Usar un SoC Bluetooth 5.2 avanzado para construir dispositivos seguros de IoT de bajo consumo

La conectividad Bluetooth y el rendimiento de bajo consumo son requisitos críticos en los diseños alimentados por batería que subyacen a los productos de gran volumen para la Internet de las Cosas (IoT), los vestidos, el hogar conectado y las aplicaciones de automatización de edificios. En la construcción de estos diseños, los desarrolladores han luchado por encontrar dispositivos de bajo costo con sistema en chip (SoC) con Bluetooth, capaces de ofrecer una funcionalidad de alto rendimiento con presupuestos de energía ajustados. Con demasiada frecuencia, los desarrolladores se han visto obligados a comprometer algún aspecto del rendimiento o incluso a sacrificar capacidades cada vez más críticas, como la seguridad, para cumplir los requisitos de las soluciones de diseño de bajo costo y bajo consumo de energía.

Para mitigar el grado de compromiso requerido, la especificación de Bluetooth 5.2 ha incorporado características de ahorro de energía como Control de alimentación LE, transferencia de sincronización de publicidad periódica (PAST), así como una avanzada red de malla de bajo consumo y características de seguimiento de la ubicación. Lo que se requiere es un solo CI integrado que soporte estas característicaa y que esté respaldado por kits de desarrollo y software relacionados que permitan a los desarrolladores ponerse en marcha rápida y eficientemente con las mejoras de Bluetooth 5.2 de baja energía.

Este artículo muestra cómo la familia de SoC Bluetooth 5.2 de baja energía EFR32BG22 de Silicon Labs puede cumplir con los amplios requisitos de energía y rendimiento requeridos en los productos alimentados por baterías. Al utilizar la familia de SoC EFR32BG22 y su ecosistema de desarrollo asociado, los desarrolladores pueden construir dispositivos de IoT y otros productos alimentados por pilas capaces de funcionar de forma sostenida durante más de cinco años con una sola pila de moneda CR2032, o durante más de 10 años con una pila CR2354.

Optimizar la potencia con las características avanzadas del BLE

La conectividad Bluetooth se ha convertido en una característica familiar de los productos de consumo del mercado de masas, pero se espera que la disponibilidad de capacidades más avanzadas de Bluetooth de baja energía (BLE) marque el comienzo de una gama de productos más avanzados para la IoT, los artículos de vestir y otros productos móviles. Sin embargo, al ofrecer esas características, los desarrolladores se enfrentan a expectativas subyacentes de una mayor duración de las baterías y una mayor seguridad en sus productos.

Subyacente a cualquier intercambio de datos por Bluetooth, transacción de red en malla o funcionamiento de servicio de localización, la elección del ajuste de potencia del transmisor es crítica para lograr una alta relación señal-ruido (SNR). Si el ajuste de la potencia del transmisor es demasiado bajo, la reducción de la SNR puede provocar un aumento de la tasa de errores. Si se pone demasiado alto, el dispositivo de transmisión no solo está desperdiciando energía, sino que su señal de alta potencia puede provocar fallos de comunicación al aumentar las interferencias en las redes de nodos múltiples, o al saturar los receptores cercanos.

Control de energía: La introducción de la función Control de alimentación LE en el Bluetooth 5.2 aborda estas preocupaciones con un protocolo que permite a los dispositivos BLE interactuar con sus receptores para lograr un ajuste óptimo de la potencia del transmisor. Aquí, un dispositivo receptor puede usar el protocolo de Control de alimentación LE para solicitar a un transmisor compatible que cambie su nivel de potencia de transmisión para mejorar el SNR del receptor. Del mismo modo, un transmisor puede utilizar los datos de control de alimentación de LE para reducir su potencia de transmisión si es necesario hasta un nivel que siga siendo útil para el receptor. En este caso, el transmisor puede utilizar el indicador de intensidad de la señal recibida (RSSI) proporcionado por el receptor para sintonizar de forma independiente la potencia de salida de su transmisor.

En algunas aplicaciones, los desarrolladores se preocupan menos por optimizar la potencia del transmisor que por asegurar que su dispositivo tenga suficiente potencia de transmisión para llegar a algún host o centro de comunicaciones distante. La necesidad de garantizar una conectividad inalámbrica eficaz a través de grandes distancias ha estado tradicionalmente reñida con la potencia y la seguridad, en particular en los diseños con recursos limitados que constituyen el núcleo de los productos alimentados por baterías.

