工業設備HMI將給設計人員帶來巨大的挑戰。因為產品設計規格可能需要遵循標準的指導，設備可能會受到物理尺寸的限制，并且可能需要為較大的設備配備控制裝置。工業環境中使用的產品代表著至關重要的資本投資，這意味著即使它們堅固的本地接口受到各種壓力因素的影響，仍希望它們可以可靠地使用多年。安全也是另一個需要重點考慮的因素。在連接到其他設備（例如計算機）時，產品必須保持安全運行，這通常需要在所有外部端口上進行電氣隔離。

人機界面（HMI）隨處可見，并且近年來已成為大量應用聚焦的主題。在消費類產品通過創新的HMI設計帶來增強的連接性和更加身臨其境的用戶體驗之際，工業產品卻仍在繼續采用物理接口，這些物理接口通常依賴小型顯示器或簡單LED來實現HMI，并以簡單的機電開關或按鈕為主要交互方式。如果設備具有本地連接功能，通常使用電纜和物理連接器來實現物理接口。由此可見，通過改變工業產品的互連方式來改善用戶體驗具有巨大的發展潛力。在日益紛繁復雜的市場中，這為追求創新的供應商提供了打造差異化產品的機會。

但我們也應該看到，工業設備HMI將給設計人員帶來巨大的挑戰。因為產品設計規格可能需要遵循標準的指導，設備可能會受到物理尺寸的限制，并且可能需要為較大的設備配備控制裝置。工業環境中使用的產品代表著至關重要的資本投資，這意味著即使它們堅固的本地接口受到各種壓力因素的影響，仍希望它們可以可靠地使用多年。安全也是另一個需要重點考慮的因素。在連接到其他設備（例如計算機）時，產品必須保持安全運行，這通常需要在所有外部端口上進行電氣隔離。

諸如藍牙等由現代標準驅動的無線技術為設計人員提供了新工具，這些工具可以幫助他們改變工業設備的用戶體驗。此外，與傳統的有線連接解決方案相比，基于藍牙的人機界面可節省成本。

藍牙可提供出色的用戶體驗

通過將藍牙與工業設備一起使用，可以使終端用戶將任何支持藍牙的設備無線連接到其設備上，從而消除對特定類型連接器的物理依賴。當前，幾乎所有設備（包括智能手機、平板電腦和筆記本電腦）都支持藍牙，這清楚地表明了該技術的平臺無關性。這對終端客戶是極其有益的，因為他們可以不再局限于使用物理和電氣上兼容的定制設備，甚至存在競爭關系的操作系統和產品品牌都可以使用藍牙來實現彼此兼容。

隨著藍牙靈活性的提高，開發人員可以利用移動應用來自由地創建更多創新和直觀的圖形用戶界面，而無須再受設備尺寸或物理按鈕的限制。易于理解的用戶界面不僅可以提供更美觀的體驗，還可以減少與用戶有關的錯誤。不同于傳統設計中使用復雜的按鈕，直觀的屏幕可以更好地展現功能，并向用戶提供更清晰的指令。這樣，就可以減少培訓操作員學習使用新系統的時間，從而為終端客戶提供額外的收益。

當對設備和數據的訪問得以簡化時，就可以去開發新的數據驅動應用案例和功能。這包括減少重新配置設備的設置所需的時間，或者增加預測性維護（通過訪問和分析操作數據來實現）等功能。這些操作可以通過無線（OTA）方式完成，而不會影響正常操作。而且，通過引入云連接，可以直接從托管數據庫集中分發新設置來解決操作錯誤，而無需操作員在本地進行編程。

移除物理連接可節省成本

與傳統的人機界面相比，藍牙可大幅節省成本。在工業設備市場上，電氣隔離式串行端口是最常見的接口技術之一。與隔離式串行端口相比，系統級封裝（SiP）藍牙模塊的物料清單（BOM）成本最多可降低48％。如果該設備還有本地LCD顯示屏和開關、按鈕等機電組件，成本差異將變得更大。

