[原创]一款超级低功耗的BLE远程同步振动传感器-双方的振动信息进行远程实时共享

芯片方案选型对比

** Nordic nRF52系列 vs TI CC2640系列 vs Dialog DA14580系列 **

nRF52832/nRF52840

• 优势：
  超低功耗（2.4GHz下接收电流5.4mA，发射电流5.3mA@0dBm），支持BLE 5.0，内置DSP指令加速振动信号处理。
  丰富外设（12位ADC、PWM输出驱动马达），Flash容量512KB/1MB，适合复杂逻辑。
• 劣势：成本略高。

TI CC2640R2F

• 优势：
  专为传感器设计（待机电流1μA），集成可编程传感器控制器。
• 劣势：BLE 4.2协议栈，内存受限（128KB Flash）。

Dialog DA14580

• 优势：
  最低功耗（峰值电流4.9mA），成本最低。
• 劣势：资源有限（128KB ROM，无内置DSP），需外置Flash。

推荐方案：
选用nRF52840，因其平衡功耗与性能，支持BLE长距离模式（Coded PHY），内置硬件加速适合实时信号处理。

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传感器端代码实现（C语言）

硬件初始化

#include "nrfx_saadc.h"
#include "nrfx_timer.h"
#include "nrf_pwm.h"

void hardware_init() {
    // ADC配置（振动传感器输入）
    nrfx_saadc_config_t adc_config = NRFX_SAADC_DEFAULT_CONFIG;
    nrfx_saadc_init(&adc_config, saadc_handler);
    nrf_saadc_channel_config_t channel_cfg = 
        NRFX_SAADC_DEFAULT_CHANNEL_CONFIG_SE(NRF_SAADC_INPUT_AIN1);
    nrfx_saadc_channel_init(0, &channel_cfg);

    // PWM配置（振动马达输出）
    nrf_pwm_config_t pwm_cfg = {
        .output_pins  = {NRF_GPIO_PIN_MAP(0, 12), NRF_PWM_PIN_NOT_CONNECTED},
        .irq_priority = 4,
        .base_clock   = NRF_PWM_CLK_1MHz,
        .count_mode   = NRF_PWM_MODE_UP,
        .top_value    = 1000,
        .load_mode    = NRF_PWM_LOAD_COMMON,
        .step_mode    = NRF_PWM_STEP_AUTO
    };
    nrf_pwm_init(NRF_PWM0, &pwm_cfg);
}

振动信号采集

#define SAMPLE_RATE 100 // Hz
static nrfx_timer_t timer = NRFX_TIMER_INSTANCE(1);

void vibration_sampling_start() {
    nrfx_timer_config_t timer_cfg = {
        .frequency = NRF_TIMER_FREQ_1MHz,
        .mode      = NRF_TIMER_MODE_TIMER,
        .bit_width = NRF_TIMER_BIT_WIDTH_32
    };
    nrfx_timer_init(&timer, &timer_cfg, timer_handler);
    nrfx_timer_extended_compare(&timer, NRF_TIMER_CC_CHANNEL0, 
                                (1000000/SAMPLE_RATE), NRF_TIMER_SHORT_COMPARE0_CLEAR_MASK, true);
    nrfx_timer_enable(&timer);
}

void saadc_handler(nrfx_saadc_evt_t const *p_event) {
    if (p_event->type == NRFX_SAADC_EVT_DONE) {
        int16_t raw_value = p_event->data.done.p_buffer[0];
        ble_send_vibration_data(raw_value); // BLE发送数据
    }
}

BLE数据传输

#include "ble_nus.h"

static ble_nus_t m_nus; // BLE Nordic UART Service

void ble_init() {
    ble_nus_init_t nus_init = {0};
    nus_init.data_handler = nus_data_handler;
    ble_nus_init(&m_nus, &nus_init);
}

void ble_send_vibration_data(int16_t data) {
    uint8_t buffer[2];
    buffer[0] = (data >> 8) & 0xFF;
    buffer[1] = data & 0xFF;
    ble_nus_data_send(&m_nus, buffer, 2, NULL);
}

void nus_data_handler(ble_nus_evt_t *p_evt) {
    if (p_evt->type == BLE_NUS_EVT_RX_DATA) {
        // 接收远程振动数据并驱动马达
        int16_t remote_data = (p_evt->params.rx_data.p_data[0] << 8) | p_evt->params.rx_data.p_data[1];
        nrf_pwm_sequence_t seq = {
            .values.p_common = &remote_data,
            .length = 1
        };
        nrf_pwm_simple_playback(NRF_PWM0, &seq, 1, NRF_PWM_FLAG_LOOP);
    }
}

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手机APP端实现（Android Kotlin）

BLE数据接收与MQTT上传

class BleManager(context: Context) {
    private val mqttClient = MqttClient(context, "tcp://mqtt.server.com:1883")

    private val nusCallback = object : BleManagerGattCallback() {
        override fun onCharacteristicChanged(device: BluetoothDevice, data: ByteArray) {
            val vibrationData = ByteBuffer.wrap(data).short
            mqttClient.publish("user/${device.address}/vibration", data)
        }
    }

    fun connectToDevice(device: BluetoothDevice) {
        connect(device).useAutoConnect(false).with(nusCallback).enqueue()
    }
}

MQTT数据接收与振动反馈

class MqttClient(context: Context, brokerUrl: String) : MqttAndroidClient(context, brokerUrl, "clientId") {
    init {
        setCallback(object : MqttCallback {
            override fun messageArrived(topic: String, message: MqttMessage) {
                if (topic.contains("/vibration")) {
                    val vibrator = context.getSystemService(Context.VIBRATOR_SERVICE) as Vibrator
                    vibrator.vibrate(VibrationEffect.createOneShot(message.payload.toShort().toLong(), 255))
                }
            }
        })
    }
}

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服务器端实现（Python）

MQTT消息路由

import paho.mqtt.client as mqtt
import json

def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    client.subscribe("user/+/vibration")

def on_message(client, userdata, msg):
    topic_parts = msg.topic.split('/')
    sender_id = topic_parts[1]
    receiver_id = get_pair_user(sender_id)  # 从数据库查询配对用户
    client.publish(f"user/{receiver_id}/vibration", msg.payload)

client = mqtt.Client()
client.on_connect = on_connect
client.on_message = on_message
client.connect("localhost", 1883)
client.loop_forever()

用户配对数据库（SQLite）

import sqlite3

def init_db():
    conn = sqlite3.connect('users.db')
    cursor = conn.cursor()
    cursor.execute('''CREATE TABLE IF NOT EXISTS users
                      (id TEXT PRIMARY KEY, name TEXT, paired_with TEXT)''')
    conn.commit()

def get_pair_user(user_id):
    conn = sqlite3.connect('users.db')
    cursor = conn.cursor()
    cursor.execute("SELECT paired_with FROM users WHERE id=?", (user_id,))
    return cursor.fetchone()[0]

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信号链时序说明

1. A点传感器

   • ADC采样频率100Hz，通过BLE通知手机APP（nRF52840广播间隔可配置为30ms）。
   • 手机APP收到数据后通过MQTT QoS1级别发布到服务器。

2. 服务器路由

   • 根据用户配对表将数据转发给B用户订阅的主题。

3. B点设备

   • 手机APP通过BLE连接将振动数据写入nRF52840的PWM模块，驱动马达。

功耗优化：

• nRF52840使用事件驱动架构，ADC和BLE仅在数据就绪时唤醒。
• 采用BLE连接参数协商（例如connInterval=100ms，slaveLatency=4）。