Concetti di base sui progetti Bluetooth® Low Energy: dai chipset agli stack di protocollo fino ai moduli

Bluetooth Low Energy o BLE—anche definito Bluetooth Smart—è un prodotto essenziale per realizzare dispositivi indossabili connessi, apparecchi smart e tag di prossimità. Lo standard wireless a corto raggio è concepito per ridurre il consumo energetico attraverso connessioni più veloci che trasferiscono quantità di dati più veloci con minore latenza.

Il fatto che Bluetooth Smart miri a usare circa un decimo dell'energia rispetto alle connessioni Bluetooth Classic mostra la portata degli sforzi di sviluppo applicati ad adattare questo meccanismo di connettività wireless per applicazioni con un piccolo fattore di forma (Figura 1).

Bluetooth Smart usa una velocità di collegamento di 1 Mbit/s e un throughput dell'applicazione di 800 kbit/s. Qui, la velocità di drop-in è compensata da una riduzione della latenza a 6 ms rispetto ai 100 ms della specifica Bluetooth Classic. Grazie a queste innovazioni, Bluetooth Smart viene usato non più solo nei progetti indossabili abituali come gli smartwatch e i bracciali ma in una gamma più ampia di applicazioni indossabili e IoT.

Figura 1: Bluetooth Smart o BLE si è evoluto passando dai protocolli esistenti a dispositivi indossabili e IoT (per gentile concessione di Aislelabs).

Ad esempio, i sensori indossabili in una piattaforma di gioco in movimento di realtà virtuale (VR) attualmente usano connessioni Bluetooth Smart per trasferire dati alle cuffie wireless con una latenza minima. Vi sono poi protesi acustiche che usano collegamenti BLE per correggere il suono, inviare avvisi, controllare lo stato della batteria e apportare modifiche ai programmi tramite uno smartphone.

Radiofari, sensori remoti e passaporti biometrici indossabili sono gli altri centri di attività per la tecnologia Bluetooth Smart in cui facilita una miriade di applicazioni di pubblicità e commercio mobili, biglietterie, chiusura delle porte e altre applicazioni di sicurezza. Qui, un dispositivo che supporta Bluetooth Smart - smartphone, notebook, ecc. - può monitorare la posizione, l'accelerazione e la prossimità di qualsiasi dispositivo con tag entro un raggio di 5-30 metri.

L'ultima versione - specifica Bluetooth v4.2 - sta preparando il terreno per le applicazioni IoT e indossabili di ultima generazione permettendo a più dispositivi o "cose" di agganciarsi in mondo iperconnesso. Per iniziare, estende la velocità massima dei dati a 800 kbit/s, che è 2,6 volte superiore rispetto alle versioni precedenti, e consente registrazioni dei dati più veloci dai sensori oltre ad aggiornamenti firmware più rapidi.

Semplificazione del progetto BLE

Un nuovo gruppo di soluzioni BLE end-to-end - dai componenti a stack software fino ai moduli - sta portando dei miglioramenti chiave nel progetto BLE dal punto di vista della connettività, della sicurezza e dei consumi. Partiamo dalla sicurezza, perché è già stata identificata come una sfida importante per IoT.

Bluetooth v4.2 porta numerosi miglioramenti della sicurezza, rendendo più difficile tracciare dispositivi tramite connessioni Bluetooth. In primo luogo, porta i meccanismi di autenticazione al livello di Bluetooth Classic e consente di accoppiare i dispositivi solo quando le connessioni sono assolutamente sicure.

In secondo luogo, offre sia l'accoppiamento automatico che la comunicazione dual-mode, il che semplifica l'accoppiamento quando si è in modalità aperta e richiede una maggiore sicurezza per i trasferimenti dei dati quando si è in modalità chiusa. Un'altra caratteristica cruciale, là dove la sicurezza e l'efficienza energetica convergono, impone che radiofari o tag di prossimità richiedano il permesso ai dispositivi con cui devono comunicare.

Queste caratteristiche di privacy e di filtraggio permettono ai chipset Bluetooth Smart di riattivarsi solo quando un oggetto indicato come affidabile giunge in prossimità di un utente. Inoltre, i nuovi sottosistemi BLE centellinano la potenza incrementale mentre preservano l'energia spegnendosi quando non sono in uso.

Figura 2: SoC e moduli Bluetooth altamente integrati consentono di incorporare rapidamente i collegamenti BLE nei progetti indossabili e IoT. (Fonte dell'immagine: Cypress Semiconductor)

I chipset Bluetooth Smart ora possono commutare tra varie modalità di potenza - attiva, sospensione, sospensione profonda, ibernazione e arresto - per tenere sotto controllo il consumo energetico. Il chip Bluetooth ad esempio, può calcolare quando mettere il dispositivo in modalità "sospensione profonda" in cui la CPU viene disattivata ma il collegamento BLE rimane attivo.