Redes de malla: La red de malla del BLE puede ayudar a eliminar la necesidad de una alta potencia de transmisión para llegar a hosts distantes. Aquí, los dispositivos alimentados por baterías se comunican usando comunicaciones de bajo consumo con los nodos cercanos alimentados por líneas. Debido a que sus mensajes se transmiten de un nodo a otro, un dispositivo de bajo consumo puede comunicarse a través de una distancia que no es factible ni siquiera con la máxima potencia de transmisión del dispositivo y la sensibilidad del receptor. En aplicaciones como la automatización de viviendas o edificios, los desarrolladores pueden aprovechar aún más las funciones de difusión de Bluetooth para hacer que varios dispositivos respondan a una sola orden para cambiar la iluminación del área, por ejemplo. Usando Bluetooth de baja energía, estos protocolos de red de malla pueden ayudar a satisfacer las demandas conflictivas de rango de operación extendido y operación de baja energía.

Servicios de localización: Los servicios de localización por Bluetooth complican los desafíos de las operaciones de radio eficientes con la necesidad de contar con capacidades de procesamiento de señales eficaces. La disponibilidad de funciones de radiogoniometría en Bluetooth permite a los desarrolladores implementar sistemas de localización en tiempo real (RTLS) para el seguimiento de activos, o sistemas de posicionamiento en interiores (IPS) para la navegación dentro de edificios. Con la introducción del soporte para la determinación del ángulo de llegada (AoA) y del ángulo de salida (AoD) en Bluetooth 5.1, las aplicaciones RTLS e IPS pueden lograr un nivel de precisión de posición más allá del disponible con los métodos anteriores basados en el RSSI.

Los métodos de la "AoA" y la "AoD" proporcionan esencialmente capacidades complementarias. Los receptores de múltiples antenas pueden utilizar los cálculos del AoA para rastrear la ubicación de un activo en movimiento que emite una señal de radiogoniometría desde una sola antena. Por el contrario, los transmisores de antenas múltiples pueden permitir que un dispositivo como el que se lleva puesto utilice los cálculos de la AoD para determinar su posición (Figura 1).

Figura 1: El método AoA de Bluetooth permite a un receptor utilizar un conjunto de antenas para determinar con precisión la posición de un activo transmisor, mientras que el método AoD permite a un dispositivo receptor, como un vestible, encontrar su propia posición con respecto a un conjunto de antenas. (Fuente de la imagen: Bluetooth SIG)

En cada uno de los métodos, los receptores o dispositivos de AoA utilizan el procesamiento de la señal en cuadratura para determinar el desplazamiento de fase asociado a la señal recibida o emitida, respectivamente, por el conjunto de antenas múltiples. A su vez, los requisitos del dispositivo difieren para el activo que se rastrea con los métodos de la AoA o el dispositivo que determina su ubicación con los métodos de la AoD. El activo rastreado requiere el menor consumo de energía posible para garantizar una mayor duración de la batería durante la transmisión. Por el contrario, el dispositivo de localización requiere suficiente potencia de procesamiento para manejar los cálculos de desplazamiento de fase utilizando los componentes transmitidos en fase (I) y en cuadratura (Q) asociados con el muestreo del coeficiente intelectual necesario para mantener una información de posición precisa a medida que se mueve.

Las funciones adicionales de Bluetooth permiten a los desarrolladores reducir el consumo de energía sin perder la precisión del posicionamiento. Para implementar la AoD en un dispositivo vestible, por ejemplo, el protocolo Bluetooth permite al transmisor y al receptor sincronizar su actividad para que ambos se despierten al mismo tiempo para completar un escaneo de localización. Este enfoque elimina la necesidad de dispositivos para desperdiciar energía enviando o escuchando paquetes de publicidad al azar. Los procesadores inalámbricos pueden simplemente dormir en el modo de bajo consumo hasta que los temporizadores incorporados los despierten a la hora requerida. Este enfoque sincronizado también mitiga las colisiones y la pérdida de eficiencia que se producirían cuando un gran número de transmisores y receptores funcionaran en estrecha proximidad.

