Tecnología Bluetooth 5 para Internet de las cosas

Por European Editors

Colaboración de Editores europeos de Digi-Key

La última versión del estándar Bluetooth, Bluetooth 5, está preparada para ofrecer una amplia gama de mejoras, tales como un mayor alcance, más velocidad y compatibilidad ampliada para los servicios no orientados a la conexión. Esta es una importante actualización sobre la tecnología Bluetooth 4.2 actual y abrirá nuevas aplicaciones IoT para el entorno inteligente.

Este avance permite a las empresas y desarrolladores lograr Internet de las cosas accesible e interoperable. El nuevo estándar especifica modos con cuatro veces la gama de dispositivos existentes, reduciendo la velocidad de datos de hasta 500 Kbps y 250 Kbps para permitir más sensores para el uso fiable en el hogar. Este rango no sólo permite una mayor distancia entre un controlador y un sensor, sino que también proporciona un vínculo más sólido para los dispositivos finales. También permite el doble de la tasa de datos de hasta 2 Mbps para permitir la transmisión de audio de calidad superior procedente de monitores o altavoces inalámbricos para mejorar la experiencia del usuario.

La investigación de mercado estima que Bluetooth estará en más de un tercio de todos los dispositivos IoT instalados en el año 2020, impulsados por la omnipresente implementación en teléfonos inteligentes para actuar como controladores. Sin embargo, el requisito de un chip Bluetooth 5 en un teléfono inteligente como el controlador o para streaming a un auricular inalámbrico es muy diferente de las necesidades de Internet de las cosas. Estas aplicaciones IoT también necesitan gestión de energía más sofisticada para maximizar la duración de la batería del sistema, por lo tanto, un convertidor CC-CC optimizado es cada vez más un elemento común del SoC.

Los diseños que ahora se entregan a los diseñadores de chips se adaptan a las necesidades de dispositivos SoC para IoT. Por ejemplo, la plataforma IP RivieraWaves Bluetooth consta de un hardware controlador de banda base digital, un módem y una pila de protocolo detallado del software. La pila abarca la capa de enlace hasta GAP/GATT más un conjunto de servicios y perfiles. La tecnología Riviera ya ha sido utilizada por generaciones anteriores de dispositivos Bluetooth 4.2 de NXP como MKW31Z256.

Diagrama de Bluetooth 5 IP desarrollado por RivieraWaves

Figura 1: El Bluetooth 5 IP desarrollado por RivieraWaves para uso en dispositivos de sistema en chip para Internet de las cosas.

El hardware del controlador de banda base se ofrece como un paquete IP Verilog. Realiza la codificación/descodificación de paquetes y el marco de programación, y se complementa con un motor de cifrado de hardware AES128. La pila de software se ofrece como un paquete IP de código C con la capa de enlace, L2CAP, ATT, SMP, GAP/GATT, servicios y perfiles que pueden ser modificados por el desarrollador de chips.

Imagen de pila de protocolo IP Bluetooth 5 de RivieraWaves

Figura 2: Pila de protocolo IP Bluetooth 5 de RivieraWaves

El modo BLE difiere el modo Bluetooth dual, donde la pila de protocolo incluye una interfaz HCI estándar de la industria en el teléfono inteligente. Una interfaz de radio flexible permite implementar la plataforma con cualquiera de las IP RF RivieraWaves o varias IP RF de otras empresas, que permiten una selección óptima de fundición y nodo de proceso.

Otro proveedor IP, Mindtree, ha trabajado con Texas Instruments para poner la pila Bluetooth 4.2 en el procesador CC1350. Este combina un transceptor de RF flexible de baja potencia con un microcontrolador ARM® Cortex-M3® de 48 MHz, que está diseñado para múltiples capas físicas y normas RF, simplificando relativamente la actualización de Bluetooth 5. El esquema de modulación GFSK de 2 Mbps para la radio permite una mejora significativa en el rendimiento del sistema para los usuarios, y es relativamente fácil de implementar en hardware.

La pila se ejecuta en un dedicado Cortex-M0 como el controlador de radio que maneja los comandos de protocolo RF de bajo nivel que están almacenados en la ROM o en la RAM. Los sensores para Internet de las cosas pueden ser manejados por un controlador dedicado, autónomo, de potencia ultrabaja que puede ser configurado para gestionar sensores analógicos y digitales, permitiendo que el principal núcleo Cortex-M3 pueda permanecer en modo de suspensión. La potencia, el reloj, la radio y los sistemas de gestión requieren una configuración específica y la manipulación por software para funcionar correctamente, la cual ha sido implementada en un sistema operativo de tiempo real (RTOS) de TI. Esto también sería actualizado para incluir la nueva funcionalidad de Bluetooth 5.

Esto incluye la extensión de los paquetes de publicidad de 237 bytes, que abren los canales de datos para publicidad, y también introducen el concepto de anuncio de periódico.

