RF e Bluetooth a confronto

I progettisti hanno a disposizione diverse scelte quando si tratta di connettività wireless in applicazioni che vanno dai dispositivi di interfaccia uomo-macchina (HID) ai sensori remoti per Internet delle cose (IoT). Una delle decisioni più importanti da prendere, con la quale si scontrano ancora molti progettisti, è se scegliere un'interfaccia RF basata su standard come Wi-Fi, Bluetooth o ZigBee, oppure un progetto e un protocollo RF proprietario di strato fisico (PHY).

Le ragioni per scegliere l'una rispetto all'altra soluzione sono molteplici, ma lo sono anche i relativi compromessi in termini di costi, sicurezza, consumo energetico, interoperabilità, tempi di progettazione, robustezza a fronte di interferenza, coesistenza, latenza e requisiti di certificazione. Molti di questi compromessi sono interconnessi, quindi i progettisti devono prima stabilire i requisiti di progettazione e poi ottimizzarli di conseguenza.

Questo articolo prende in esame i fattori da considerare nella scelta tra un'interfaccia Bluetooth standard e un protocollo RF proprietario. Verrà presentato un modulo Bluetooth 5, seguito da una soluzione su chip su cui può essere implementato un protocollo proprietario, con linee guida appropriate per ciascuno relativamente all'implementazione e attivazione rapide.

Vantaggi e svantaggi dell'RF proprietario

Un PHY e un protocollo proprietari sono preferibili se un progetto richiede ottimizzazione in termini di sicurezza, basso consumo, ingombro ridotto e prestazioni.

La sicurezza è fondamentale per molte applicazioni, dai dispositivi di apertura delle porte dei garage ai dispositivi IoT. Con le radio proprietarie, viene affrontata in vari modi. Per cominciare, i progetti proprietari garantiscono la "sicurezza tramite l'oscurità", in quanto un'interfaccia RF non molto nota è più difficile da hackerare. Le interfacce proprietarie tendono anche a essere punto-punto, o a operare in sistemi chiusi che non si connettono a reti più ampie, e quindi rimangono nascoste. Infine, i progettisti di interfacce proprietarie sono liberi di sviluppare i propri algoritmi di crittografia avanzati o di modificare quelli già esistenti, senza doversi preoccupare dell'interoperabilità con gli algoritmi di sicurezza di altri produttori. La diversità è in sé un vantaggio per la sicurezza.

I progetti di radio proprietari possono essere vantaggiosi quando si tratta di garantire una connessione robusta anche in presenza di interferenze provenienti da reti Wi-Fi, forni a microonde, telefoni cordless e altre reti wireless a bassa potenza. Senza essere vincolati da uno standard, i progettisti hanno la flessibilità di fare un uso migliore dello spettro utilizzando tecniche come la divisione di spettro in sequenza diretta (DSSS) e la divisione di spettro a salto di frequenza (FHSS). Inoltre, possono adottare il loro schema di codifica preferito in base al bilancio di collegamento previsto, per ottenere un throughput superiore o un minore consumo energetico.

Questa flessibilità si applica anche alla struttura dei pacchetti di dati. Senza il sovraccarico di pacchetti richiesto per garantire l'interoperabilità con dispositivi wireless basati su standard, la struttura dei pacchetti può essere snellita in funzione delle esigenze dell'applicazione.

Dal punto di vista della progettazione hardware, requisiti prestazionali ben recepiti e la garanzia che tali requisiti non cambieranno in una fase successiva, consentono ai progettisti di un'interfaccia RF proprietaria di ottimizzarla in termini di spazio, potenza e prestazioni. Possono farlo, ad esempio, includendo solo le funzioni necessarie per soddisfare le esigenze dell'applicazione.

Anche se l'RF proprietaria ha molti vantaggi, occorre tener conto di diversi altri fattori. Il primo è il costo: per giustificare i costi NRE (Non-Recurring Engineering) di un progetto di CI RF personalizzato e del relativo software, soprattutto per dispositivi a basso costo, il volume dovrebbe essere >100.000.