La transferencia periódica de sincronización de publicidad de Bluetooth (PAST) proporciona un medio para reducir aún más el consumo de energía de los dispositivos emparejados, como un portátil y un teléfono inteligente (Figura 2).

Figura 2: En lugar de consumir energía para mantener su propia conexión sincronizada con un transmisor (izquierda), un usuario puede utilizar el mecanismo PAST de Bluetooth para reducir el consumo de energía confiando en un teléfono inteligente emparejado para proporcionar los datos de sincronización necesarios (derecha). (Fuente de la imagen: Bluetooth SIG)

Con el PAST, el dispositivo que se puede llevar puesto depende de la sincronización periódica de la publicidad del teléfono inteligente con el transmisor. De esta manera, el vestidor con limitaciones de potencia evita los costos de energía asociados con el despertar y la realización de la transacción de publicidad sincronizada con el transmisor. Si es necesario durante las condiciones de baja batería, el dispositivo que se puede llevar puesto puede ir más allá reduciendo la velocidad de su actualización de datos de posicionamiento con el teléfono inteligente, cambiando la precisión del posicionamiento por un tiempo de funcionamiento más largo.

Sin embargo, para aprovechar al máximo las características avanzadas del BLE, los desarrolladores necesitan un SoC Bluetooth capaz de satisfacer los requisitos de la competencia de consumo de energía reducido y capacidad de computación de alto rendimiento. La familia de SoC EFR32BG22con Bluetooth 5.2 de baja energía de Silicon Labs está diseñada específicamente para soportar estos requisitos en productos de gran volumen que funcionan con baterías.

Cumplir con los requisitos de potencia y rendimiento

Al construirse alrededor del núcleo Arm® Cortex®-M33, la arquitectura de la familia SoC de Bluetooth 5.2 de baja energía EFR32BG22 de Silicon Labs integra un conjunto completo de características y capacidades necesarias en los diseños de dispositivos de IoT alimentados por batería, dispositivos vestibles y otros productos móviles (Figura 3).

Figura 3: La arquitectura SoC EFR32BG22 de Silicon Labs combina un núcleo Arm Cortex-M33 y un conjunto completo de periféricos con características diseñadas para optimizar las comunicaciones BLE, mejorar la seguridad y minimizar el consumo de energía en diseños de bajo consumo. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

Junto con el núcleo Arm Cortex-M33 y la memoria asociada, la arquitectura básica del SoC EFR32BG22 combina un extenso conjunto de interfaces en serie, canales GPIO, relojes y temporizadores. El convertidor analógico-digital (ADC) integrado de 12 bits admite el procesamiento de entrada simple o diferencial de una muestra de hasta 1 mega por segundo (MSPS) con una novedosa arquitectura que combina elementos de los convertidores de registro de aproximación sucesiva (SAR) y delta-sigma.

Dentro de la familia EFR32BG22, los diferentes miembros de la familia están diseñados para cumplir con los requisitos específicos para el procesamiento y las operaciones de Bluetooth. Por ejemplo, los desarrolladores que construyen diseños con requisitos más intensivos de computación pueden seleccionar el SoC EFR32BG22C222, que proporciona un núcleo de mayor velocidad, más GPIO y mayor potencia de transmisión (TX). Para los diseños construidos para aplicaciones RTLS o IPS, los desarrolladores pueden recurrir al SoC EFR32BG22C224 con soporte incorporado de muestreo IQ y mayor sensibilidad del receptor (RX).

En la base de cada miembro de la familia EFR32BG22 hay un subsistema de radio completo, un módulo de seguridad y una unidad de gestión de la energía que proporcionan una amplia gama de servicios necesarios para las comunicaciones seguras de Bluetooth de baja energía.

Subsistema de radio Bluetooth de baja energía

El subsistema de radio de la familia EFR32BG22 es compatible con Bluetooth 5.2 de baja energía a través de rutas de señal TX y RX separadas, controladas por un núcleo de procesador dedicado de ARM Cortex-M0+ de muy bajo consumo. El diseño del subsistema de radiocomunicaciones complementa la capacidad de procesamiento de este núcleo con bloques dedicados que incluyen un controlador de cuadros (FRC), un módulo de comprobación de redundancia cíclica (CRC) y un controlador de búferes de radio (BUFC) dedicado que gestiona los búferes de RAM (Figura 4).