降低的維護費用則可以進一步節省總體成本。使用藍牙時，用戶不用接觸任何機械組件。因此就不會有與這些組件相關的故障，從而減少了產品的退貨率。對于終端客戶而言，無線接口消除了因連接器損壞等事故而導致機械故障的可能性，從而避免了昂貴的維修費用。

轉向無線接口可提升未來的擴展性和安全性

工業設備的預期使用壽命為很多年，這大大超過了大多數消費產品的典型使用壽命。在工業設備使用期間，開發者不可避免地要開發新功能以滿足不斷發展的市場需求。但向工業設備添加新功能可能是一個繁瑣的過程，因為它們通常位于物理訪問受限的地方或者需要耗費大量努力和成本才能訪問的地方。然而通過使用OTA固件更新，無線技術提供了一種更為簡單的升級方法。對于終端客戶而言，設備升級為他們提供了持續利用自己初始投資的新方法，而設備制造商也可以去實現新的業務模式，專注于銷售可選的軟件功能，從而延長其產品的收益周期。

和所有軟件一樣，移動應用也需要維護，而與之相伴的是底層操作系統在不斷演進。在選擇藍牙供應商時，設備制造商應密切關注供應商對維護藍牙協議棧和移動應用庫所做出的承諾。在操作系統新的主要版本發布時，可以提供及時且經過測試的庫更新的供應商會更受歡迎。

工業系統日漸成為網絡攻擊的目標。此外，已經存在或正在計劃中的相關法規也越來越多。例如，最近的一項法規是美國加利福尼亞州的SB327，該法規為互聯網連接設備制定了規則。盡管藍牙本身包含安全功能（例如加密），但僅依靠標準本身提供的安全性是不夠的。設備制造商應確保自己的藍牙供應商具有強大的安全能力，并且其無線系統級芯片（SoC）和模塊應包括安全啟動（secure boot）等先進功能，以防止未簽名的固件在設備上執行。

云連接已成為工業物聯網的主流。通過將藍牙與現代移動操作系統相結合，安全的云連接變得比更新傳統的桌面應用要容易得多。此外，云應用使軟件更新交付更加集中化。隨著工業4.0浪潮席卷不同的垂直市場，對基于云的解決方案的需求預計將繼續增長。

減少機電組件的數量提高了可靠性

對于按鈕或顯示器，它們平均多長時間會出現故障？物理連接器可以無故障地承受多少次插拔？對具有物理用戶界面的設備，以上這些問題及其他許多問題都是設計人員所必須考慮的。與之相反，無線技術不受機械壓力的影響，同時去掉物理接口意味著在強化工業環境的設計時可以少考慮一個變量。

任何東西與設備進行物理連接都需要在設備外殼上開一個口。由于工業設備通常部署在多變且惡劣的環境中，因此我們必須保護此類開口免受灰塵、水濺及其他可能損壞設備或零件的因素的影響。而在使用藍牙連接之后，設備外殼可以完全密封。如果使用了LED指示器，則可以將它們放置在外殼內，通過半透明的屏障來觀察。

通過使用藍牙所實現的可靠性提高可以為設備制造商和最終用戶節省實際成本，其中包括：

設計可承受惡劣環境的外殼所花費的時間更少，從而縮短了產品上市時間。

機電組件的數量更少，與半導體器件相比，它們通常非常昂貴，因此從設計中移除這些昂貴的組件也可以提高毛利率。

最終用戶的總體擁有成本（TCO）更低，因為使用了藍牙的簡化式人機界面所需的維護更少。

眾所周知，在工業環境中，大量機器和設備會產生射頻（RF）噪聲，這對無線技術構成了挑戰。由于藍牙使用跳頻技術，因此它能更好地抵御來自各種來源的射頻干擾（RFI）。這是一項重要的考量因素，因為許多應用和技術都會使用2.4GHz ISM頻段。對一個或多個信道造成干擾將不會完全中斷通信。因此，藍牙適用于工業環境。

