Winzige Module für die einfache Vernetzung mit Bluetooth Low Energy

Bluetooth (BT) und seine Erweiterung Bluetooth Low Energy (BLE) sind zu Schlüsseltechnologien für die Kommunikation geworden. Sie ermöglichen es Geräten des Internets der Dinge (IoT), sich zu verbinden und Daten drahtlos zu übertragen, von Text und Audio bis hin zu Streaming-Videos.

Der Entwurf, die Implementierung und die Zertifizierung eines kompletten BT-Knotens erfordern jedoch Fachwissen in den Bereichen analoge und digitale Basisbandfunktionen, Firmware-gesteuerte eingebettete Verarbeitung und Hochfrequenz(HF)-Entwicklung sowohl des rauscharmen Frontend-Verstärkers des Empfängers als auch des Leistungsverstärkers des Senders.

Diese Funktionen müssen auch durch ein effektives Energiemanagement unterstützt werden. Darüber hinaus muss jeder BT-Knoten eine umfassende Liste von Leistungszielen sowie gesetzliche Anforderungen in Bezug auf HF-Interferenzen (RFI) und elektromagnetische Störungen (EMI) erfüllen. Diese Vorschriften können die Entwicklung erschweren und die Einführung von Geräten verzögern.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über BLE und seine Eignung für stromsparende IoT-Geräte. Anschließend werden gebrauchsfertige BLE-Module von Ezurio vorgestellt und gezeigt, wie sie die Entwicklung von BLE-fähigen IoT-Knoten beschleunigen können.

Von Bluetooth zu BLE

Bluetooth ist ein offener globaler Standard für die drahtlose Daten- und Sprachübertragung, der eine kostengünstige, drahtlose Verbindung zwischen verschiedenen elektronischen Geräten über kurze Entfernungen ermöglicht. Das Gerät arbeitet im 2,4-GHz-Band für Industrie, Wissenschaft und Medizin (ISM) und wird unter anderem für die Übertragung von Audio- und Textbildern über begrenzte Entfernungen, Videostreaming, die Kopplung von Smartphones mit Ohrhörern und IoT-Verbindungen mit niedrigem Energieverbrauch eingesetzt.

Die Spezifikation Bluetooth 1.0 sah eine Reichweite von 10 m (für Geräte der Klasse 2), eine einfache Peer-to-Peer-Vernetzung und eine Datenrate von 732,2 Kilobit pro Sekunde (kbit/s) vor; die ersten Produkte wurden im Jahr 2000 eingeführt. Durch Verbesserungen in den Versionen 2.0 (2004) und 3.0 (2009) wurden die Datenraten auf 3 bzw. 24 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) erhöht.

Allerdings war der Energiebedarf für die ursprüngliche BT-Verbindung für viele der Zielanwendungen zu hoch. Im Jahr 2010 wurde die Version 4.0 (BLE) eingeführt, und die vorherigen Versionen wurden informell in Bluetooth Classic umbenannt (Abbildung 1). BLE hat den Stromverbrauch um etwa 90% gesenkt, indem es einen extrem stromsparenden Idle-Modus verwendet, der auf einem optimierten Protokollstapel mit geringer Bandbreite basiert, der für IoT-Geräte zugeschnitten ist. In diesem Ruhemodus können IoT-Sensoren, Ortungsbaken, Smart-Home-Knoten, medizinische Geräte und Fitness-Tracker jahrelang mit einer winzigen Knopfzellenbatterie betrieben werden.

Abbildung 1: Die Abbildung zeigt einen zusammenfassenden Vergleich von Bluetooth Classic (Versionen 1.0 bis 3.0) und BLE (Versionen 4.0 bis 6.0). (Bildquelle: MOKOSmart)

Jede Version von BT ermöglicht es den Entwicklern, Kompromisse bei Entfernung, Datenrate und Stromverbrauch zu finden und auszugleichen. Die neueste Version von BLE ist 6.0 (2024) und unterstützt maximale Datenraten zwischen 1 Mbit/s und 2 Mbit/s im Energiesparmodus, erweiterte Reichweite und Peer-to-Peer-, Stern-, Broadcast- und Maschentopologien.

