(SKU:DFR0492)FireBeetle Board-328P with BLE4.1

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概述

DFRobot FireBeetle萤火虫系列是专为物联网设计开发的低功耗控制器系列,此款FireBeetle低功耗蓝牙控制器集成蓝牙4.1 (Bluetooth Low Energy 4.1)技术和Arduino控制器于一身,在功能上类似于上一代的Bluno系列,但是功耗更低。
FireBeetle BLE 4.1向下兼容Bluno系列 (BLE 4.0) 产品线,使用更稳定的DIALOG蓝牙4.1芯片,在产品性能上优于Bluno,支持最大传输速率4Kbyte/s,支持低功耗(25uA POWER DOWN),可以直接将该产品应用于可穿戴、智能玩具等低功耗设备中。
FireBeetle BLE 4.1主板支持多个蓝牙设备级联,并兼容Bluno的使用方式,支持接近配对(KISS连接),按住主机的BOOT按钮并靠近要连接的Peripheral设备,就可以连接。

特性

  • 支持Arduino IDE编程
  • 支持BLE 4.1主从机切换
  • 支持蓝牙串口数据透传
  • 支持蓝牙点对点无线编程
  • 支持蓝牙4.1多设备级联(最多4个)
  • 支持Arduino蓝牙库(支持多蓝牙连接使用)
  • 支持低功耗蓝牙(待机25uA;中断70uA)
  • 蓝牙进入低功耗后(AT指令),在没有任何操作的情况下,10s后进入低功耗
  • 双中断唤醒:
  • * BLE4.1通过D2唤醒Atmage328P(高电平唤醒)
  • * Atmage328P通过D3唤醒BLE4.1(低电平唤醒)
  • 支持接近式配对方法(KISS连接)
  • 支持蓝牙固件更新
  • 支持USB充电
  • 锂电池供电
  • LED状态指示灯

技术规格

  • 处理器:ATMEGA328P
  • Bootloader:Arduino Pro or Pro Mini,ATmega328(3.3V , 8MHz)
  • 工作电压:3.3V
  • VCC输入/输出电压范围:3.7V~5.5V
  • 锂电池电压:3.7 V锂电池
  • 支持最大无线传输速率4Kbyte/s(多个设备连接时速度会相对慢一些)
  • 支持低功耗:25uA(POWER DOWN);70uA(使能相关外部中断)
  • 支持最大放电电流:600mA(LDO-3.3V电源输出)
  • 支持最大充电电流:400mA
  • 数字IO口:14
  • 模拟IO输入:6
  • SPI接口:1
  • I2C接口:1
  • UART接口:1
  • LED_BUILTIN:D13
  • 接口方式:2.54mm间距(排针/排母),默认不焊接
  • 模块尺寸:58 × 29(mm)


PinOut

Fig2: FireBeetle Board-328P with BLE4.1 PinOUT

指示灯说明

  • RX:串口数据接收指示灯,当接收到串口数据时,RX亮
  • TX:串口数据发送指示灯,发送串口数据时,TX灯亮
  • CHG:电池充电指示灯,在没有接锂电池时,CHG闪烁;充电状态下,CHG灯常亮;充电完毕,CHG常灭
  • LINK:蓝牙连接指示灯,当蓝牙连接到设备后,连接成功后常亮3s,后每3s闪烁一次,断开连接后常灭

按键说明

  • BOOT:蓝牙固件更新;接近连接使能开关;
    • 更新固件:按下BOOT,然后上电(插上USB),进入固件更新模式,参见固件更新版块。
    • 接近连接:在蓝牙正常工作下(上电状态下),按住主机BOOT,靠近从机蓝牙设备,连接蓝牙。
  • RST:复位按键
Warning yellow.png

注:NC不连接,VCC为电源电压输出(5V-USB 供电时, 3.7V-锂电池供电时)


Arduino使用教程

Arduino板卡选型

对于FireBeetle BLE4.1控制器,出于低功耗的目的,选择了Arduino Pro Mini @3.3V 8MHz Bootloader,下载时请选择此板卡。

