1. 产品概述
蓝牙智能温湿度计是智能家居最普及的BLE传感器品类之一，通过BLE5.4广播或连接模式将温湿度数据推送到手机APP/网关/智能家居平台。2025年中国BLE温湿度计细分市场规模约15亿元，全球IoT环境传感器市场约87亿美元。目标场景涵盖家庭环境监测（客厅/卧室/婴儿房联动空调加湿器）、农业温室管理、数据中心机房监控、医疗养老场所环境保障等。代表产品包括小米温湿度计3（¥39，TLSR8250+BLE）、青萍温湿度计（¥59，nRF52832）、涂鸦BTH01系列（$1.9-2.3海外版，PHY6222），市场年出货量数千万台。CR2032纽扣电池供电，续航12-18个月，是极致低成本+超长续航的典型BLE产品。
2. 硬件架构设计
主控芯片选型
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| 芯片方案 | 内核 | BLE版本 | Flash/RAM | 功耗(广播) | 价格(1K) | 优势 |
| nRF52832 | Cortex-M4F | 5.2(S132) | 512KB/64KB | ~20μA avg | ¥15-22 | FPU+丰富SDK、社区强 |
| CH592X | RISC-V | 5.4 | 256KB/32KB | ~20μA avg | ¥2.7 | 超低成本、LCD段码驱动 |
| TLSR8250 | 32bit MCU | 5.0 | 512KB/48KB | ~15μA avg | ¥4-6 | 小米生态链标配 |
| ESP32-C3 | RISC-V | 5.0 | 384KB/400KB | ~300μA avg | ¥8-12 | WiFi+BLE双模(适合网关版) |
| PHY6222 | Cortex-M0 | 5.2 | 256KB/36KB | ~18μA avg | ¥3-5 | 涂鸦生态、超低功耗 |
方案对比总结：
- 极致低成本版：CH592X（¥2.7）+ SHT40（¥3.2）+ LCD段码屏，整机BOM ¥15-20
- 品质版：nRF52832（¥15-22）+ SHT40 + E-ink/LCD，整机BOM ¥30-45
- 双模网关版：ESP32-C3（WiFi+BLE），适合自带WiFi上报场景
蓝牙模块方案
- SoC直用：CH592X/TLSR8250/nRF52832，芯片即模组，无需外挂MCU，简化设计
- 模组方案：涂鸦PHY6222QC-W04C模组（¥5-8），已预烧涂鸦SDK，一键接入涂鸦云
传感器选型
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| 传感器 | 精度 | I2C地址 | 价格 | 功耗 | 特点 |
| SHT40 (Sensirion) | ±0.2°C / ±1.8%RH | 0x44 | ¥3.2 | ~0.4μA | 高精度、Zephyr有官方驱动 |
| SHT30 (Sensirion) | ±0.3°C / ±2%RH | 0x44 | ¥2.5 | ~0.8μA | 成本优化版 |
| CHT8305C | ±0.3°C / ±2.5%RH | 0x40 | ¥1.5 | ~1μA | 国产低成本 |
| BME280 (Bosch) | ±1°C / ±3%RH+气压 | 0x76 | ¥5-8 | ~3μA | 三合一(温湿压) |
电池/供电方案
- CR2032纽扣电池（210mAh）：不开广播21个月，开广播17个月
- CR2450纽扣电池（600mAh）：续航可达3年以上
- DC-DC内置（CH592X片上DC-DC），无需外挂升压电路
- 平均工作电流：不广播13.86μAh，广播20.74μAh（CH592X方案实测）
PCB Layout要点
- 4层板设计，CR2032电池座与天线区域保持距离
- BLE天线区域下方净空（无铜铺地），天线走线50Ω阻抗匹配
- I2C传感器走线尽量短，SHT40直连MCU引脚
- 段码LCD驱动线用10kΩ上拉，防驱动串扰
- PCB尺寸典型40×50mm（小米款41×41mm圆角）
3. 软件架构设计
蓝牙协议栈配置
- 广播模式（主要）：周期性广播温湿度+电池电量数据，无需连接，最低功耗
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- 广播间隔1.68s-2s（CH592X方案），BLE5.4标准广播包
- BTHome v2协议格式（开源标准），兼容Home Assistant等平台
- 支持加密bindkey（AES-CCM），防数据篡改
- 连接模式（配置）：用户连接APP时切换，用于参数设置、历史数据读取、OTA升级
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- 自定义BLE Service：温度Characteristic + 湿度Characteristic + 电池Characteristic
- Notify模式推送实时数据
应用层状态机设计
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| 状态 | 描述 | 功耗 | 触发条件 |
