Come semplificare la connettività Bluetooth Low Energy con minuscoli moduli drop-in

Bluetooth (BT) e il suo potenziamento Bluetooth Low Energy (BLE) sono ormai tecnologie chiave per la comunicazione che consentono ai dispositivi per Internet delle cose (IoT) di connettersi e trasferire dati in modalità wireless, da testi e audio a video in streaming.

Tuttavia, la progettazione, l'implementazione e la certificazione di un nodo BT completo richiedono competenze su funzioni analogiche e digitali in banda base, elaborazione embedded guidata dal firmware e nella progettazione a radiofrequenza (RF) dell'amplificatore front-end a basso rumore del ricevitore e dell'amplificatore di potenza del trasmettitore.

Queste funzioni devono essere supportate anche da un'efficace gestione dell'alimentazione. Inoltre, ogni nodo BT deve soddisfare un elenco completo di obiettivi relativi alle prestazioni, nonché i requisiti normativi relativi alle interferenze RF (RFI) e alle interferenze elettromagnetiche (EMI). Tali requisiti possono complicare la progettazione e rallentare la distribuzione dei dispositivi.

Questo articolo fornisce una breve panoramica di BLE e della sua idoneità per i dispositivi IoT a basso consumo. Presenta quindi i moduli BLE pronti all'uso di Ezurio e mostra come possono contribuire ad accelerare lo sviluppo di nodi IoT abilitati a BLE.

Da Bluetooth a BLE

Bluetooth è uno standard globale aperto per il trasferimento wireless di dati e voce, che consente la connettività wireless a basso costo e a corto raggio tra vari dispositivi elettronici. Operando nella banda ISM (Industrial, Scientific, Medical) a 2,4 GHz, le applicazioni comprendono la trasmissione su distanze limitate di immagini audio e testo, lo streaming video, l'accoppiamento tra smartphone e auricolari e le connessioni IoT a bassa energia.

La specifica Bluetooth 1.0 prevedeva un raggio d'azione di 10 m (per i dispositivi di Classe 2), una semplice rete peer-to-peer e una velocità di trasmissione dati di 732,2 kbps. I primi prodotti sono stati introdotti nel 2000. I miglioramenti apportati con le versioni 2.0 (2004) e 3.0 (2009) hanno aumentato le velocità dati rispettivamente a 3 e 24 Mbps.

Tuttavia, i requisiti di potenza del collegamento BT originale erano troppo elevati per molte applicazioni target. Nel 2010 è stata adottata la versione 4.0 (BLE) e le versioni precedenti sono state rinominate informalmente Bluetooth Classic (Figura 1). BLE ha ridotto la potenza del 90% circa utilizzando una modalità di inattività a bassissimo consumo basata su uno stack di protocollo ottimizzato a bassa larghezza di banda, pensato per i dispositivi IoT. Questa modalità inattiva consente ai sensori IoT, ai radiofari di localizzazione, ai nodi domotici, ai dispositivi medici e ai fitness tracker di funzionare per anni con una piccola batteria a bottone.

Figura 1: Confronto sintetico tra Bluetooth Classic (versioni da 1.0 a 3.0) e BLE (versioni da 4.0 a 6.0). (Immagine per gentile concessione di MOKOSmart)

Ogni versione di BT consente ai progettisti di scegliere e bilanciare i compromessi in termini di distanza, velocità dati e potenza. La più recente versione di BLE è 6.0 (2024) e supporta velocità dati massime comprese tra 1 Mbps e 2 Mbps in modalità a basso consumo, portata estesa e topologie peer-to-peer, stella, trasmissione e maglia.

I moduli BLE semplificano la progettazione

Sebbene BT sia una tecnologia versatile e adatta a collegamenti wireless a corto raggio e a bassa potenza, la sua effettiva implementazione richiede una miscela di più componenti e tecnologie, tra cui processore, memoria, front-end RF analogico, amplificatore di potenza RF e antenna. Inoltre, richiede un protocollo e uno stack data-link guidato dal software. La selezione e la progettazione di questi elementi può essere impegnativa.

Per semplificare la progettazione di dispositivi abilitati BLE, Ezurio ha integrato gli elementi necessari nei moduli BLE BL54L15 (Figura 2). Il cuore di questi moduli è il System-on-Chip (SoC) nRF54L15 di Nordic Semiconductor.

Figura 2: La famiglia di moduli BLE BL54L15 comprende soluzioni complete e altamente integrate con tutte le funzioni necessarie per l'implementazione wireless. (Immagine per gentile concessione di Ezurio)

Le caratteristiche principali di questi moduli includono:

• Elaborazione dual core basata su un processore ARM Cortex-M33 da 128 MHz e un coprocessore RISC-V da 128 MHz
• Ampia capacità di memoria comprendente 1,5 MB di memoria non volatile (NVM) e 256 kB di memoria ad accesso casuale (RAM)
• Sicurezza potenziata

Questi moduli forniscono un supporto sicuro e robusto per BLE e 802.15.4, che offre capacità di programmazione flessibili attraverso il kit di sviluppo software nRFConnect (SDK) di Nordic, il sistema operativo in tempo reale (RTOS) Zephyr e la suite software Canvas di Ezurio. Canvas abilita le funzionalità di scripting MicroPython, semplificando e accelerando lo sviluppo delle applicazioni. La configurazione complessiva utilizza tutte le caratteristiche e le capacità hardware di nRF54L15.