Strettamente legato ai costi vi è il tempo di progettazione, soprattutto a causa degli imprevisti della progettazione RF e la risaputa scarsa competenza in RF, così come il tempo necessario per sviluppare il firmware e il software richiesto per una progettazione di successo.

Bluetooth è ampiamente diffuso, ma anche in costante adattamento

All'altro estremo c'è Bluetooth. Originariamente progettato come una semplice tecnologia punto-punto in sostituzione del cavo per HID e altri dispositivi che creavano complicazioni agli utenti, è diventato ben presto una soluzione di connettività wireless audio e da dispositivo a dispositivo. Grazie al rigido controllo da parte del Bluetooth Special Interest Group (SIG), Bluetooth non ha segreti e i progettisti possono essere certi che i loro dispositivi si connetteranno e saranno interoperabili con altri dispositivi Bluetooth, indipendentemente dalla sorgente hardware.

L'adozione su vasta scala e l'interoperabilità dei dispositivi ha portato al proliferare di hardware e software, con una conseguente riduzione dei costi e dei tempi di commercializzazione di progetti che richiedono un'interfaccia wireless. Inoltre, nel corso degli anni Bluetooth si è evoluto.

Ha sempre operato nella banda ISM (Industrial, Scientific, Medical) dei 2,4 GHz, a partire dalla modulazione GFSK delle sue 79 portanti da 1 MHz, con una velocità di trasmissione di 1 Mbit/s. Questa è detta velocità di base Bluetooth (BR, Basic Rate). Il suo schema di codifica adattiva FHSS gli permette di conservare la robustezza verso le interferenze, anche se IoT coinvolge più dispositivi connessi in modalità wireless. Per ottenere velocità di trasmissione dati superiori, Bluetooth 2.0+Enhanced Data Rate (EDR) usa le efficienti modulazioni π/4-DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying) e 8DPSK per ottenere rispettivamente velocità di 2 e 3 Mbit/s.

Anche se Bluetooth è controllato rigorosamente da SIG, i progettisti devono studiare attentamente i cambiamenti sopraggiunti con l'introduzione della specifica Core Bluetooth 4.0 nel 2010. L'evoluzione ha portato a Bluetooth Low Energy (BLE), conosciuto in precedenza come Bluetooth Smart. BLE non è retrocompatibile con Bluetooth Classic, quindi i progettisti devono prestare molta attenzione.

L'obiettivo principale di BLE è il basso consumo. Tale risultato si ottiene passando dall'approccio orientato alla connessione di Bluetooth Classic, in cui i dispositivi sono sempre connessi, a un approccio non connesso, la connessione si attiva per brevi intervalli solo quando ne hanno bisogno. Le applicazioni sono i dispositivi indossabili come gli smart watch e i sensori intelligenti per IoT.

Bluetooth SIG ha continuato a migliorare le specifiche per soddisfare le varie esigenze dei suoi membri e delle loro applicazioni. Per maggiori informazioni su come si è evoluto, vedere "SoC e strumenti Bluetooth Low Energy compatibili con Bluetooth® 4.1, 4.2 e 5 pronti ad affrontare le sfide IoT (Parte 1)".

L'ultima versione, Bluetooth 5, raddoppia la velocità dei dati rispetto a BLE portandola da 1 a 2 Mbit/s e aumenta l'intervallo di una connessione a 128 kbit/s di 4x fino a 50 m utilizzando una rilevazione e correzione degli errori a valle (FEC). La maggiore velocità dati consente di trasmettere più pacchetti per una determinata finestra di tempo, in modo da ridurre il consumo energetico dato che il dispositivo può rimanere in modalità basso consumo o inattivo per periodi prolungati.

Il maggiore intervallo offre ai progettisti più flessibilità di compromesso tra velocità dati e distanza per qualsiasi dispositivo Bluetooth, compresi i radiofari. I radiofari sono dispositivi BLE alimentati a batteria che trasmettono il loro identificativo ai dispositivi mobili vicini in modo che possano eseguire determinate azioni quando sono vicini al radiofaro. Molto diffusi nel settore della pubblicità, consentono anche una tracciatura precisa in interni ed esterni.