BLE-Module vereinfachen die Implementierung

Obwohl BT eine vielseitige und geeignete Technologie für drahtlose Verbindungen mit kürzerer Reichweite und geringerer Leistung ist, erfordert seine tatsächliche Implementierung eine Mischung aus mehreren Komponenten und Technologien, die Prozessor, Speicher, analoges HF-Frontend, HF-Leistungsverstärker und Antenne umfassen. Außerdem gibt es ein softwaregesteuertes Datenübertragungsprotokoll und einen Stack. Die Auswahl und Gestaltung dieser verschiedenen Elemente kann eine Herausforderung sein.

Um die Entwicklung von BLE-fähigen Geräten zu vereinfachen, hat Ezurio die notwendigen Elemente in seine BLE-Module BL54L15 integriert (Abbildung 2). Das Herzstück dieser Module ist das SoC (System on Chip) nRF54L15 von Nordic Semiconductor.

Abbildung 2: Die BL54L15-Familie aus BLE-Modulen umfasst komplette, hoch integrierte Lösungen, die alle notwendigen Funktionen für eine erfolgreiche drahtlose Implementierung enthalten. (Bildquelle: Ezurio)

Zu den wichtigsten Merkmalen dieser Module gehören:

• Dual-Core-Verarbeitung auf der Grundlage eines Arm-Cortex-M33 für 128 Megahertz (MHz) und eines RISC-V-Coprozessors für 128 MHz
• Große Speicherkapazität mit 1,5 Megabyte (Mbyte) nichtflüchtigem Speicher (NVM) und 256 Kilobyte (Kbyte) Arbeitsspeicher (RAM)
• Höhere Sicherheit

Diese Module bieten sichere und robuste Unterstützung für BLE und 802.15.4, und bieten flexible Programmiermöglichkeiten durch das nRFConnect Software Development Kit (SDK) von Nordic, das Echtzeitbetriebssystem (RTOS) von Zephyr und die Canvas Software Suite von Ezurio. Canvas ermöglicht MicroPython-Skripting-Funktionen, die die Anwendungsentwicklung vereinfachen und beschleunigen. Die Gesamtkonfiguration nutzt alle Eigenschaften und Fähigkeiten der nRF54L15-Hardware.

Bei den beiden BL54L15-Modulen handelt es sich um das Modul 453-00001R (Abbildung 3, links), das mit einer vorzertifizierten Leiterplattenantenne ausgestattet ist, und das Modul 453-00044R (Abbildung 3, rechts) mit einem MHF4-Anschluss zur Unterstützung einer externen Antenne. Beide Module arbeiten mit einer Versorgungsspannung von 1,7 V_DC bis 3,5 V_DC und sind in einem kompakten Gehäuse von 14 mm × 10 mm × 1,6 mm untergebracht.

Abbildung 3: Das Modell 453-00001R (links) verfügt über eine vorzertifizierte Leiterplattenantenne, während das Modell 453-00044R (rechts) einen MHF4-Anschluss für eine externe Antenne besitzt. (Bildquelle: Ezurio)

Das Multiprotokoll-Funkgerät der Module bietet eine Sendeleistung von bis zu 7 Dezibel bezogen auf 1 Milliwatt (dBm) (in 1-dB-Schritten) und eine Empfängerempfindlichkeit von -94 dBm (RX) bei einem Durchsatz von 1 Mbit/s. Die Hardware ist für einen industriellen Temperaturbereich von -40°C bis +105°C ausgelegt und zertifiziert.

Diese Module bieten außerdem modernste Sicherheit und unterstützen sicheres Booten, sichere Firmware-Updates und sicheren Speicher. Integrierte Manipulationssensoren erkennen physische Angriffe, während die kryptografischen Beschleuniger gegen Seitenkanalangriffe geschützt sind. Außerdem erfüllen sie alle relevanten internationalen Normen und behördlichen Auflagen für BLE-Performance sowie RFI/EMI-Emissionen und -Empfindlichkeit.

Unterbringung einer Antenne

Die Antenne ist eine passive Komponente, die für die Funktion der BL54L15-Module entscheidend ist. Einige Entwickler bevorzugen aus Gründen der Performance, der Positionierung, der Gehäusegröße oder der Kosten eine oberflächenmontierbare Antenne, während andere eine Leiterbahnantenne auf der Leiterplatte bevorzugen. Aufgrund dieser Präferenzen bietet Ezurio zwei BL54L15-Module an; jedoch sollten Entwickler bei deren Verwendung Vorsicht walten lassen.

