Wykorzystanie zaawansowanych układów SoC Bluetooth 5.2 do budowy bezpiecznych urządzeń IoT o niskiej mocy

Łączność Bluetooth i niskie zużycie energii to kluczowe wymagania w projektach z zasilaniem bateryjnym stanowiących bazę wytwarzanych masowo produktów wykorzystywanych do Internetu rzeczy (IoT), urządzeń ubieralnych, inteligentnych domów i aplikacji automatyki budynków. W trakcie tworzenia takich projektów deweloperzy starają się znaleźć tanie urządzenia Bluetooth SoC, które są w stanie zapewnić wysoką wydajność przy ograniczonym budżecie. Bardzo często jednak deweloperzy zmuszeni są wybrać mniej wydajne komponenty, a nawet zrezygnować z coraz ważniejszych aspektów, takich jak bezpieczeństwo, aby spełnić wymagania dotyczące tanich rozwiązań projektowych o niskiej mocy.

W celu ograniczenia koniecznych kompromisów, w specyfikacji Bluetooth 5.2 wprowadzono funkcje oszczędzania energii, takie jak LE Power Control, przesyłanie danych PAST, a także zaawansowaną, sieć mesh o niskiej mocy, z funkcjami śledzenia lokalizacji. Wymagany jest do tego jeden zintegrowany układ scalony, który obsługuje te funkcje i który jest obsługiwany przez powiązane zestawy rozwojowe i oprogramowanie, pozwalające deweloperom szybko i sprawnie wdrożyć energooszczędne rozwiązania Bluetooth 5.2.

W tym artykule pokazano, jak oferta urządzeń Bluetooth Low-Energy 5.2 SoC EFR32BG22 firmy Silicon Labs może spełnić szereg wymagań dotyczących zasilania i wydajności w produktach z zasilaniem bateryjnym. Korzystając z serii urządzeń SoC EFR32BG22 i powiązanego z nią ekosystemu rozwojowego, deweloperzy mogą budować urządzenia IoT i inne produkty z zasilaniem bateryjnym zdolne do długotrwałej pracy przez ponad pięć lat na jednej baterii pastylkowej CR2032 lub ponad 10 lat na baterii CR2354.

Optymalizacja mocy dzięki zaawansowanym funkcjom BLE

W każdej wymianie danych za pośrednictwem Bluetooth, transakcji sieci mesh lub operacji usługi lokalizacyjnej kluczowe znaczenie dla osiągnięcia dobrego stosunku sygnału do szumu (SNR) ma wybór ustawienia mocy nadajnika. Jeśli moc nadajnika jest zbyt niska, obniżony współczynnik SNR może prowadzić do zwiększenia częstości błędów. Jeśli moc jest zbyt wysoka, nadajnik nie tylko marnuje energię, ale jego silny sygnał może prowadzić do usterek komunikacji poprzez zwiększenie zakłóceń w sieciach wielowęzłowych lub innych, zlokalizowanych w pobliżu odbiorników.

• Zarządzanie mocą: wprowadzenie funkcji LE Power Control w Bluetooth 5.2 rozwiązuje te problemy za pomocą protokołu, który umożliwia urządzeniom BLE interakcję z odbiornikami w celu uzyskania optymalnego ustawienia mocy nadajnika. Dzięki temu odbiornik może użyć protokołu LE Power Control, by zażądać od kompatybilnego nadajnika zmiany poziomu mocy nadawania w celu poprawy współczynnika SNR odbiornika. Podobnie nadajnik może wykorzystywać dane LE Power Control, by w razie konieczności obniżyć moc nadajnika do poziomu odpowiedniego dla odbiornika. Wówczas nadajnik może wykorzystywać wskaźnik siły odbieranego sygnału (RSSI) wysyłany przez odbiornik w celu niezależnego dostrojenia mocy wyjściowej nadajnika.

