SoC Bluetooth 5.1: Solução Ultracompacta e de Baixo Custo para Dispositivos IoT

Bluetooth Low Energy (BLE) tornou-se a espinha dorsal do ecossistema IoT, permitindo links sem fio de curto alcance e baixo consumo que mantêm gadgets alimentados por bateria rodando por meses ou até anos. O crescimento explosivo de fitness trackers, smartwatches e outros wearables acelerou a adoção de BLE pela indústria.

Um dispositivo Bluetooth típico (Fig. 1) é composto por um host e um controlador. O host executa a stack Bluetooth e lógica de aplicação do lado do host, enquanto o controlador lida com operações de baseband para Bluetooth clássico (BR/EDR) ou BLE. Ambos se comunicam através da interface host-controlador (HCI).

Fig. 1: Diagrama de blocos da arquitetura Bluetooth single-mode e dual-mode.

BLE apareceu primeiro no Bluetooth 4.0, com revisões subsequentes 4.1 e 4.2 adicionando refinamentos incrementais. O verdadeiro salto veio com Bluetooth 5, que introduziu taxa de dados de 2 MB/s, aumento de quatro vezes na cobertura para 240 m e melhorias significativas de economia de energia.

Bluetooth 5.1, anunciado no final de 2018, construiu sobre esses ganhos adicionando capacidades de localização. O padrão suporta duas técnicas de posicionamento – angle of arrival (AoA) e angle of departure (AoD) – permitindo que dispositivos determinem a posição um do outro com precisão de nível de metro.

Hoje a maioria dos wearables depende de BLE porque oferece uma solução custo-efetiva, ultra-baixo consumo que pode ser alimentada por uma minúscula bateria por meses ou até anos. A Dialog Semiconductor introduziu o que chama de menor e mais energeticamente eficiente SoC Bluetooth 5.1, o DA14531. O módulo acompanhante simplifica desenvolvimento e abre oportunidades mais amplas para implantações IoT.

O SoC SmartBond TINY é construído em torno de um núcleo ARM Cortex-M0+ de 32 bits, com memórias integradas e um conjunto abrangente de periféricos analógicos e digitais. Ao integrar fortemente estas funções, a Dialog reduz a pegada de soluções BLE mantendo performance alta. Em grandes volumes, a capacidade BLE do SoC pode ser adicionada por apenas $0,50.

Seu pacote de 2,0 × 1,7 mm torna o DA14531 ideal para dispositivos com restrição de espaço como stylus eletrônicos, etiquetas de prateleira, beacons e tags RFID ativas para rastreamento de ativos. O chip também se adequa a aplicações que requerem provisionamento, como câmeras, impressoras e roteadores sem fio.

O DA14531 estende conectividade wireless para a arena médica conectada. Casos de uso potenciais incluem inaladores, dispensadores de medicamentos, balanças, termômetros e glicômetros (Fig. 2).

Fig. 2: Diagrama de blocos do DA14531.

Em um pacote de 2,0 × 1,7 mm, o SmartBond TINY é aproximadamente metade do tamanho de seus predecessores, segundo a Dialog. O SoC precisa apenas de seis componentes externos – uma única fonte de clock e uma fonte de alimentação – para formar um sistema Bluetooth de baixa energia completo (Fig. 3). Esta pegada mínima permite que designers integrem o chip em virtualmente qualquer design de monitoramento RF.

"Os componentes externos são realmente limitados; dois capacitores são necessários. O indutor de potência pode ser dispensado sob certas condições", disse Adrie Van Meijeren, gerente de marketing de produto Americas, Bluetooth Low Energy, na Dialog Semiconductor.

Fig. 3: Diagrama de sistema alimentado por célula de bateria alcalina – configuração boost.

O design do módulo garante longevidade e confiabilidade mesmo com baterias pequenas, e libera clientes do ônus de certificar suas próprias plataformas, economizando tempo, esforço e custo. O conversor DC/DC integrado do DA14531 suporta uma ampla faixa de entrada de 1,1 V a 3,3 V.

"Quanto a baterias e o conversor DC/DC, podemos trabalhar com qualquer bateria de 1,4 V/1,5 V além de baterias coin-cell de 3 V. Como o conversor boost está onboard, reduz custo. A eficiência do DC/DC depende ligeiramente da qualidade do indutor, mas você pode alcançar cerca de 85% de eficiência", explicou Van Meijeren.

"O recurso DC/DC é crucial, especialmente para baterias descartáveis. Estas baterias frequentemente têm capacidades minúsculas – em torno de 15 mAh. A corrente de partida do conversor boost limita o indutor e capacitores, e fornecemos um limitador de corrente que pode ser definido entre 6 mA e 96 mA, permitindo partida de qualquer bateria, independentemente de sua condição", ele adicionou.

Com consumo ultra-baixo do BLE, muitas aplicações podem rodar em uma única bateria pequena por quatro ou cinco anos, o que é essencial para dispositivos que trocam apenas pequenos bursts de dados intermitentemente.

A Dialog também oferece o DA14531 SmartBond TINY Development Kit, que incorpora o SoC e fornece dois headers mikroBUS e uma interface Arduino para funcionalidade expandida (Fig. 4).

Fig. 4: DA14531 SmartBond TINY Development Kit Pro.

Bluetooth está presente em aproximadamente 8,2 bilhões de dispositivos no mundo, de smartphones a laptops. A Cisco prevê que até 2020 mais de 50 bilhões de dispositivos inteligentes estarão em uso, com Bluetooth SIG suportando até um terço deles.

Com bilhões de dispositivos habilitados para BLE no mercado, a gama de aplicações é virtualmente ilimitada. Selecionar BLE para um projeto requer consideração cuidadosa de fator de forma, características elétricas, funcionalidade desejada, ferramentas de desenvolvimento de software e suporte técnico.