Fig2: FireBeetle Board-328P with BLE4.1 板卡选择
Warning yellow.png

特别注意:由于Pro Mini采用了8MHz晶振,处理速度较慢,在使用115200波特率时,可能会出现乱码、丢包等现象,建议使用9600bps。

低功耗Arduino测试程序

BLE 4.1通过AT+LOWPOWER=ON AT指令来让蓝牙进入低功耗,在低功耗模式下,蓝牙同样可以广播、连接。当蓝牙接收到数据后,会自动唤醒,并产生一个中断信号给328p芯片,这里的中断引脚连接到328p的D2,也即是代码中的中断0口。

#include <avr/sleep.h>

void wakeup(){
  sleep_disable();
  delay(2000);
}
void lowpower(){
 ADCSRA &= ~(1<<ADEN);/*关掉ADC*/
 TWCR &= ~(1<<TWEN);/*关掉TWI*/
 delay(10);
 set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);/*设置睡眠模式为掉电模式*/
 sleep_enable();/*启用睡眠模式*/
 MCUCR |= (1<<BODS|1<<BODSE);
 MCUCR = MCUCR & (~(1<<BODSE)) | (1<<BODS);
 sleep_cpu();/*进入睡眠模式*/
}
void setup() {
 attachInterrupt(0, wakeup, CHANGE); /*设置触发D2口的中断方式为电平变化,回调函数为wakeup(),即执行唤醒328p芯片的功能*/
 lowpower();
}

void loop() {
 lowpower();
 delay(2000);
}
  • 在此低功耗模式下,FireBeetle Board-328P with BLE4.1主板整体功耗约70uA
  • 如果关闭中断及其他外设,FireBeetle Board-328P with BLE4.1主板整体功耗约25uA

AT指令

AT即Attention,AT指令是用来配置蓝牙参数的通信指令。AT指令以AT开头,<CR+LF>回车和换行符结尾。

  • 注意:<CR+LF>为回车换行符,请勿把它当做AT指令的一部分


AT指令表

AT指令一览表
AT指令 功能 参数<X> 描述
AT+ROLE=<X> 设置蓝牙模式 “?”查询当前模式

“ROLE_CENTRAL”设置为中心

“ROLE_PERIPHERAL”设置为节点

返回当前模式

返回OK

返回OK

AT+NETWORK=<X> 设置网络模式 “?”查询当前网络

“P2P”设置为单点连接

“STAR”设置为星型网络

返回当前网络模式

返回OK

返回OK

AT+MIN_INTERVAL=<X> 设置最小通信间隔 “?”查询当前最小通信间隔

设置范围为10~99999ms

返回当前最小通信间隔

返回OK

AT+MAX_INTERVAL=<X> 设置最大通信间隔 “?”查询当前最大通信间隔

设置范围为10~99999ms

返回当前最大通信间隔

返回OK

AT+BIND=<X> 设置BLE芯片绑定蓝牙地址 “?”查询当前绑定的蓝牙MAC地址

0x0017ea9397e1 设置需绑定的蓝牙MAC地址

返回0x000000000000(默认值)

返回OK

AT+CMODE=<X> 设置BLE芯片连接模式 “?”查询当前BLE芯片的连接模式

“UNIQUE”设置为指定连接

“ANYONE”设置为任意连接

返回当前连接模式

返回OK

返回OK

AT+MAC=<X> 查询BLE芯片的蓝牙地址 “?”查询当前BLE芯片的蓝牙地址 返回当前BLE芯片的蓝牙地址
AT+NAME=<X> 设置模块名称 “?”查询当前模块的名称

“DFBLEduino2”

返回设备名称

返回OK

AT+SETTING=<X> 改变或恢复默认设置 “?”查询当前设备的设置状态

“DEFAULT”恢复初始设定

“DEFPERIPHERAL”恢复成从机模式的初始设定

“DEFCENTRAL”恢复成主机模式的初始设定

返回当前设备的设置状态

返回OK

返回OK

返回OK

AT+USB_MONITOR=<X> 设置是否打开USB监控 “?”查询当前USB监控的状态

“ON”打开USB监控

“OFF”关闭USB监控

返回当前USB监控的状态

返回OK

返回OK

AT+HELP=<X> 获取AT帮助 “ALL”查询所有AT指令的帮助 返回AT指令的说明信息
AT+NET_INF=<X> 查看当前网络内的设备信息 “?”查询当前网络内的设备信息 返回当前网络内的设备信息
AT+VERSION=<X> 查询固件版本 “?”查询当前设备的固件版本 返回当前设备的固件版本
AT+RSSI=<X> 查看当前的RSSI值 “?”查询当前的RSSI值 返回当前的RSSI值(未连接状态下返回-000)
AT+P<n>=<X> 查询和设置管脚P(n, n=0,1,2,3...)高低电平 “?”先将IO口设置为输入模式,再检测IO口的高低电平

