Cómo simplificar la conectividad Bluetooth de baja energía utilizando módulos drop-in diminutos

Bluetooth (BT) y su mejora Bluetooth Low Energy (BLE) se han convertido en tecnologías clave para la comunicación. Permiten que los dispositivos del Internet de las cosas (IoT) se conecten y transfieran datos de forma inalámbrica, desde texto y audio hasta video en streaming.

Sin embargo, el diseño, la implementación y la certificación de un nodo BT completo requieren experiencia en funciones analógicas y digitales de banda base, procesamiento integrado basado en firmware y diseño de radiofrecuencia (RF) tanto del amplificador frontal de bajo ruido del receptor como del amplificador de potencia del transmisor.

Estas funciones también deben estar respaldadas por una gestión eficaz de la energía. Además, cada nodo BT debe cumplir una amplia lista de objetivos relacionados con el rendimiento, así como los requisitos normativos relativos a las interferencias de radiofrecuencia (RFI) y electromagnéticas (EMI). Estos mandatos pueden complicar el diseño y ralentizar el despliegue de los dispositivos.

Este artículo ofrece una breve resumen sobre BLE y su idoneidad para dispositivos IoT de bajo consumo. A continuación, presenta los módulos BLE listos para usar de Ezurio y muestra cómo pueden ayudar a acelerar el desarrollo de nodos IoT habilitados para BLE.

De Bluetooth a BLE

Bluetooth es una norma mundial abierta para la transferencia inalámbrica de datos y voz, que permite la conectividad inalámbrica de bajo costo y corto alcance entre diversos dispositivos electrónicos. Funciona en la banda industrial, científica y médica (ISM) de 2.4 GHz y sus aplicaciones incluyen la transmisión a distancia limitada de imágenes de audio y texto, la transmisión de video, el emparejamiento entre el teléfono inteligente y el auricular y las conexiones IoT de bajo consumo.

La especificación Bluetooth 1.0 exigía un alcance de 10 m (para los dispositivos de clase 2), una conexión en red sencilla entre iguales y una velocidad de transmisión de datos de 732,2 kilobits por segundo (kbits/s); los primeros productos se presentaron en 2000. Las mejoras de las versiones 2.0 (2004) y 3.0 (2009) aumentaron las velocidades de transmisión de datos a 3 y 24 megabits por segundo (Mbits/s), respectivamente.

Sin embargo, los requisitos de potencia del enlace BT original eran demasiado elevados para muchas de las aplicaciones objetivo. En 2010 se adoptó la versión 4.0 (BLE), y las versiones anteriores pasaron a denominarse informalmente Bluetooth Classic (Figura 1). BLE redujo la potencia en alrededor de 90% utilizando un modo de inactividad de muy bajo consumo basado en una pila de protocolos optimizada de bajo ancho de banda adaptada a los dispositivos IoT. Este modo inactivo permite que los sensores IoT, las balizas de localización, los nodos domésticos inteligentes, los dispositivos médicos y los rastreadores de fitness funcionen durante años con una minúscula pila de botón.

Figura 1: Se muestra una comparación resumida de Bluetooth Classic (versiones 1.0 a 3.0) y BLE (versiones 4.0 a 6.0). (Fuente de la imagen: MOKOSmart)

Cada versión de BT permite a los diseñadores elegir y equilibrar compensaciones en distancia, velocidad de transmisión de datos y potencia. La última versión de BLE es la 6.0 (2024), y admite velocidades máximas de transmisión de datos de entre 1 Mbits/s y 2 Mbits/s en modo de bajo consumo, alcance ampliado y topologías peer-to-peer, estrella, broadcast y malla.

Los módulos BLE simplifican el diseño

Aunque BT es una tecnología versátil y adecuada para enlaces inalámbricos de menor alcance y potencia, su aplicación real requiere una mezcla de múltiples componentes y tecnologías, que abarcan el procesador, la memoria, el front-end analógico de RF, el amplificador de potencia de RF y la antena. Además, existe un protocolo y una pila de enlace de datos controlados por software. La selección y el diseño de estos diversos elementos pueden suponer un reto.

Para simplificar el diseño de dispositivos con BLE, Ezurio integró los elementos necesarios en sus módulos BLE BL54L15 (Figura 2). En el núcleo de estos módulos se encuentra el sistema en chip (SoC) nRF54L15 de Nordic Semiconductor.

Figura 2: La familia BL54L15 de módulos BLE comprende soluciones completas y altamente integradas que incluyen todas las funciones necesarias para una implementación inalámbrica satisfactoria. (Fuente de la imagen: Ezurio)

Entre las características más destacadas de estos módulos se incluyen:

• Procesamiento de doble núcleo basado en un Arm Cortex-M33 de 128 megahercios (MHz) y un coprocesador RISC-V de 128 MHz
• Gran capacidad de memoria que comprende 1,5 megabytes (Mbytes) de memoria no volátil (NVM) y 256 kilobytes (Kbytes) de memoria de acceso aleatorio (RAM)
• Seguridad mejorada

Estos módulos proporcionan un soporte seguro y robusto para BLE y 802.15.4, que ofrece capacidades de programación flexibles a través del kit de desarrollo de software (SDK) nRFConnect de Nordic, el sistema operativo en tiempo real (RTOS) Zephyr y la suite de software Canvas de Ezurio. Canvas habilita las capacidades de scripting de MicroPython, simplificando y acelerando el desarrollo de aplicaciones. La configuración general utiliza todas las características y capacidades del hardware nRF54L15.