Mindtree ha trabajado también con Synopsys para desarrollar un diseño completo IP Bluetooth Smart para 4.2 en procesos TSMC de 55 nm y 180 nm. Este combina la IP física Synopsys con la capa de enlace BlueLitE de Mindtree y la pila de software, proporcionando a los diseñadores de chips un completo bloque BLE que reduce el riesgo y los desafíos de integración para el sistema en chip (SOC) de potencia ultrabaja para aplicaciones de IoT. El IP PHY de Synopsys opera por debajo de un 1 voltio para extender la vida útil de la batería, y tiene una antena integrada de red coincidentes para garantizar una correcta transmisión de la señal entre la antena y la fuente, reduciendo el costo de los componentes externos.

Bluetooth 5 ya está siendo implementado en dispositivos. Por ejemplo, la familia de dispositivos SoC nRF52 del Nordic Semiconductor es una familia de SoC multiprotocolo de potencia ultrabaja construidos alrededor de un núcleo ARM Cortex-M4F de 32 bits con 1 MB de memoria flash y 256 kB de RAM en el chip. El transceptor integrado más reciente de 2,4 GHz admite todas las tasas de datos Bluetooth 5 de baja energía en el hardware, desde las nuevas tasas existentes de 2 Mbps y 1 Mbps a las tasas de largo alcance Bluetooth 5 a 500 kbps y 125 kbps. La radio es compatible con mediciones RSSI de alta resolución y funciones automatizadas para reducir la carga de la CPU, incluyendo EasyDMA para acceso directo a memoria para datos de paquetes y montaje. Nordic también proporciona las pilas de protocolos para Bluetooth 5 de baja energía - estas pilas se conocen como SoftDevices52840 y la nRF es apoyada por S140 SoftDevice que es una pila de protocolo de Bluetooth baja energía precalificada para Bluetooth 5.

Imagen de la Placa de desarrollo nRF52 de Nordic Semiconductor

Figura 3: La placa de desarrollo nRF52 de Nordic Semiconductor permitirá evaluar los últimos dispositivos Bluetooth 5.

Muchos de los actuales dispositivos Bluetooth 4.2 han sido diseñados con la próxima generación en mente, y el elemento de Bluetooth en un SoC para Internet de las cosas puede ser una parte relativamente pequeña del diseño de chip. Por ejemplo, en la CYBL11573 de Cypress Semiconductor, la mayor parte del chip está dedicado al manejo de periféricos, como se muestra en la figura 4.

Diagrama de CVBL11573 de Cypress Semiconductor

Figura 4: La mayor parte de los CVBL11573 de Cypress Semiconductor está dedicada a la gestión de sensores necesarios en aplicaciones de IoT.

El subsistema BLE para el SoC consta del motor de capa de enlace y capa física. El motor de capa de enlace soporta ambos roles de maestro y esclavo e implementa funciones de tiempo crítico, como el cifrado en el hardware para reducir el consumo de energía y proporciona un mínimo de intervención del procesador y un alto rendimiento. Los principales elementos de protocolo, como la interfaz de control de host (HCI) y el control de enlace, están implementadas en el firmware. Estos son los elementos que cambian en la implementación de Bluetooth 5.

La capa física también cambia para manejar la mayor velocidad de datos de 2 Mbps. Esto ya utiliza la modulación GFSK, convirtiendo la señal de banda base digital de estos paquetes BLE en frecuencia de radio antes de transmitirlos al aire a través de una antena. En la dirección de recepción, este bloque convierte una señal de RF de la antena en un flujo de bits digital después de realizar la demodulación GFSK. El transceptor RF contiene un balun integrado, que proporciona un pin de puerto de RF de terminal único de 50 Ω para accionar un terminal de la antena a través de un red de coincidencia de pi. La potencia de salida es programable desde -18 dBm a +3 dBm para optimizar el consumo de corriente para diferentes aplicaciones.

De modo similar, la familia EFR32MG de controladores Bluetooth de Silicon Labs puede actualizarse a Bluetooth 5. La actual familia utiliza un núcleo ARM Cortex-M4 de 40 MHz con memoria ampliable y configuración de radio que usa paquetes QFN compatibles con huella. Al igual que otras implementaciones de IoT, el sistema Reflex periférico de 12 canales permite la gestión autónoma de los periféricos, mientras que el balun incroporado de 2,4 GHz y el amplificador de potencia proporciona hasta 19,5 dBm de potencia de transmisión.

Conclusión

Con el lanzamiento de Bluetooth 5 a principios de 2017, los desarrolladores de chip han comenzado a implementar varios enfoques para proporcionar la funcionalidad en dispositivos de sistema-en-chip que están dirigidos a Internet de las cosas. El uso de IP físicos y de software de proveedores como RivieraWaves o MindTree puede permitir a un desarrollador centrarse en los periféricos adicionales y la gestión de energía del chip con un riesgo reducido. Otros buscan integrar estrechamente la funcionalidad de Bluetooth 5 dentro del diseño SoC para agregar funciones adicionales o reducir el tamaño del chip.

Ambos enfoques ofrecen nuevas capacidades a los diseñadores de nodos IoT. Su bajo consumo de energía, mayor alcance y mayores velocidades de datos permiten a los desarrolladores de sistemas integrados Bluetooth 5 agregar fácilmente conectividad inalámbrica más sofisticada a sus dispositivos IoT.

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