Un chip Bluetooth Smart, quando messo in modalità di sospensione profonda, può consumare meno di 500 nA mantenendo però i dati nella memoria di ritenzione. Le modalità ibernazione e arresto, invece, interrompono il collegamento, lasciando che il chip consumi corrente nell'ordine di nanoampere.

Come ricordato, i costi di sviluppo e lo spazio su scheda sono le altre due sfide importanti che i progetti BLE devono superare. Qui, le soluzioni Bluetooth su singolo chip e moduli altamente integrati compatibili con l'ultima versione delle specifiche Bluetooth stanno aiutando i progettisti a ottimizzare lo spazio su scheda e a risparmiare sui costi sia in termini di distinta base che di tempi di sviluppo più contenuti.

Soluzioni BLE su singolo chip

L'uso di chip multipli è antitetico alla progettazione BLE, sia dal punto di vista dell'ingombro che dell'efficienza energetica, pertanto occorre pensare a SoC a bassissimo consumo che combinano un'architettura innovativa di processori con un circuito radio multiprotocollo per ridurre costi, ingombro e consumi.

In questi SoC il processore integrato gestisce funzioni di controllo come l'esecuzione di modalità di alimentazione che provvedono a soddisfare determinate esigenze in determinati momenti. Poi, con una capacità di memoria sufficiente, esegue stack di protocollo Bluetooth Smart qualificati che includono profili multipli e sicurezza. Il CI singolo offre inoltre memoria per lo storage di dati e il software applicativo dei clienti. Il fatto che tutto questo avvenga internamente elimina la necessità di un secondo microcontroller, con i relativi costi, consumi e perdite di potenza dell'interfaccia dati.

Inoltre, la radio multiprotocollo Bluetooth consente ai progettisti di ottimizzare i collegamenti BLE per il trasferimento di dati mission-critical, supportando applicazioni a bassa latenza come lo streaming audio con un protocollo proprietario a 2,4 GHz. Il rafforzamento del segnale e l'approccio sfaccettato al trasferimento dei dati aiutano a preservare la durata della batteria mantenendo al contempo costante l'intervallo di trasmissione.

Chi ha un'esperienza limitata in materia di Bluetooth o di progetti RF in genere, troverà nei SoC altamente integrati un valido aiuto per affrontare le sfide di progettazione comuni e aggiungere comodamente connettività BLE al proprio progetto. Inoltre, i SoC Bluetooth offrono una sensibilità radio migliorata, un raggio maggiore e, cosa più importante, un sistema di gestione della potenza completamente automatico.

Figura 3: Il SoC Bluetooth a basso consumo di Cypress è pensato per le applicazioni indossabili e IoT basate su sensori.

Un buon esempio è rappresentato dal chipset PSoC 4 BLE di Cypress Semiconductor. Questo chipset integra front-end analogici, logica digitale, una radio Bluetooth Smart e un sensore capacitivo chiamato CapSense. Il chipset, basato su un processore ARM® Cortex®-M0, include anche uno stack di protocollo BLE esente da royalty che è compatibile con la specifica Bluetooth 4.2.

Cypress sta lavorando per agevolare la realizzazione di un ecosistema di progettazione completo attorno a PSoC 4, a partire da un modulo. Il modulo EZ-BLE PSoC include il chip PSoC 4 BLE, un'antenna, oscillatori al cristallo e tutti i componenti passivi necessari per creare un sottosistema Bluetooth plug-and-play.

Figura 4: I moduli EZ-BLE di Cypress Semiconductor comprendono una gamma completa di moduli programmabili certificati e completamente integrati che semplificano e accelerano la progettazione, con oscillatori al cristallo su scheda, antenne di tracciamento, schermatura e componenti passivi. Per avere un'idea delle dimensioni, i moduli 10 x 10 x 1,80 mm sono più piccoli di una moneta da un centesimo.

Inoltre, Cypress offre una scheda di valutazione che permette ai progettisti di sviluppare e valutare le applicazioni nel modulo EZ-BLE PSoC. La scheda di valutazione facilita la prototipazione instradando i GPIO a componenti come CapSense, LED e interruttori. Attorno a questo realizza la sua interfaccia utente grafica PSoC Creator a progettazione rapida (Figura 5).

Figura 5: Lo strumento PSoC Creator di Cypress facilita la progettazione rapida, in questo caso un cardiofrequenzimetro BLE con front-end analogico personalizzato (AFE). (Fonte dell'immagine: Cypress Semiconductor)

Lo strumento offre componenti precostruiti in un'interfaccia grafica drag-and-drop e, al termine della progettazione, genera una serie di interfacce di programmazione delle applicazioni (API) per ogni componente dello schema. Il componente BLE semplifica la configurazione di stack e profilo.