| DEEP_SLEEP | 传感器+MCU休眠 | ~3μA | 定时器未到 |
| SENSOR_READ | 采样温湿度 | ~400μA (2ms) | 定时器触发/2s间隔 |
| ADV_MODE | 广播数据 | ~20μA avg | 采样完成后 |
| CONNECTED | APP连接配置 | ~1mA | 用户主动连接 |
| OTA | 固件升级 | ~5mA | APP触发 |
功耗管理
- 广播参数调优：间隔1.68s（功耗与实时性平衡点）
- 连接参数：最小连接间隔500ms（非实时场景），降低连接功耗
- 传感器采样策略：2s刷新间隔，单次采样仅2ms
- LCD段码屏常显：片上LCD驱动，功耗增量<5μA
OTA升级方案
- CH592X：支持IAP（在线应用编程），BLE OTA无线升级
- nRF52832：基于nRF Connect SDK的BLE DFU（Device Firmware Update）
- 双Bank Flash：升级失败自动回滚到旧版本
4. 蓝牙Profile深度解析
主要使用的Profile/Service
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| Profile/Service | UUID | 用途 |
| BTHome v2 | 自定义 | 广播温湿度+电池数据（开源标准） |
| Environmental Sensing (0x181A) | BLE标准 | 连接模式下温湿度数据传输 |
| Battery Service (0x180F) | BLE标准 | 电池电量百分比上报 |
| Device Information (0x180A) | BLE标准 | 设备型号、固件版本 |
| Nordic UART Service (NUS) | 自定义 | 串口透传调试/数据导出 |
配网流程
- 设备开机→BLE广播（含设备名"温湿计"）
- 手机APP扫描→识别广播包中的温湿度数据
- 用户点击连接→进入CONNECTED状态
- APP读取Device Info→配置bindkey（加密通信密钥）
- 配置完成→设备断开回到ADV_MODE持续广播
数据传输协议
- 广播包结构（BTHome v2格式）：
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- Flags(2B) + Short Name(10B) + TX Power(2B) + Manufacturer Data(7B)
- Manufacturer Data: 温度(16bit, /100°C) + 湿度(16bit, /100%) + 电池(16bit, %)
- 加密模式：AES-CCM加密，4字节计数器+MIC校验
- BLE Coded PHY长距：可达1km传输距离
5. 认证与合规
BQB认证要点
- Bluetooth SIG QDID申报（使用已认证SoC可继承部分QDID）
- 广播模式+连接模式功能测试
- 至少1个完整Profile认证（Environmental Sensing或自定义）
FCC/CE/SRRC要求
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| 认证 | 要求 | 费用 | 周期 |
| FCC (美国) | Part 15C 无线发射测试 | $3,000-5,000 | 4-6周 |
| CE (欧盟) | RED指令+EMC测试 | €2,000-4,000 | 4-8周 |
| SRRC (中国) | 型号核准+无线电发射 | ¥8,000-15,000 | 6-10周 |
| RoHS | 环保合规 | ¥1,000 | 1-2周 |
6. 量产与成本分析
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| 项目 | 低成本版(CH592X) | 品质版(nRF52832) | 网关版(ESP32-C3) |
| MCU | ¥2.7 | ¥15-22 | ¥8-12 |
| 传感器 | SHT40 ¥3.2 | SHT40 ¥3.2 | SHT40 ¥3.2 |
| LCD | 段码屏 ¥7.2 | E-ink ¥15-25 | E-ink ¥15-25 |
| 电池座 | ¥0.4 | ¥0.4 | ¥0.5 |
| PCB | ¥1.5 | ¥2.5 | ¥3.0 |
| 其他 | ¥1.5 | ¥2.5 | ¥3.0 |
| 整机BOM | ¥15-20 | ¥30-45 | ¥35-55 |
| 零售价 | ¥29-39 | ¥59-79 | ¥79-99 |
| 续航 | 17月(CR2032) | 12月(CR2032) | 6月(CR2450) |
| 月产能 | 50万+ | 20万 | 10万 |
量产核心：极致版BOM¥15-20，零售¥29-39，毛利40-50%。小米生态链年出货千万台级别，供应链成熟（SHT40/CH592X/TLSR8250均为国产/亚洲产线稳定供应）。差异化方向：加E-ink大屏显示、加BME280三合一、加BLE Coded PHY长距广播、涂鸦/小米/苹果HomeKit生态适配。