Figura 4: El SoC EFR32BG22 integra un subsistema completo de radio BLE controlado por un núcleo procesador dedicado Arm Cortex-M0+. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

Basada en una arquitectura de transmisor de conversión directa, la ruta TX combina un amplificador de potencia en chip (PA) con un modulador (MOD) y un sintetizador de frecuencia. Al realizar cualquier acceso múltiple con detección de portador requerido con protocolos de evitación de colisión (CSMA/CA) o de escucha antes de hablar (LBT), el radiocontrolador Arm Cortex-M0+ gestiona automáticamente el tiempo de transmisión de cuadros necesario.

La ruta de RX utiliza una arquitectura de receptor de baja frecuencia intermedia (IF) que integra un amplificador de bajo ruido (LNA), un control automático de ganancia (AGC) y un ADC de IF que permite al dispositivo realizar una demodulación digital (DEMOD) con reducción y filtrado que puede ser configurado para soportar un ancho de banda del receptor de 0.1 a 2530 kilohercios (kHz). Por último, la cadena de señales RX genera el valor RSSI del receptor que se utiliza para una amplia variedad de servicios, como la optimización de la potencia, el control de la calidad de la señal y la detección de proximidad, entre otros.

Al operar en paralelo con la ruta de la señal RX, el módulo RFSENSE de Silicon Labs monitoriza la señal de entrada y despierta al dispositivo cuando detecta energía de RF por encima de un umbral definido. Para ayudar a reducir las falsas alertas cuando se opera en ambientes eléctricamente ruidosos, el módulo RFSENSE también proporciona un modo selectivo que genera la señal de despertador solo cuando detecta un patrón en la energía en lugar de alguna ráfaga de energía de RF aleatoria. En este caso, el patrón de energía corresponde a un preámbulo de activación y desactivación (OOK) en un paquete transmitido, por lo que es más probable que la energía detectada por el módulo RFSENSE señale una transacción de comunicaciones real.

Soporte de hardware para la construcción de sistemas seguros

Para asegurar los dispositivos conectados a baterías se requieren soluciones que han estado en desacuerdo con las características y capacidades de los procesadores tradicionales utilizados en diseños anteriores. Construidos para operar en condiciones menos vulnerables, los procesadores tradicionales han carecido de algunas de las capacidades físicas y funcionales necesarias para proteger los dispositivos de IoT y vestibles de la actualidad. Por ejemplo, la fácil disponibilidad de diseños de IoT y de dispositivos para vestir facilita a los hackers el ataque a estos diseños con métodos de canal lateral como el análisis de potencia diferencial (DPA) que puede exponer datos secretos y claves privadas. Al utilizar estas claves, los hackers pueden emplear una variedad de métodos para falsificar dispositivos reales y obtener acceso a redes seguras y recursos supuestamente protegidos. Aún más fácilmente, los hackers ya penetran rutinariamente en las redes inalámbricas para llegar a los dispositivos conectados escasamente asegurados como preludio a ese mismo tipo de ataque.

Para los diseñadores, los requisitos de un mínimo de BOM y una mayor duración de la batería les han obligado a menudo a adoptar métodos de seguridad basados en el software. Lamentablemente, esos métodos siguen siendo tan vulnerables como el propio programa de aplicación y el sistema operativo. Tal vez lo peor sea que, desde el punto de vista del usuario, los mecanismos de seguridad implementados puramente en el software introducen retrasos notables en las comunicaciones y en la respuesta percibida de la aplicación. Para reforzar la seguridad sin sacrificar el rendimiento, los diseños conectados dependen de un mecanismo de seguridad basado en el hardware.

La familia EFR32BG22 ayuda a los desarrolladores a proteger los diseños de los dispositivos mediante una combinación de mecanismos de seguridad basados en el hardware. En el centro de estos mecanismos, un acelerador criptográfico acelera el cifrado y descifrado de los datos utilizando una amplia gama de longitudes y modos de claves del Estándar de cifrado avanzado (AES). Para las operaciones de autenticación y firma, el acelerador soporta las populares curvas y hashes de la criptografía de curva elíptica (ECC).

