Новый чип BlueNRG-LP с поддержкой Bluetooth 5.2 и Long Range – идеальное решение для IoT
Софья Букреева (г. Протвино)
Программируемая микросхема Системы-на-Кристалле BlueNRG-LP производства STMicroelectronics, имеющая на борту приемопередатчик BLE и работающая на ядре Cortex®-M0+, служит для создания соединений «точка-точка» и сетей Bluetooth Mesh, а также подходит для организации проприетарной беспроводной связи на частоте 2,4 ГГц. Данный чип незаменим в приложениях, требующих высокой скорости обмена данными и сверхмалого энергопотребления.
Сетевые технологии стремительно развиваются и применяются уже не только в компьютерах, ноутбуках, планшетах и смартфонах. Теперь к сети подключено множество самых разных умных устройств, таких как стиральные машины, роботы-пылесосы, дверные замки, игрушки и многое другое. Ассортимент существующих и потенциальных устройств для IoT огромен. По сути, к устройствам IoT можно отнести все устройства, оснащенные микросхемами для сбора и передачи данных по сети. Удобство использования таких устройств заключается в возможности простого управления ими со смартфона. Однако IoT активно используется не только отдельными пользователями: компании и даже целые города все больше внедряют интеллектуальные технологии для экономии времени и денег. IoT создает возможности для прямой интеграции физического мира в компьютерные системы, что ведет к повышению эффективности, экономическим выгодам и сокращению человеческих усилий в любой отрасли.
Технология передачи данных – важнейший элемент любой системы IoT. Наиболее важными решающими факторами для выбора беспроводных протоколов являются пропускная способность, дальность передачи, безопасность, совместимость и энергопотребление. Классический Bluetooth занял свою нишу в аудиоустройствах с беспроводным подключением к ноутбукам и мобильным телефонам, в то время как Bluetooth Low Energy (BLE) превратился в универсальный инструмент связи для батарейных датчиков, пультов управления и брелоков бесконтактного доступа благодаря экономичности и сверхмалому энергопотреблению. Другие ключевые характеристики BLE:
BLE может с успехом заменить проприетарные протоколы и становится де-факто стандартом беспроводной связи для маломощных и недорогих IoT-устройств.
Новый BlueNRG-LP в линейке продукции BlueNRG-xxx
BlueNRG-LP – это программируемая микросхема SoC со сверхмалым энергопотреблением, имеющая на борту приемопередатчик BLE. Она соответствует базовой спецификации BLE SIG версии 5.2 и служит для создания соединений «точка-точка» и сетей Bluetooth Mesh. BlueNRG-LP также подходит для проприетарной беспроводной связи на частоте 2,4 ГГц в приложениях со сверхмалой задержкой.
Микросхема BlueNRG-LP имеет встроенный микроконтроллер Cortex®-M0+, работающий на частоте до 64 МГц, а также сетевой сопроцессор BlueNRG (на базе DMA) для выполнения критичных ко времени операций BLE.
Основные поддерживаемые характеристики BLE 5.2:
Кроме того, BlueNRG-LP обеспечивает повышенную безопасность данных за счет специальных аппаратных функций, таких как:
BlueNRG-LP можно использовать в качестве как автономного процессора, так и сетевого процессора в дополнение к основному отдельному микроконтроллеру. В первом случае BlueNRG-LP работает как единое устройство, в котором работают и код приложения, и стек BLE.
В таблице 1 представлено сравнение BlueNRG-LP с другими решениями от компании STMicroelectronics для сетей BLE.
