2477 鈕扣電池進行運作。L02S-BCN 信標的尺寸為高 69.9 mm、寬 46.7 mm、深 18 mm，採用 IP67 等級外殼，可防塵並能承受在 1 公尺水深中浸泡長達 30 分鐘。此信標可透過雙面膠、螺絲或紮線帶固定在設備上。

結論

藍牙智慧信標能為工業及 IoT 應用帶來感測、連線以及邊緣 AI 與 ML 能力。智慧信標可採用 Nordic Semiconductor 的 nRF54L15 等 SoC 驅動，可支援資料收集、零延遲分析及 OTA 更新，因此能克服連線障礙，將業界部署的設備轉變成具備 ML 能力的嵌入式產品。