En un nivel inferior, un generador de números aleatorios reales (TRNG) proporciona las pautas de números no determinantes necesarias para mitigar las amenazas derivadas del uso de generadores de números aleatorios que se sabe que repiten las pautas de los números. Un mecanismo de nivel aún más bajo protege al acelerador del tipo de ataques DPA de canal lateral mencionados anteriormente.

Implementar la seguridad del sistema con estos mecanismos es solo la mitad de la batalla en cualquier producto conectado. De hecho, la mitigación de las amenazas en los sistemas desplegados es una lucha constante que se hace aún más difícil en los sofisticados diseños alimentados por baterías. Después de haber desplegado un diseño que de otra manera sería seguro, los desarrolladores han dejado en el pasado sus diseños expuestos a ataques de inyección de software maligno o incluso a la penetración a través de interfaces de depuración abiertas. La familia EFR32BG22 aborda ambas preocupaciones a través de capacidades especializadas diseñadas para mitigar la penetración del firmware del malware y la interfaz de depuración.

Estos SoC proporcionan una característica de seguridad llamada Secure Boot con raíz de confianza y cargador seguro (RTSL) que utiliza un cargador de arranque de dos etapas diseñado para asegurar que un sistema basado en EFR32BG22 arranque solo con un firmware autenticado (Figura 5).

Figura 5: Soportado en la familia de SoC EFR32BG22 de Silicon Labs, Secure Boot con RTSL construye una raíz de confianza en el firmware de confianza arrancado desde la ROM. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

Conceptualmente, el arranque seguro con RTSL aborda una debilidad en los antiguos sistemas de arranque de una sola etapa que permitían a los hackers tomar el control completo de un sistema conectado arrancándolo con un firmware comprometido. El uso de firmware firmado parecería dar una solución a este problema. Sin embargo, en la práctica, el uso de certificados falsificados para firmar el firmware o el uso de certificados legítimos obtenidos de manera fraudulenta por malos actores puede dejar incluso los métodos de arranque firmados expuestos al ataque.

Por el contrario, un sistema basado en EFR32BG22 establece una raíz de confianza construida sobre un cargador de arranque de primera etapa que extrae de la ROM un firmware de confianza. A su vez, este software de confianza utiliza métodos de autenticación estrictos para verificar el origen y la integridad del código de la segunda etapa del cargador de arranque, que a su vez verifica y carga el código de la aplicación.

La capacidad de construir una solución de sistema sobre una base de confianza permite a los desarrolladores entregar productos con una gran confianza en la integridad continua del software, incluso a través de ciclos de actualización de firmware por aire (OTA). Sin embargo, a veces los desarrolladores necesitan un acceso más profundo a los sistemas proporcionados a nivel del puerto de depuración del sistema.

Por supuesto, desplegar una solución de sistema con un puerto de depuración abierto es una receta para el desastre. La función de depuración segura de la familia EFR32BG22 proporciona una solución práctica para los desarrolladores de sistemas de software complejos que necesitan la capacidad de rastrear fallos sin comprometer la seguridad del sistema en su conjunto. Con la depuración segura, los desarrolladores utilizan mecanismos de autenticación segura para desbloquear el puerto de depuración y obtener la visibilidad que necesitan para el análisis de fallos sin comprometer la confidencialidad de los datos de los usuarios en el sistema desplegado.

Optimizar el consumo de energía

No obstante, los mecanismos más eficaces de comunicación y seguridad del Bluetooth dejarán en desventaja a un dispositivo alimentado por batería si no puede proporcionar una mayor duración de la misma. De hecho, la gestión de la energía y las características de optimización de la energía están incorporadas en la base de la arquitectura SoC EFR32BG22. Al aprovechar al máximo el núcleo Arm Cortex-M33 de bajo consumo, estas SoC consumen solo 27 microamperios por megahercio (μA/MHz) mientras funcionan a la máxima frecuencia (76.8 MHz) en su modo totalmente activo (EM0) con todos los periféricos desactivados.