“1”将管脚设置为输出模式,且输出高电平

“0”将管脚设置为输出模式,且输出低电平

Eg:AT+P47=? (返回0或1)

Eg:AT+P47=1(返回OK)

Eg:AT+P47=0 (返回OK)

AT+WL=<X> 查询或清除白名单 “?”查询白名单

“NONE”清除白名单

返回白名单设备的MAC地址列表

返回OK

AT+LOWPOWER=<X> 查询和设置当前低功耗模式 “?”查询当前低功耗模式

“ON”开启低功耗功能

“OFF”关闭低功耗功能

返回当前状态

返回OK

返回OK

AT+EXIT 退出AT指令模式 退出AT指令模式 返回OK


通过AT指令配置BLE设备

1.打开Arduino IDE

2.在菜单->工具-> 串口中选择正确的设备

3.开启串口监视器(点击窗口的右上角的按键)

4.在两个下拉菜单中选择"No line ending"(①)和115200 baud(②)

5.在输入框中(③)输入"+++",并点击发送键(④)

6.如果收到“Enter AT Mode”(⑤),就证明已经进入AT指令模式.

Fig1: +++进去CMD模式

7.在两个下拉菜单中选择"Both NL & CR"(①)和115200 baud(②)

8.在输入框中(③)输入AT指令,并点击发送键(④)

9.如果BLE配置成功,界面将会返回"OK"(⑤)

Fig1: 输入AT指令,记得更改为Both NL & CR

10.如果收到“ERROR CMD”,可以再发一遍。发送多次后如果还是“ERROR CMD”,你需要检查一下指令发送是否正确.(大写字母)

11.可以使用"AT+EXIT"来退出AT指令模式.

12.可以输入AT+HELP=ALL指令,查询所有的AT指令。

Fig1: 进入AT指令,查询所有的AT指令


蓝牙配对

在使用BLE4.1系列产品时,需要对外围硬件有一定了解,几个关键的按键如下:

  • BOOT:蓝牙固件更新/接近连接使能开关;
    • 更新固件:按下BOOT,然后上电(插上USB),进入固件更新模式,参见固件更新版块。
    • 接近连接:在蓝牙正常工作下(上电状态下),按住主机BOOT,靠近从机蓝牙设备,连接蓝牙。
  • WAKEUP:唤醒按键,当使能了BLE4.1设备低功耗后,可以通过这个按键唤醒设备,也可以将该引脚连接到MCU的Pin脚进行唤醒
  • RST:BLE4.1模块复位按键

使用BLE4.1模块时,可参考BLE4.1最小系统参考电路图:

Fig1: BLE4.1模块最小系统原理图


手机蓝牙配对方法

BLE4.1模块和手机端进行连接时,因为是BLE设备,和传统蓝牙设备(如蓝牙耳机)有区别,需要指定特征值以及设备服务ID,通过手机的设备管理器进行BLE的连接,会出现通信问题,因此,需要第三方软件。如DFRobot的《BlunoBasicDemo》,TI的《BLE Device Monitor》等等。这里将以DFRobot的《BlunoBasicDemo》为例。

  • 通过AT+ROLE=ROLE_PERIPHERAL指令将BLE4.1模块设置成从机模式。 AT+NETWORK=P2P 设置为点对点模式,设置完成后,重启BLE4.1模块(可以直接断电重启)。
  • 打开手机端BlunoBasicDemo软件,点击SCAN,可以看到扫描到BLE4.1设备:
Fig1: 手机扫描BLE4.1设备
  • 点击该设备进行连接。连接成功后,显示Connected,同时BLE4.1设备LINK灯常亮3秒,之后每3秒闪烁一次。
Fig1: 手机连接BLE4.1设备
  • Data sending Area窗口输入要发送的数据:
Fig1: 手机发送数据到BLE4.1设备
  • 点击Send Data,进行发送。打开Arduino串口助手,可以接收手机端发送的数据。
Fig1: 串口打印接收到的数据