藍牙連接設計的注意事項

有多種方法可以為應用添加藍牙連接。如果開發者本身擁有藍牙設計專業知識，同時有嵌入式固件和移動開發團隊，以及通過RF認證流程進行設計所需的資源，那么把藍牙SoC解決方案設計到應用中對他們而言就是一種經濟高效的做法。

然而，對僅掌握少量無線產品設計專業知識的公司而言，預集成和預認證的無線模塊則是他們的理想解決方案。選擇具有預認證的RF和硬件的集成模塊，可使這些公司在為其設計添加無線技術時花費更少的時間。

選擇藍牙模塊的好處包括：

集成天線選擇，最大限度地減少了對RF專業知識的需求

預認證，避免了冗長而昂貴的RF認證工作

開箱即用的性能，可以滿足大多數需求

預編程模塊可提供諸多優勢

使用模塊添加藍牙連接仍需要開發者對藍牙協議有一定程度的熟悉，同時了解如何使用供應商的藍牙協議棧和相關API。在許多藍牙應用中，開發者還必須創建一個與藍牙連接協處理器（NCP）相連接的嵌入式主機。這個主機到NCP的通信鏈路通常會暴露NCP的低層控制，而且嵌入式主機必須投入大量的片上資源來維護緩沖區及監控NCP藍牙鏈路的狀態。為了滿足這些需求，工程師可能會傾向于選擇一種性能超過應用規格的嵌入式主機，這會使成本比應用實際所需的成本更高。性能超過應用規格的MCU可能還會產生更多的功耗。

然而，評估正確的解決方案本身確實存在諸多挑戰，因為開發者必須探索所有可能的應用場景，并評估每個應用場景可能會對功能產生何種影響。還有必要對盡可能多的應用場景進行測試，以查看應用功能是否能按預期運行，然后當出現故障或漏洞時對它們進行排除或修復。這可能會涉及跨主機和NCP開發環境進行復雜的調試。

幸運的是，選用預認證的模塊，可以進一步簡化藍牙設計。預認證模塊通過藍牙固件進行了預編程，可提供開箱即用的連接性。預編程模塊的好處包括：

可以訪問藍牙協議棧和預編程的嵌入式應用固件，無需進行固件開發

可以獲得生產級的測試基礎架構，用于測試模塊供應商已配置好的協議棧和固件

內置對固件更新和引導加載的支持，從而可以支持未來的安全更新、漏洞修復和穩健性提升

在嵌入式系統和移動電話之間建立連接

如前所述，使用藍牙的優勢包括可以訪問各種各樣潛在的用戶界面設計資源，特別是可以方便地使用平板電腦或其他形式的移動設備作為控制器。然而，移動應用程序的開發是一個專門的領域，因此，作為產品設計的一個要素，制造商通常需要為其雇用外部開發服務。懂得如何正確編寫可與iOS和Android平臺上的低層藍牙API相連接的應用程序代碼的開發人員相對較少，而提供這種專業技能的服務可能會非常昂貴。企業可能還需要為每個平臺聘請不同的專家，這會增加前期成本，并帶來耗時的項目設置難題。

使用模塊供應商開發和提供的無線接口庫開啟移動應用程序的開發，可以顯著降低移動應用程序開發的門檻。一個專為與選定的預編程模塊連接而設計的無線接口庫提供：

• 面向多種移動操作系統的核心藍牙API的抽象接口
• 專門用于優化嵌入式模塊接口控制的API
• 用于固件更新的云到模塊的路徑

Silicon Labs的Bluetooth Xpress產品結合了這些開發優化功能，可以提供簡化的嵌入式到手機的連接。

Bluetooth Xpress產品結合了固件、硬件和移動開發優化功能，其提供的低功耗藍牙5（Bluetooth Low Energy 5）模塊可以將應用從概念到原型所需的開發時間縮短到僅有一天。Bluetooth Xpress產品還包括用于移動應用開發的Xpress框架，該框架大幅減少了向移動應用程序添加藍牙連接所需的開發時間。