Durante los períodos de inactividad, los desarrolladores pueden colocar el SoC en uno de varios modos de bajo consumo, incluyendo el modo de inactividad (EM1), inactividad profunda (EM2), parada (EM3) y apagado (EM4). A medida que el SoC pasa a modos de menor potencia, la unidad de gestión de energía integrada (UGE) apaga un número cada vez mayor de bloques funcionales hasta que un conjunto mínimo de bloques necesarios para activar al SoC se mantiene alimentado (véase la figura 3 de nuevo). Además, la UME reduce automáticamente el nivel de escalado de voltaje al cambiar a modos de menor potencia. Como resultado, en un sistema de 3.0 V que utiliza el convertidor CC-CC interno y con todos los periféricos desactivados, el consumo de energía cae drásticamente a 17 μA/MHz (funcionamiento de 76.8 MHz) en modo de suspensión, 1.4 μA en modo de suspensión profunda con retención completa de RAM, 1.05 μA en modo de parada y 0.17 μA en modo de apagado.

En los procesadores anteriores, los desarrolladores se enfrentaron a una difícil decisión al elegir un modo de bajo consumo debido al largo tiempo necesario para despertar esos procesadores. Un tiempo de activación prolongado no solo obliga al sistema a permanecer insensible durante el período de activación, sino que también da lugar a un desperdicio de energía al realizar operaciones "no productivas" asociadas al proceso de activación. A menudo, los desarrolladores se verían obligados a seleccionar un modo de mayor potencia que la requerida para asegurar que el procesador pudiera despertarse a tiempo. Por el contrario, un sistema basado en EFR32BG22 que se ejecuta desde la RAM requiere tan solo 1.42 microsegundos (μs) para despertarse del modo de suspensión de EM1, o 5.15 μs del modo de suspensión profunda de EM2 o de parada de EM3. Incluso la activación del modo de apagado requiere solo 8.81 milisegundos (ms), lo que a menudo está por debajo del período de actualización mínimo para muchos dispositivos portátiles o dispositivos de IoT alimentados por baterías.

La capacidad de aprovechar al máximo estos tiempos de activar relativamente rápidos depende de la disponibilidad de mecanismos capaces de mantener cierto nivel de actividad incluso cuando el SoC está en su modo de energía de parada EM3. Junto con capacidades como el RFSENSE descrito anteriormente, otros bloques funcionales como el reloj en tiempo real (RTC) del SoC permiten al dispositivo mantener el tiempo del mundo real mientras duerme y su Temporizador de bajo consumo (LETIMER) permite al dispositivo generar diferentes formas de onda o proporcionar contadores para otros periféricos. De hecho, los periféricos en el chip pueden seguir funcionando gracias al Sistema de reflexión periférica (PRS) del SoC, que puede enrutar señales entre diferentes periféricos en el chip y realizar operaciones lógicas básicas al hacerlo, todo ello sin ninguna implicación de la CPU.

Desarrollo eficiente del sistema

Para ayudar a acelerar la implementación de las soluciones basadas en EFR32BG22, los desarrolladores pueden aprovechar un completo conjunto de herramientas y bibliotecas construidas en torno al entorno de desarrollo integrado (IDE) Simplicity Studio de Silicon Labs. Dentro de su kit de desarrollo de software (SDK) de Bluetooth de baja energía, Silicon Labs proporciona soporte para características avanzadas, incluyendo redes de malla Bluetooth, procesamiento de AoA y AoD, y actualizaciones seguras de firmware por aire. Junto con un conjunto completo de perfiles de Bluetooth, el SDK incluye aplicaciones de muestra y código fuente para implementar software personalizado.

Conclusión

El rápido aumento de la demanda de funciones avanzadas de BLE en los productos móviles alimentados por baterías coloca a los desarrolladores bajo una presión cada vez mayor para que resuelvan el conflicto entre el rendimiento necesario y la energía disponible. En el pasado, estos requisitos contradictorios a menudo llevaban a comprometer la capacidad, el tamaño y el costo de los sistemas. Sin embargo, utilizando un avanzado SoC Bluetooth, los desarrolladores pueden construir dispositivos de IoT de gran volumen y otros productos alimentados por batería capaces de soportar características de próxima generación, como la navegación en interiores y las redes de malla, mientras funcionan durante años con una sola batería de pila de moneda.

Otros productos de la línea EFR32BG22 incluyen:

1. Kit de nubes inalámbricas Thunderboard
2. Kit de inicio inalámbrico
3. Placa de radio SLWRB4182A EFR32BG22 (QFN40)