So ist beispielsweise die Performance der integrierten Leiterbahnantenne des 453-00001R von der Topologie der Hostplatine abhängig. Es ist wichtig, die 453-00001R am Rand der Hostplatine anzubringen, damit die Antenne richtig abstrahlen kann (Abbildung 4). Dieser freizuhaltende Bereich ist etwa 5 mm breit und 28,6 mm lang, mit einer Höhe der Leiterplatte (ohne Kupfer) von 1,57 mm unterhalb des Moduls 453-00001R.

Abbildung 4: Der freizuhaltende Bereich für die Leiterbahnantennen auf der Leiterplatte (rot umrandet) für das Modul 453-00001R ist entscheidend für eine optimale Performance. (Bildquelle: Ezurio)

Ezurio gibt einige kritische Hinweise zur Verwendung dieser integrierten Leiterbahnantenne mit Kunststoff- und Metallgehäusen:

• Um die Antennenabstimmung nicht ernsthaft zu beeinträchtigen, beträgt der Mindestabstand für Metalle 40 mm von oben/unten und 30 mm von links und rechts.
• Metall, das sich in der Nähe der Leiterbahn-Monopolantenne befindet (in jeder Richtung), beeinträchtigt die Performance der Antenne. Das Ausmaß der Verschlechterung ist völlig systemabhängig; die Entwickler müssen Tests mit ihrer Host-Anwendung durchführen.
• Jedes Metall, das sich näher als 20 mm an dem freizuhaltenden Bereich befindet, führt zu einer erheblichen Verschlechterung der Performance (S11, Verstärkung, Strahlungseffizienz).
• Testen Sie die Reichweite mit einer Attrappe oder einem Prototyp des Produkts, um die Auswirkungen der Gehäusehöhe und des Materials (Metall oder Kunststoff) sowie der Masse der Hostplatine zu beurteilen.

Als Alternative zur 453-00001R können Entwickler das BL54L15-Modul 453-00044R mit dem Mikrokoaxialstecker MHF4 wählen. Eine geeignete externe Antennenoption ist die oberflächenmontierbare EMF2449A1-10MH4L (Abbildung 5, links) (36 × 12 × 0,1 mm), die über eine flexible Leiterplatte für gebogene, platzbeschränkte Gehäuse verfügt. Eine weitere Antennenoption ist die EBL2400A1-10MH4L (Abbildung 5, rechts) (44,45 mm × 12,7 mm × 0,81 mm). Bei dieser Antenne ist eine Grundplatte in die Resonatorstruktur integriert, so dass für eine effiziente Abstrahlung keine zusätzliche Grundplatte erforderlich ist.

Abbildung 5: Zu den verfügbaren Antennenoptionen für das Modul 453-00044R gehören die flexible Leiterplattenantenne EMF2449A1-10MH4L (links) und die Antenne EBL2400A1-10MH4L mit integrierter Grundplatte (rechts). (Bildquelle: Ezurio)

Neben der BLE-Vernetzung unterstützt die BL54L15-Serie auch Zigbee und NFC-A-Tags.

Evaluierungsboards und Softwareunterstützung

Um den gesamten Produktentwicklungszyklus zu beschleunigen, bietet Ezurio zwei Evaluierungsboards an. Es handelt sich um die 453-00001-K1 (Abbildung 6) für das 453-00001R mit integrierter Leiterbahnantenne und die 453-00044-K1 für das 453-00044R mit oberflächenmontierbarer Antenne.

Abbildung 6: Abgebildet ist das Entwicklungsboard 453-00001-K1 für das BLE-Modul 453-00001R. (Bildquelle: Ezurio)

Fazit

BLE hat sich zu einem wichtigen drahtlosen Standard und Protokoll für Verbindungen mit kurzer Reichweite und geringem Stromverbrauch entwickelt.  Ezurio bietet Entwicklern kompakte BLE-Module, Evaluierungsboards und Software, um BLE schnell und effektiv in Endprodukte zu integrieren.