Silicon Labs Bluetooth Xpress模塊（BGX13P和BGX13S）的主要功能包括：

一款開箱即用、預編程、預認證的藍牙解決方案，支持藍牙5功能，包括2M PHY和長距離PHY

通過高層Gecko OS Xpress Command API設置和控制板載的無線協議棧

波特率、流控制、通用輸入輸出（GPIO）和藍牙性能參數均可針對應用的特定需求進行配置

一個I2C主接口，可實現低功耗藍牙無線到I2C的通信

輸入引腳監控，支持自動的數字邏輯轉換響應

只需要來自主處理器的少量資源，支持開發人員向任何MCU添加無線連接

同時提供PCB和SiP封裝

一站式設計支持

支持安全功能和固件更新

Bluetooth Xpress模塊在三種應用場景中的功能：

1. BGX13到智能手機——在這種應用場景中，BGX充當一個可被智能手機發現并連接的外圍設備。

2. BGX13到BGX13——在這種應用場景中，一個BGX充當可被發現和連接的外圍設備，另一個BGX充當控制端，執行掃描和連接。連接后，BGX13可以在數據流模式下工作，即在兩個點之間以無開銷數據流方式傳輸數據字節；也可以在命令模式下工作，這種模式下Bluetooth Xpress命令可以被遠程執行。

3.沒有嵌入式主機的BGX——這種應用場景是應用場景1和2的一種變化形式。在這種應用場景中，諸如輸入引腳監控、事件通知和藍牙至I2C橋接器等板載Bluetooth Xpress功能足以承擔嵌入式主處理器的所有職責。

在這些已定義的應用場景中，BGX的流控制信號可以指示緩沖區狀態，也可用于指示嵌入式主機是否能傳輸數據。

圖1：可以用多種方式來部署藍牙模塊，以滿足應用的特定需求

Bluetooth Xpress的配置和通信

系統通過運行時可配置的命令接口來控制Bluetooth Xpress的預編程功能，其默認設置保存在非易失性存儲器中。該接口可通過串行接口引腳來使用，也可通過藍牙接口以無線方式執行，它充當一個高層網絡協處理器。

在大多數操作狀態下，Bluetooth Xpress充當一個零開銷（zero-overhead）的藍牙到串口的數據流。例如，Bluetooth Xpress模塊可以通過改變端口引腳的狀態來向嵌入式主機發送信號，表明已建立連接。在連接點上，串行接口的RX和TX引腳充當雙向數據接口，其功能與有線串行鏈路相同。數據可以從主機寫入Bluetooth Xpress模塊的RX引腳，然后Bluetooth Xpress通過BLE鏈路逐字節傳輸該數據。在BLE鏈路的另一側，要么是智能手機接收數據并向移動應用程序提供緩沖區，要么是另一個Bluetooth Xpress模塊接收數據。這個接收數據的Bluetooth Xpress模塊之后會通過其TX引腳將數據發送出去，由遠程嵌入式主機接收。

在工業自動化的HMI中使用藍牙

許多工業自動化設備將串行協議用于本地的配置和診斷端口。該技術眾所周知，并被廣泛支持。盡管許多這樣的物理串行端口在現代筆記本電腦中已很少使用，但虛擬COM端口驅動程序允許使用USB來代替。現在，這種傳統架構為基于藍牙的人機界面替代性產品提供了沃土。

圖2展示了一個傳統的工業自動化設備，它使用串行接口來支持本地的配置和診斷端口。電纜接口會帶來諸多挑戰，這些挑戰會增加產品成本，同時降低便利性，并對整體用戶體驗產生負面影響。