Tuttavia, SIG ha introdotto un altro miglioramento interessante che anche i progettisti di interfacce RF proprietarie possono implementare: hanno abbassato il rapporto "sovraccarico a carico utile", richiedendo meno trasmissioni per inviare una determinata quantità di dati "reali", allo scopo di ridurre ulteriormente il consumo energetico.

Quella che era partita come una semplice tecnologia per rimpiazzare i cavi si è trasformata in qualcosa di molto più utile. Di conseguenza, i progettisti sono ora più propensi a cercare una soluzione Bluetooth facile e veloce piuttosto che affrontare i costi e le spese di progettazione della propria interfaccia RF.

Implementare Bluetooth

Questa tendenza a scegliere un'interfaccia Bluetooth si sta trasformando in una necessità, dato che il time-to-market si restringe e anche i budget di progettazione si riducono. Fortunatamente, per molti progetti c'è abbastanza spazio per ospitare un modulo Bluetooth pronto all'uso, e questo permetterà ai team di progettazione di concentrarsi sulle loro applicazioni finali e sulla differenziazione.

Uno di questi moduli è BMD-330 Bluetooth 5 di Rigado (Figura 1). Anche se esistono molti moduli per Bluetooth, questo è particolarmente interessante e utile in quanto ha un'antenna integrata sulla scheda. L'accoppiamento e il posizionamento dell'antenna è una delle arti più raffinate della progettazione RF, quindi liberare il progettista da questo compito consente di risparmiare tempo e contribuisce a garantire un accoppiamento ottimale del segnale.

Figura 1: Il modulo BMD-330 Bluetooth 5 è dotato di antenna e di circuiti accoppiati per semplificare e accelerare l'implementazione. (Immagine per gentile concessione di Rigado)

Il modulo è una soluzione completa con approvazioni normative, un proprio convertitore c.c./c.c. integrato, controllo intelligente dell'alimentazione; misura 9,8 x 14,0 x 1,9 mm. Anche se l'antenna è inclusa, ha bisogno di un piano di massa idoneo per irradiare in modo efficace. Inoltre, l'area che si estende dalla sezione antenna del modulo deve essere tenuta libera da rame e altri metalli e il modulo stesso deve essere posizionato sul bordo della scheda, con l'antenna rivolta verso l'esterno.

Quando si monta il modulo in un involucro, assicurarsi che vicino all'antenna non vi sia metallo, per evitare il degrado delle prestazioni. Poiché è stato progettato e messo a punto per il funzionamento in aria libera, la sigillatura, la resina epossidica, il sovrastampaggio o la tropicalizzazione possono incidere sulle prestazioni, richiedendo ulteriori misurazioni dopo l'applicazione per garantire che il bilancio di collegamento sia conforme alle specifiche.

Il modulo è basato su un system-on-chip (SoC) nRF52810 di Nordic Semiconductor (Figura 2). Si avvale di una CPU Arm® Cortex®-M4 con clock a 64 MHz, ha 192 kbyte di flash e 24 kbyte di RAM.

Figura 2: Il modulo BMD-330 è costruito attorno al SoC nRF52810 di Nordic Semiconductor, che include una CPU Arm® Cortex®-M4 e una radio a 2,4 GHz. (Immagine per gentile concessione di Rigado)

Lo spazio della flash non è molto, quindi Rigado non ha fornito alcun firmware di fabbrica nel modulo. Non essendoci bootloader, qualsiasi firmware deve essere caricato usando l'interfaccia SWD (Serial Wire Debug). Una volta fatto ciò, tuttavia, Nordic fornisce un'ampia gamma di stack di protocollo chiamati SoftDevices. Si tratta di file binari pre-compilati, pre-collegati scaricabili dal sito Web di Nordic. BMD-330 con il SoC nRF52810 supporta il SoftDevice S132 (BLE Central e Peripheral) e il SoftDevice S112 (BLE Peripheral) ottimizzato in termini di memoria.