Los dos módulos BL54L15 son el 453-00001R (Figura 3, izquierda), que incorpora una antena de traza de circuito impreso (placa PC) precertificada, y el 453-00044R (Figura 3, derecha) con un conector MHF4 para soportar una antena externa. Ambos módulos funcionan con una alimentación de 1,7 V_CC a 3,5 V_CC, y cada uno de ellos está alojado en un paquete compacto de 14 mm × 10 mm × 1,6 mm.

Figura 3: El 453-00001R (izquierda) tiene una antena de traza precertificada en la placa de circuito impreso, mientras que el 453-00044R (derecha) tiene un conector MHF4 para soportar una antena externa. (Fuente de la imagen: Ezurio)

La radio multiprotocolo de los módulos ofrece una potencia de transmisión (TX) de hasta 7 decibelios referidos a 1 milivatio (dBm) (en pasos de 1 dB) y una sensibilidad de recepción (RX) de -94 dBm para un caudal de 1 Mbit/s. El hardware está diseñado y certificado para un rango de temperatura industrial de -40°C a +105°C.

Estos módulos también cuentan con la seguridad más avanzada, ya que son compatibles con el arranque seguro, la actualización segura del firmware y el almacenamiento seguro. Los sensores de manipulación integrados detectan los ataques físicos, mientras que los aceleradores criptográficos están reforzados contra los ataques de canal lateral. También cumplen todas las normas internacionales pertinentes y los mandatos reglamentarios en materia de rendimiento BLE y emisiones y susceptibilidad RFI/EMI.

Alojar una antena

La antena es un componente pasivo fundamental para el funcionamiento de los módulos BL54L15. Algunos diseñadores prefieren una antena de montaje en superficie por motivos de rendimiento, posicionamiento, tamaño del paquete o costo, mientras que otros prefieren una antena de traza de placa de circuito impreso. Estas preferencias son la razón por la que Ezurio ofrece dos módulos BL54L15; sin embargo, los diseñadores deben ser cautelosos al utilizarlos.

Por ejemplo, el rendimiento de la antena de traza integrada en la placa de circuito impreso del 453-00001R es sensible a la topología de la placa de circuito impreso anfitriona. Es fundamental situar el 453-00001R en el borde de la placa de la pc huésped para permitir que la antena irradie correctamente (Figura 4). Esta zona de retención tiene aproximadamente 5 mm de ancho y 28,6 mm de largo, con una altura dieléctrica (sin cobre) de la placa de circuito impreso de 1,57 mm por debajo del módulo 453-00001R.

Figura 4: La zona de retención de la antena en la placa de circuito impreso (delineada en rojo) para el módulo 453-00001R es fundamental para lograr un rendimiento óptimo. (Fuente de la imagen: Ezurio)

Ezurio ofrece algunas sugerencias críticas a la hora de utilizar esta antena de rastreo integrada en la placa de circuito impreso tanto con carcasas de plástico como metálicas:

• Para evitar comprometer seriamente la sintonización de la antena, la distancia mínima de seguridad para los metales es de 40 mm desde arriba/abajo, y de 30 mm de izquierda y derecha.
• El metal que esté cerca de la antena monopolo de traza de la placa de circuito impreso (en cualquier dirección) degradará el rendimiento de la antena. La cantidad de degradación depende totalmente del sistema; Los diseñadores tendrán que realizar pruebas con su aplicación anfitriona.
• Cualquier metal situado a menos de 20 mm de la zona de retención empezará a degradar significativamente el rendimiento (S11, ganancia, eficacia de radiación).
• Pruebe el alcance con una maqueta o prototipo del producto para evaluar los efectos de la altura y el material de la carcasa (si es metálica o de plástico), así como la toma de tierra de la placa de circuito impreso anfitriona.

Como alternativa al 453-00001R, los diseñadores pueden elegir el módulo 453-00044R BL54L15 con su conector microcoaxial MHF4. Una opción de antena externa adecuada es la EMF2449A1-10MH4L de montaje en superficie (Figura 5, izquierda) (36 × 12 × 0,1 mm), que incorpora una placa de circuito impreso flexible para carcasas curvas con limitaciones de espacio. Otra opción de antena es la EBL2400A1-10MH4L (Figura 5, derecha) (44,45 mm × 12,7 mm × 0,81 mm). Esta antena incorpora un plano de tierra en su estructura de resonador, lo que elimina la necesidad de un plano de tierra adicional para irradiar con eficacia.

Figura 5: Entre las opciones de antena disponibles para el módulo 453-00044R se encuentran la antena de placa de circuito flexible EMF2449A1-10MH4L (izquierda) y la antena EBL2400A1-10MH4L con plano de tierra integral (derecha). (Fuente de la imagen: Ezurio)

Además de la conectividad BLE, la serie BL54L15 es compatible con Zigbee y NFC-A Tag.

Tarjetas de evaluación y soporte de software

Para acelerar el ciclo completo de desarrollo del producto, Ezurio ofrece dos placas de evaluación. Son la placa 453-00001-K1 (Figura 6) para el 453-00001R con su antena de traza integrada en la placa de circuito impreso y la placa 453-00044-K1 para el 453-00044R con una antena de montaje en superficie.

Figura 6: Se muestra la placa de desarrollo 453-00001-K1 para el módulo BLE 453-00001R. (Fuente de la imagen: Ezurio)

Conclusión

BLE se ha convertido en un estándar y protocolo inalámbrico crucial para las conexiones de corto alcance y bajo consumo.  Ezurio ofrece a los diseñadores módulos BLE compactos, placas de evaluación y software para integrar BLE de forma rápida y eficaz en los productos finales.