為了確保用戶安全，電纜接口必須與該工業自動化設備的其余電路進行電氣隔離。另外，電纜接口需要一個芯片來提供RS-232驅動程序和實際的物理串行端口。這些以及所需的無源器件會增加設備的物料清單（BOM）成本，并且需要更多的PCB面積。

電纜接口可能還會帶來物理訪問挑戰。如果將設備安裝在難以觸及的位置，則可能無法將電纜連接到設備上。這意味著該設備只能發揮其部分功能和優勢。

圖2：使用帶有電氣隔離的串行端口進行產品設計的傳統方法

現在看看圖3中的示例，該示例展示了相同的工業設備，其使用了Silicon Labs BGX13 Bluetooth Xpress模塊，該模塊專為可輕松替代電纜的場景而設計。應用CPU可以繼續使用現有的UART接口，因為Bluetooth Xpress支持通過藍牙鏈路傳輸串行數據。這樣的設計下，設計人員無需事先掌握任何藍牙知識，因此可以大幅減少與藍牙集成相關的時間和風險。所有智能功能都內置于在模塊上運行的協議棧和應用固件中。Bluetooth Xpress還支持SPI接口，這使其更適合于此應用。

Bluetooth Xpress模塊具有不同的外形尺寸，其中最小的SiP封裝尺寸僅為6×6毫米，非常適合空間受限的應用。由于模塊還包括天線，因此設計人員在電路板上放置模塊時擁有更大的靈活性。

圖3：使用藍牙替代電纜的應用示例

重要的一點是，將藍牙用于人機界面不會取代或影響現場總線通信的用途。這種方法保持了對前代設備的向后兼容性，這是許多工業自動化設備客戶所重視的事情。

通過移除電氣隔離、串行接口驅動程序和物理連接器，可以簡化BOM，與電纜接口相關的產品成本可以降低多達48％。移除物理連接器還能避免給外殼開口以使用戶可以接觸連接器這一需求。如果連接器需要針對灰塵或潮濕等環境條件實施額外的保護，則可以實現更大的成本節省，因為使用基于藍牙的解決方案將不再需要這些保護措施。

這種架構允許用戶從一個位置無線連接多個設備，而無需對設備進行物理訪問，這可以提高功能安全性。這樣就可以更靈活地修改設備配置及下載存儲在設備中的診斷數據以進行分析和故障排除。默認情況下，藍牙還包括數據加密和散列算法，這可以為抵御網絡威脅增加另一層保護。

如上所述，Bluetooth Xpress產品附帶的移動應用框架可以大幅簡化藍牙的集成設計。通過抽象低層藍牙功能使其可通過API訪問，可以幫助設備制造商實現更快的產品上市時間，因為他們可以將高價值的開發工作用于為產品添加功能，而不是去學習藍牙在Android或iOS方面的特性。移動應用還支持云連接，這可以用于提供基于云的新產品。

結論

從本質上講，藍牙與硬件無關。現在，越來越多的設備支持藍牙連接，這意味著它是低層功能與高層控制和監視功能之間的有效抽象層。

藍牙在工業環境中有很多好處。作為可替代電纜的技術，它已經被證明是HMI應用設計中的一種可靠解決方案。使用Silicon Labs的Bluetooth Xpress這樣的模塊為設備添加藍牙連接功能可以節省大量可衡量的費用，而且不需要物理電纜接口要用到的那些昂貴組件，從而可以顯著降低成本。同時，使用移動應用程序可以提供更友好的用戶界面，通過將應用程序連接到云端還可以進一步擴展功能。

憑借在板層、鏈路層和移動應用層易于集成的現成API，Bluetooth Xpress產品組合成為了替代現有串行通信電纜接口的理想解決方案。使用預認證的模塊可以實現更快的產品上市時間，因為設備制造商不用再去擔心耗時的認證過程，而是可以專注于市場營銷工作以使他們的設備獲得成功。

編輯：hfy