PC蓝牙配对方法

暂不支持通过自带蓝牙直接连接(与手机类似,PC端同样需要一个软件才能支持自带蓝牙的连接,很遗憾,暂时没资源做相关开发,只能暂时搁置)

点对点通信方法

BLE 4.1点对点连接的过程与BLE 4.0类似,只是多了一条设置点对点连接的命令。总共需要两个设备,一个设置成主机(ROLE_CENTRAL);另一个设置成从机(ROLE_PERIPHERAL)。通过AT+ROLE=ROLE_CENTRALAT+ROLE=ROLE_PERIPHERAL设置,主机设置方法如图:

Fig1: 将设备设置成中心模式

然后通过AT+NETWORK=P2P命令将两个BLE 4.1设备设置成点对点连接方式(默认就是点对点连接模式)。

Fig1: 将设备设置成点对点连接模式

设置完成后,重启BLE4.1设备(可以直接断电重启),开始接近连接,当两边的LINK灯亮了,所明已经连接上了。

  • 接近连接:按住主机设备的BOOT按钮,靠近要连接的从机设备,直至连接成功,LINK灯亮起。

备注:

  1. 任意两台设备第一次连接时,按住中心设备的BOOT按钮是为了将需要连接的设备录入白名单中。之后再次连接该设备就不需要再按BOOT按钮了
  2. BLE 4.1设备也可以与之前BLE 4.0设备(Bluno 1代)相连接,BLE 4.0只支持点对点连接,所以不用设置P2P命令,但BLE 4.1设备依旧需要设置P2P命令。


蓝牙星形网络链接

星型连接模式与点对点连接模式,在设置上唯一的区别在于,通过AT+NETWORK=STAR。设置完成后,重启设备,用主机(中心设备)连接从机设备(注意连接时需要按住主机的BOOT),当LINK灯亮时,说明已将节点设备录入中心设备的白名单。之后就会自动连接白名单中的设备。

Fig1: 将设备设置成点对点连接模式
Warning yellow.png

注:星型连接模式只针对BLE4.1设备,不包括Bluno一代(BLE4.0)以及其他品牌的BLE设备。

星型连接模式下,蓝牙设备之间的通信采用了特殊的数据包压缩方式,可以通过Arduino库文件,使用Arduino主控进行数据间的交互,点击下arduino库文件,该库文件还需要Arduinojson库文件。设备连接时,先连入中心设备的从机设备ID为1,后面链接进入网络的ID以此叠加。示例代码中,给出了如何获取该设备在网络中的ID,以及收到数据后,数据的来源设备ID。建议在创建星型网络模型时,依次给设备上电。

#include <DFRobot_Bluno2.h>
#include <ArduinoJson.h>

DFRobot_Bluno2 blunoNet;
int blunoID=0;
void setup()
{
  Serial.begin(9600);
  blunoNet.begin(Serial);//获取id
}

void loop()
{
  uint8_t event=blunoNet.getEvent();//queue
  switch(event)
  {
    case EVENT_NETINFO:
    {
      eventNode e = blunoNet.popEvent();

      StaticJsonBuffer<200> jsonBuffer;
      JsonObject& root = jsonBuffer.parseObject((const char *)e.payload);
      if (!root.success()) { 
        return;
      }
      int s =  root["r"].size();
      for(int i = 0; i < s; i++){
        if(root["r"][i]["s"].as<int>()){
          blunoID = root["r"][i]["i"].as<int>();
          break;
        }
      break;
      }
    }
    case EVENT_DATA:
    {
      eventNode e = blunoNet.popEvent();
      blunoNet.sendPacket(e.src, blunoID, "hello12345678901234567890",26);
      break;
    }
    default: //no event
    {
      break;
    }
  }
  blunoNet.loop();
  if(Serial.available()){
    char message=Serial.read();
    blunoNet.sendPacket(!blunoID, blunoID, &message,1);
  }
}

