Conexión al Internet de las cosas con Bluetooth Smart

Los últimos protocolos de comunicación inalámbrica de bajo consumo en la especificación de Bluetooth 4.0 están impulsados por un mercado totalmente nuevo de sistemas portátiles y alimentados a batería. Los diseñadores están buscando constantemente integrar esta conectividad a las nuevas líneas de productos y a las existentes para liberar el poder de la Internet de las cosas y los servicios en la nube. No obstante, agregar una conexión inalámbrica a un producto puede ser desafiante, especialmente para productos que se enviarán alrededor del mundo y necesitan certificación global. El diseño de dichos sistemas puede representar un gran dolor de cabeza para los ingenieros, ya que le quitarán tiempo para desarrollar las funciones básicas del sistema.

Bluetooth se ha convertido en una tecnología de comunicación clave como resultado de su lugar en los teléfonos inteligentes y tabletas. Gracias a la amplia disponibilidad de teléfonos con Bluetooth Smart, los desarrolladores no necesitan preocuparse en crear gateways independientes que pueden ser requeridas para otras conexiones inalámbricas de IoT. En cambio, una aplicación que se ejecute en un teléfono inteligente se puede utilizar para que proporcione una interfaz, ya sea para un monitor de frecuencia cardíaca, juguete o control remoto. Esta conexión de Bluetooth también pone a Internet y a los servicios en la nube a disposición de los desarrolladores, permitiéndoles que los datos se recolecten y compilen automáticamente, por lo que se ofrece mucho más potencia informática que está disponible en el diseño objetivo o incluso en el teléfono inteligente.

Si bien esto fue posible en el pasado, la nueva especificación de Bluetooth de baja energía (BLE) que es parte de Bluetooth 4.0 permite que esta conexión sea mucho más simple de implementarse en el nodo de IoT. Al reducir el consumo de energía, se reduce la carga en la batería en el nodo y extiende la vida útil en el equipo final a meses o incluso años. Esto ha sido un impulsor clave en la adopción de la nueva especificación, especialmente en el mercado integrado.

¿Qué tiene de inteligente Bluetooth Smart?

Para logar un menor consumo de energía, Bluetooth Smart utiliza las mismas frecuencias de banda ISM de 2.4 GHz que el Classic Bluetooth, pero adopta paquetes de datos más pequeños, una tasa de bits de enlace de 1 Mbit/s y un rendimiento de la aplicación de 100 kbit/s utilizando canales de 2 MHz. Por este motivo, son ideales para aplicaciones de IoT en vez de la transmisión de archivos grandes. Sin embargo, una tasa de bits más baja para aplicaciones se compensa al reducir la latencia a 3 ms de 100 ms del Classic Bluetooth para establecer conexiones de manera más rápida, permitiendo más aplicaciones de monitoreo, una respuesta más rápida a consultas y un ciclo de trabajo más bajo para reducir la potencia. La potencia de transmisión máxima se reduce a 10 mW, que es más que suficiente para aplicaciones de corto alcance. Todo esto se tiene en cuenta con el diseño del front end de la antena para un módulo Bluetooth, que coincida con los requisitos de rendimiento de Bluetooth Smart con los de la aplicación.

Aplicaciones para Bluetooth Smart

Bluetooth Smart se utiliza cada vez más para aplicaciones como monitores portátiles de presión arterial o frecuencia cardíaca que se controlan a través de un teléfono inteligente y recolectan datos en un periodo de tiempo. Se puede utilizar en controles remotos, ciclado de computadoras, máquinas para pesar o una amplio rango de sensores deportivos y de bienestar. Las oportunidades solo se limitan a la imaginación del desarrollador, ya que todo está permitido a través de la interfaz omnipresente del teléfono inteligente y tableta y la conexión de datos a la nube.