W niektórych zastosowaniach deweloperzy nie muszą się tak bardzo martwić optymalizacją mocy nadajnika, natomiast ważniejszą kwestią jest zapewnienie, że ich urządzenie ma wystarczającą moc, aby wysłać sygnał do odległego hosta lub koncentratora komunikacyjnego. Potrzeba zapewnienia skutecznej łączności bezprzewodowej na dużych odległościach nigdy nie szła w parze z niskim poborem energii i bezpieczeństwem, szczególnie w przypadku projektów o ograniczonych zasobach, stanowiących bazę urządzeń z zasilaniem bateryjnym.

• Sieci kratowe: potrzebę wykorzystania nadajnika o wysokiej mocy w celu łączności z odległymi hostami można wyeliminować dzięki kratowej sieci BLE. W tym rozwiązaniu urządzenia bateryjne łączą się za pomocą komunikacji o niższej mocy z pobliskimi węzłami z zasilaniem liniowym. Ponieważ dane są przekazywane między węzłami, urządzenie o niskiej mocy może komunikować się na większą odległość, co byłoby niewykonalne nawet przy maksymalnej mocy nadajnika i czułości odbiornika. W zastosowaniach takich jak automatyka domowa lub budynkowa deweloperzy mogą korzystać z funkcji transmisji Bluetooth w taki sposób, aby wiele urządzeń reagowało na jedno polecenie zmiany poziomu oświetlenia danego obszaru. Za pomocą Bluetooth Low Energy te protokoły sieci mesh mogą pomóc w zaspokojeniu sprzecznych wymagań dotyczących większego zakresu działania i niskiej mocy.
• Usługi lokalizacyjne: usługi lokalizacyjne Bluetooth wiążą się z wyzwaniami wydajnej komunikacji radiowej oraz potrzebą efektywnego przetwarzania sygnałów. Dostępność funkcji radiolokacyjnych w Bluetooth pozwala deweloperom wdrożyć systemy lokalizacji w czasie rzeczywistym (RTLS) w celu śledzenia zasobów lub systemy pozycjonowania wewnętrznego (IPS) wykorzystywane do nawigacji w budynkach. Dzięki wprowadzeniu obsługi kąta nadejścia sygnału (AoA), jak i kąta wyjścia (AoD) w Bluetooth 5.1, urządzenia RTLS i IPS mogą osiągnąć poziom dokładności pozycji wyższy niż dostępny we wcześniejszych metodach opartych na RSSI.

Metody AoA i AoD zasadniczo zapewniają uzupełniające się możliwości. Odbiorniki wieloantenowe mogą wykorzystywać obliczenia AoA do śledzenia położenia ruchomego zasobu, który nadaje sygnał lokalizacyjny z pojedynczej anteny. I odwrotnie, nadajniki wieloantenowe mogą umożliwić na przykład urządzeniom ubieralnym wykorzystanie obliczeń AoD w celu ustalenia jego położenia (ilustracja 1).

Ilustracja 1: Metoda AoA Bluetooth pozwala odbiornikowi na użycie zestawu anten w celu ustalenia pozycji nadajnika, natomiast metoda AoD pozwala na przykład przenośnemu urządzeniu na ustalenie własnej pozycji względem anteny. (Źródło ilustracji: © Bluetooth SIG)

W każdej z metod odbiorniki AoA lub urządzenia AoD wykorzystują przetwarzanie sygnału kwadraturowego w celu określenia przesunięcia fazowego związanego odpowiednio z sygnałem odbieranym lub nadawanym przez układ wieloantenowy. Z kolei wymagania dotyczące urządzeń różnią się w zależności od zasobu śledzonego metodą AoA lub urządzenia określającego jego lokalizację metodą AoD. Śledzony zasób wymaga najniższego możliwego zużycia energii, aby zapewnić dłuższy czas pracy baterii podczas transmisji. Z kolei urządzenie do wyszukiwania lokalizacji wymaga mocy obliczeniowej wystarczającej do obsługi obliczeń przesunięcia fazowego z wykorzystaniem przesłanych czynników fazy (I) i kwadratury (Q) związanych z wymaganym próbkowaniem IQ w celu ustalenia dokładnych informacji o pozycji podczas ruchu.