Le specifiche chiave per il modulo BMD-330 includono una potenza di trasmissione di +4 dBm e una sensibilità del ricevitore di -96 dBm (modalità BLE). Funziona con un'alimentazione di 3 V e assorbe 7,0 mA a +4 dBm e 4,6 mA a 0 dBm in modalità di trasmissione. In modalità di ricezione, assorbe 4,6 mA a 1 Mbit/s e 5,8 mA a 2 Mbit/s. Sia le specifiche di trasmissione che quelle di ricezione presuppongono che il convertitore c.c./c.c. sia abilitato: la corrente aumenta quando è disabilitato.

Soluzione proprietaria e Bluetooth a confronto

Tra una progettazione radio proprietaria interamente personalizzata e Bluetooth standard, c'è un'altra opzione: un transceiver radio pronto all'uso attorno al quale i progettisti possono sviluppare il proprio protocollo e i propri schemi di codifica o adottare versioni pronte quali Ant, Thread o ZigBee. Considerata la tendenza al ribasso del costo dei componenti e la vasta gamma di supporto software, questa può essere un'ottima soluzione per i progettisti che cercano la differenziazione, un po' di libertà per l'ottimizzazione e la possibilità di migliorare la sicurezza, mantenendo al contempo i costi al minimo senza influire sui tempi di progettazione.

Una buona opzione per i progettisti interessati a questo percorso viene offerta da Silicon Labs con il SoC della famiglia a protocollo proprietario Flex Gecko EFR32FG14 (Figura 3).

Figura 3: Flex Gecko EFR32FG14 di Silicon Labs offre una solida piattaforma hardware attorno alla quale poter aggiungere o sviluppare software proprietario. (Immagine per gentile concessione di Silicon Labs)

Analogamente a BMD-330, anche EFR32FG14 usa un core Arm® Cortex®-M4, ma a una velocità massima di 40 MHz invece di 64 MHz, in quanto il chip è previsto soprattutto per applicazioni IoT a basso consumo. La dotazione prevede una flash fino a 256 kbyte e 32 kbyte di RAM. Tenere presente che il chip può operare sia a 2,4 GHz che in sub-GHz (915 MHz) e vengono fornite guide all'accoppiamento della rete di antenne. Il chip include anche il supporto per la diversità di antenna, per ridurre gli effetti della distorsione in frequenza.

Sono inoltre integrate numerose funzioni flessibili di I/O e sicurezza, tra cui: un Peripheral Reflex System a 12 canali che consente l'interazione autonoma delle periferiche MCU; fino a 32 GPIO; oltre a un acceleratore crittografico hardware autonomo e un generare di numeri casuali reali. Nel chip è integrato anche l'amplificatore di potenza per il funzionamento sia a 2,4 che sub-GHz.

Per agevolare il processo di sviluppo, Silicon Labs offre la scheda SLWRB4250A per la linea EFR32FG (Figura 4). Include il SoC, basette, cristalli e circuiti di accoppiamento delle antenne, oltre al software.

Figura 4: La scheda radio SLWRB4250A Flex Gecko offre l'hardware necessario per sperimentare un'interfaccia wireless proprietaria a basso consumo. (Immagine per gentile concessione di Silicon Labs)

Conclusione

Ci sono molte ragioni tanto a favore della progettazione RF interamente proprietaria che di una radio Bluetooth standard. Ciascuna soluzione ha una ragione d'essere quando si tratta di soddisfare i requisiti applicativi e di progettazione in termini di costi, tempi, prestazioni, dimensioni, sicurezza e molti altri fattori. Tuttavia, per i progettisti che desiderano molti dei vantaggi in termini di risparmi sui costi e sul tempo offerti da componenti di serie, nonché la flessibilità di aggiungere un certo livello di differenziazione proprietaria, i fornitori stanno ora fornendo anche solide piattaforme hardware da usare come base.