Independientemente de la aplicación y al poder utilizarse una batería para alimentar una conexión inalámbrica durante meses o incluso años, más equipos se pueden conectar fácilmente a la red más amplia. Los diseñadores de productos pueden implementar Bluetooth Smart utilizando componentes discretos, SoC, cristal, filtro, antena y más. Sin embargo, la adopción de módulos listos para usar puede resultar una solución más rentable, especialmente en aplicaciones de volumen bajo a mediano. Los módulos reducen los esfuerzos de diseño y el tiempo de comercialización, especialmente cuando son compatibles con Bluetooth y están certificados por las autoridades regulatorias de radio relevantes en los países donde se utilizan.

¿Qué hace que un diseño de módulo Bluetooth Smart sea bueno para IoT?

Un buen módulo Bluetooth SMART para IoT debe ofrecer flexibilidad de diseño y una comercialización rápida, ya se para aplicaciones de consumo, de salud u otras aplicaciones. Por ejemplo, el hardware EYSFCNZXX de Taiyo Yuden se pueden agregar fácilmente a un diseño, al conectarlo a través de UART al controlador host existente.


Figura 1: el sistema en chip Bluetooth Smart nRF51822 de Nordic Semiconductor se encuentra en el corazón del módulo EYSFCNXX de Taiyo Yuden.

Al combinar el último sistema en chip con Bluetooth Smart nRF51822 de Nordic Semiconductor (Figura 1) con una antena de cerámica optimizada en un módulo calificado para Bluetooth, un diseñador podrá lanzarse a la función de Bluetooth Smart con confianza. El módulo mide 9.6 x 12.9 x 2 mm (consulte la Figura 2) y se puede integrar en un rango amplio de equipamientos. Los desarrolladores pueden aprovechar el software de Nordic Semiconductor, entre ellos los perfiles calificados para Bluetooth y aplicaciones de demostración. Las aplicaciones de demostración incluyen el servicio UART, los sensores de temperatura, etiquetas de proximidad, balizas y un monitor de frecuencia cardíaca.

El módulo incluye una antena de cerámica y un filtro en la implementación de la radio front-end y tiene aprobación para radio en EE. UU. (FCC), Canadá (IC RSS) y Japón (MIC), otra función que reduce el tiempo de comercialización del producto final.

Tiempo para comparar


Figura 2: El módulo Bluetooth Smart EYSFCNXX de Taiyo Yuden se puede agregar fácil y rápidamente a un diseño para que los ingenieros se puedan centrar en la diferenciación del núcleo.

Para una IoT nueva o diseños de consumo, se puede usar un núcleo ARM Cortex-M0 de 32 bits en el nRF51822 como el microcontrolador host. Si bien tiene que ejecutar la pila del protocolo BLE, tiene potencia de procesamiento adicional y memoria restante en la Flash de 256 KB y RAM de 16 KB para ejecutar aplicaciones de host más pequeñas también.

Esto es posible gracias a la interfaz del módulo. El módulo EYSFCNZXX ofrece acceso a 29 pines de E/S, algunos de los cuales se pueden configurar como interfaces SPI, I²C o UART o como conexiones al convertidor de analógico a digital de 6 canales y de 8/9/10 bits para que dichos sensores se puedan conectar directamente al módulo. De esta manera se puede eliminar la necesidad de un microcontrolador externo y una memoria en un diseño simple, ahorrando costos y tamaño y permitiendo que el producto ocupe su propio nicho en el mercado objetivo. Esta capacidad para tener el control total del SoC en el corazón del módulo ofrece a los desarrolladores una ventaja clave en el diseño del sistema general.

En resumen

Una nueva generación completa de equipos domésticos conectados e inalámbricos se han configurado para que aprovechen la tecnología Bluetooth Smart. Con Bluetooth de baja energía 4.0 admitido en teléfonos inteligentes y tabletas para un amplio rango de aplicaciones nuevas, los diseñadores pueden agregar fácilmente funciones nuevas y existentes a un rango amplio de productos que se conectan al Internet de las Cosas.