I due moduli BL54L15 sono 453-00001R (Figura 3, a sinistra), dotato di un'antenna stampata su PCB pre-certificata, e 453-00044R (Figura 3, a destra) con un connettore MHF4 per supportare un'antenna esterna. Entrambi i moduli funzionano con un'alimentazione da 1,7 V_c.c. a 3,5 V_c.c. e sono alloggiati in un contenitore compatto di 14 × 10 × 1,6 mm.

Figura 3: Il modello 453-00001R (a sinistra) è dotato di un'antenna pre-certificata per scheda CS, mentre il modello 453-00044R (a destra) è dotato di un connettore MHF4 per supportare un'antenna esterna. (Immagine per gentile concessione di Ezurio)

La radio multiprotocollo dei moduli offre fino a 7 dBm di potenza di trasmissione (TX) (con incrementi di 1 dB) e una sensibilità di ricezione (RX) di -94 dBm per un throughput di 1 Mbps. L'hardware è stato progettato e certificato per un intervallo di temperature industriali compreso tra -40 °C e +105 °C.

Questi moduli sono inoltre dotati di un sistema di sicurezza allo stato dell'arte, che supporta avvio sicuro, aggiornamenti del firmware sicuri e storage sicuro. I sensori antimanomissione integrati rilevano gli attacchi fisici, mentre gli acceleratori crittografici sono protetti contro gli attacchi di canale laterale. Sono inoltre conformi a tutti gli standard internazionali e alle normative vigenti in materia di prestazioni BLE e di emissioni e suscettività a RFI/EMI.

Alloggiamento dell'antenna

L'antenna è un componente passivo fondamentale per il funzionamento dei moduli BL54L15. Alcuni progettisti preferiscono un'antenna a montaggio superficiale per motivi di prestazioni, posizionamento, dimensioni o costi, mentre altri preferiscono un'antenna stampata per scheda CS. Queste preferenze sono il motivo per cui Ezurio offre due moduli BL54L15; tuttavia, i progettisti devono procedere con cautela.

Ad esempio, le prestazioni dell'antenna stampata integrata sulla PCB 453-00001R sono sensibili alla topologia della PCB host. È fondamentale posizionare 453-00001R sul bordo della PCB host per consentire all'antenna di irradiare correttamente (Figura 4). Quest'area proibita è larga circa 5 mm e lunga 28,6 mm, con un'altezza del dielettrico della PCB (senza rame) di 1,57 mm sotto il modulo 453-00001R.

Figura 4: L'area proibita dell'antenna stampata sulla PCB (delineata in rosso) per il modulo 453-00001R è fondamentale per ottenere prestazioni ottimali. (Immagine per gentile concessione di Ezurio)

Ezurio offre alcuni suggerimenti importanti per l'utilizzo di questa antenna integrata con involucri in plastica o in metallo:

• Per evitare di compromettere seriamente la sintonizzazione dell'antenna, la distanza minima di sicurezza per i metalli è di 40 mm dall'alto e dal basso e di 30 mm da sinistra e da destra.
• Il metallo vicino all'antenna monopolo stampata su PCB (in qualsiasi direzione) peggiora le prestazioni dell'antenna. L'entità del deterioramento dipende esclusivamente dal sistema; i progettisti dovranno eseguire i test con la propria applicazione host.
• Qualsiasi metallo più vicino di 20 mm all'area proibita inizierà a deteriorare significativamente le prestazioni (S11, guadagno, efficienza di irradiazione).
• Testate la portata con un prototipo del prodotto per valutare gli effetti dell'altezza e del materiale dell'involucro (metallo o plastica), nonché la messa a terra della PCB host.

In alternativa a 453-00001R, i progettisti possono scegliere il modulo 453-00044R BL54L15 con il connettore microcoassiale MHF4. Un'opzione adeguata per l'antenna esterna è EMF2449A1-10MH4L a montaggio superficiale (Figura 5, a sinistra) (36 × 12 × 0,1 mm), che presenta una scheda CS flessibile per alloggiamenti curvi e con vincoli di spazio. Un'altra opzione di antenna è EBL2400A1-10MH4L (Figura 5, a destra) (44,45 mm × 12,7 mm × 0,81 mm). Questa antenna incorpora un piano di massa nella struttura del risonatore, eliminando la necessità di un piano di massa aggiuntivo per irradiare in modo efficiente.

Figura 5: Tra le opzioni di antenna disponibili per il modulo 453-00044R vi sono l'antenna per scheda CS flessibile EMF2449A1-10MH4L (a sinistra) e l'antenna EBL2400A1-10MH4L con piano di massa integrato (a destra). (Immagine per gentile concessione di Ezurio)

Oltre alla connettività BLE, la serie BL54L15 supporta Zigbee e NFC-A Tag.

Schede di valutazione e supporto software

Per accelerare il ciclo di sviluppo completo del prodotto, Ezurio offre due schede di valutazione. Si tratta di 453-00001-K1 (Figura 6) per il modello 453-00001R con antenna stampata integrata su scheda CS e di 453-00044-K1 per il modello 453-00044R con antenna a montaggio superficiale.

Figura 6: La scheda di sviluppo 453-00001-K1 per il modulo BLE 453-00001R. (Immagine per gentile concessione di Ezurio)

Conclusione

BLE è ormai uno standard e un protocollo wireless fondamentale per le connessioni a corto raggio e a basso consumo. Ezurio offre ai progettisti moduli BLE compatti, schede di valutazione e software per integrare BLE nei prodotti finali in modo rapido ed efficace.