Modulo: un sottosistema BLE completo

Per i progettisti, il fatto che anche fornitori di SoC Bluetooth Smart come Atmel, Cypress e Silicon Labs offrano dei moduli è una buona notizia. È un bene anche per loro, in quanto sono spinti a innovare i propri CI e a fornire un valore maggiore, in termini di costo, ingombro e bassi consumi. Tanto è vero che i moduli BLE sono realmente l'ultima frontiera della progettazione quando si tratta di fornire un sottosistema hardware completo per prodotti indossabili e IoT.

I moduli incorporano tutto l'hardware e il firmware necessari per lo sviluppo di applicazioni imperniate su BLE. Combinano un SoC Bluetooth Smart con antenna e interfacce per collegare periferiche e sensori. Questi moduli sono prequalificati e consentono ai progettisti di bypassare la progettazione complessa delle antenne e i processi di approvazione.

Detto questo, la gestione delle comunicazioni RF tramite l'antenna Bluetooth può essere comunque insidiosa. La progettazione dell'antenna è cruciale in Bluetooth perché deve essere implementata in una posizione specifica con un profilo di uscita specifico. Diversamente, se l'antenna viene inserita nel punto sbagliato della scheda, può pregiudicare fortemente le prestazioni (potenza irradiata in uscita e sensibilità di ricezione) e, di conseguenza, la durata della batteria.

Oggi diversi moduli BLE sono integrati nel front-end che combina antenna su chip ceramico, filtro passa basso e balun abbinato. Un balun esegue l'accordatura dell'antenna convertendo i segnali tra la modalità bilanciata e quella non bilanciata. Questo riduce in modo significativo le armoniche e le emissioni spurie, il che a sua volta consente progetti indossabili con un ingombro complessivo più contenuto.

Ad esempio, il modulo front-end (FEM) di Skyworks Solutions SKY66111-11 comprende un commutatore di antenna e TX/RX, filtro e amplificatore (Figura 6). È altamente probabile trovarlo assieme alle radio Bluetooth di Nordic Semiconductor, Dialog Semiconductor, Texas Instruments e altri. Il modulo front-end elimina le connessioni scadenti con i CI Bluetooth host e abbatte i consumi fino a 10 mA a +10 dBm.

Figura 6: SKY66111-11 di Skyworks Solutions è un buon esempio di modulo RF front-end (FEM) che viene aggiunto a un SoC per estendere il raggio. Sembra semplice, ma è altamente integrato e assolve a una funzione critica nel campo RF quando si tratta delle prestazioni.

Il modulo Cypress EZ-BLE misura 10 x 10 mm, e il FEM Skyworks aggiunge solo 3,3 x 3,0 mm, nonostante i 20 pin. Opera fra 1,8 e 5 V e ha una corrente di riposo inferiore a 1 µA. Nell'uso, occorre fare attenzione a non sovraccaricare il commutatore applicando troppa RF sull'ingresso. Iniziare invece con una potenza in ingresso di -20 dBm e aumentare per gradi.

Prendere poi il modulo Bluetooth a basso consumo Blue Gecko BGM113 di Silicon Labs che combina un chipset Blue Gecko a 2,4 GHz con un'antenna su chip ad alta efficienza, per ridurre di nuovo al minimo tempi di sviluppo e sforzi. Il modulo ha a corredo uno stack software conforme a Bluetooth 4.1 e aggiornabile a Bluetooth 4.2. Oltre a ciò, Silicon Labs offre strumenti di sviluppo come Energy Profiler e Packet Trace.

Figura 7: Il modulo Blue Gecko BGM113 di Silicon Labs è una piattaforma pre-assemblata e pre-testata con stack e antenna incorporati, oltre alle certificazioni.

BGM113 ha un proprio convertitore c.c./c.c. e pone l'accento anche sulla sicurezza, con un acceleratore di crittografia hardware autonomo e un generatore di numeri veramente casuali (TRNG).

Conclusione

Quando si tratta di portare prodotti sul mercato in tempi rapidi e in modo affidabile, i moduli Bluetooth Smart e i moduli front-end a corredo sono una scelta eccellente. I progettisti lo sanno, come lo sanno anche i fornitori e i vendor che stanno offrendo il sistema di supporto e gli ecosistemi software richiesti per accelerare ulteriormente il passo dell'innovazione. L'attenzione combinata ai dettagli di layout, abbinamento dei componenti e sviluppo software oggi non è più un miraggio quando si tratta di realizzare applicazioni IoT indossabili creative, applicazioni per abitazioni connesse e molto altro ancora.