蓝牙低功耗

BLE4.1进入低功耗后,功耗<10uA,同时可以进行BLE端的数据交互、设备的广播。通过AT+LOWPOWER=ON指令,使能BLE4.1设备低功耗功能。重启BLE4.1设备,10秒后进入低功耗。需要注意的是,进入低功耗后,如果MCU需要通过UART给BLE4.1设备发送数据,需要先通过WAKEUP唤醒蓝牙设备,否则UART端接收到的数据会出现乱码。
在低功耗模式没有任何操作的情况下,蓝牙会在10s后进入低功耗,这时可以通过中断方法唤醒蓝牙,或者通过蓝牙唤醒ATmega328P:

  • BLE4.1通过P4_2 (D2) 引脚唤醒Arduino控制器(Atmage328P):高电平唤醒
  • Arduino控制器 (ATmega328P) 通过WAKEUP(D3)使能引脚唤醒BLE4.1:低电平唤醒


无线下载

Bluno2的无线下载功能,完全兼容Bluno 1代 (BLE 4.0)。在使用上,只能点对点连接模式下进行,主机(中心设备)对从机设备的Arduino主控进行无线下载。

  • 与P2P连接类似,一个设置成主机,插到电脑端;另一个设置成从机,配对链接后,就可以通过主机给从机下载代码了。


固件升级

DFRobot新出的BLE4.1设备保留原Bluno的固件升级方式,点击链接下载BLE4.1固件升级工具,BLE4.1固件更新地址点击下载

Fig1: Bluno2固件升级工具

升级步骤如下:

  • 按住BOOT
  • 将BLE4.1设备连接到电脑,松开BOOT按键,此时CHG和LINK灯交替闪烁
  • 打开Bluno2 Firmware软件,选择对应的串口号
  • 选择需要更新的固件,固件格式是.img
  • 点击下载


常见问题

问: 程序无法下载怎么办?!!!

答: 程序无法下载的原因有很多:
  1. 基础检查:供电、板型、COM口等是否正确
  2. 由于使用蓝牙串口通信,可能是蓝牙已占用串口,请断开当前所有的蓝牙连接,重新插拔上电,请重新下载
  3. 可能由于设备串口已被占用,请拔掉所有控制器的外设,重新编译下载
  4. 可是由于Arduino IDE本身发生了崩溃,请断开所有蓝牙(包括手机),关掉所有Arduino IDE软件,拔掉USB线。然后重新打开后再测试。(重启大法能解决60%的设备问题)
  5. 可能由于FireBeetle上328P内的Bootloader丢失,请尝试重烧ATmega32p的Bootloader
  6. 可能由于蓝牙BLE 4.1固件问题,请尝试重烧固件,参考上一章

问: 插上电脑后,设备管理器中显示为Arduino UNO COM x,我该如何选择板型

答: 默认COM名称为Arduino UNO,请根据板子不同的bootloader选择对应的板型,例如:FireBeetle BLE4.1,选择Arduino Pro Mini 3.3V@ 8MHz

问: 蓝牙ID号总是随着连接先后变动,无法确定,怎么办

答: 目前蓝牙的ID号是根据连接顺序的先后来确定的,依次为ID1、ID2、ID3、ID4,还不支持改动,请按照所需顺序连接,主机(中心设备ID0)

问: 有时候,接收到的蓝牙数据会有乱码等现象?为什么?115200的波特率

答: FireBeetle BLE4.1 使用3.3V Pro Mini的bootloader,8MHz晶振,高波特率模式下,可能会有问题,这是3.3V Pro Mini本身Bootlaoder的问题,建议更换低波特率,例如9600bps。

问: 支持HID、ibeacon、树形网络功能吗?

答:HID、ibeacon以及树形网络功能正在开发中,敬起期待。

问: 如何给FireBeetle主板供电?

答: 点击链接,查看FireBeetle萤火虫系列主板供电问题


更多问题及有趣的应用,可以 访问论坛 进行查阅或发帖。

尺寸图

  • pin脚间距:2.54mm
  • 安装孔间距:24mm/53mm
  • 安装孔尺寸:3.1mm
  • 主板尺寸:29.00mm×58.00mm
  • 板厚:1.6mm
Fig1: FireBeetle Board-328P with BLE4.1尺寸图

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