Таблица 1. Сравнение решений от STMicroelectronics для BLE.
| Характеристики | Сетевые процессоры | Программируемые SoC | |||
|---|---|---|---|---|---|
| BlueNRG-MS, BlueNRG-M0 | BlueNRG-2N | BlueNRG-1 | BlueNRG-2, BlueNRG-2M | BlueNRG-LP | |
| Бюджет радиолинии, дБ | 96 | 96 | 96 | 96 | 105 (1 Мбит/с)/111 (Long Range) |
| Скорость передачи данных, кбит/с | 200 | 700 | 250 | 700 | 1200…2000 |
| Потребление в режиме маяка*, мкА | 9,7 | 8,5 | 8,5 | 8,5 | 2 S, 2xI 2 C (SMBus/PMBus), 1xPDM, 1xUART и 1xUSART. Для задания тактовой частоты можно использовать внешний кварц до 32 МГц и внутренний RC-генератор 64 МГц. BlueNRG-LP имеет программируемый понижающий преобразователь SMPS с высоким КПД и монитор питания, который контролирует питание относительно запрограммированного порога или внешнего аналогового сигнала. Кроме этого, при включении и выключении питания, когда напряжение ниже фиксированных пороговых значений ( 1,65 В), будет генерироваться сброс микросхемы. Есть три способа использования микросхемы BlueNRG-LP: В качестве сетевого сопроцессора.В случае, когда основной код приложения работает на другом микроконтроллере, и нужно добавить поддержку BLE, микросхему BlueNRG-LP с предварительно запрограммированным стеком BLE можно использовать как сетевой сопроцессор. Для этого на стороне основного процессора необходимо добавить драйвер BlueNRG-LP и промежуточное ПО (рисунок 2).
Рис. 2. Использование BlueNRG-LP в качестве сетевого сопроцессора Для перекачки данных по BLE в режиме прозрачного канала (Data Pump).В некоторых применениях требуется передавать и извлекать данные через BLE, независимо от типа данных, используемого профиля или конечного приложения. Для этого достаточно добавить программную поддержку UART/SPI на стороне BlueNRG-LP (рисунок 3).
Рис. 3. Использование BlueNRG-LP для перекачки данных по BLE В качестве основного процессора.Использование BlueNRG-LP в качестве основного процессора для запуска кода приложения и обработки стека BLE (рисунок 4) является оптимальным решением, которое легко реализовать с помощью программных инструментов от STMicroelectronics и доступных примеров кода.
Рис. 4. Использование BlueNRG-LP в качестве основного процессора Что касается энергопотребления, то BlueNRG-LP является одним из лучших решений на рынке. Ток в спящем режиме составляет 1 мкА. Ток передачи не превышает 4,3 мА, а приема – 3,4 мА (рисунок 5). Среднее потребление при рассылке оповещений 31 байт каждые 3 с может достигать 5,8 мкА (питание 3 В, 0 дБм).
Рис. 5. График изменения потребления BlueNRG-LP На рисунке 6 показана оценка дальности для BlueNRG-LP с помощью инструмента расчета Bluetooth.
Рис. 6. Оценка дальности для BlueNRG-LP на скорости 1 Мбит/с Дальность связи зависит от антенны и окружающей среды. Инженеры STMicroelectronics протестировали дальность связи между двумя платами STEVAL-IDB011V1 (оценочные платы с BlueNRG-LP) с антеннами SMA (всенаправленные, импеданс 50 Ом, максимальное усиление каждой – 1,5 дБм) на открытой местности. Одно из устройств (клиент) изменяло состояние светодиода на удаленном устройстве (сервере) каждые 300 мс. В тестах были достигнуты максимальные расстояния 960 м на скорости 1 Мбит/с и 1300 м в режиме Long Range на скорости 125 кбит/с. Программная поддержкаОрганизация стека BlueNRG-LP позволяет оптимизировать размер приложения, в зависимости от требуемой функциональности, за счет использования микросхемы в одном из следующих режимов: 70 кбайт, устройство на базе BlueNRG-LP выполняет роль клиента (ведомого) при скорости BLE 2 Мбит/с с возможностью рассылки оповещений, а также может работать в режиме Long Range. Прошивку микросхем BLE SoC компании STMicroelectronics можно обновлять по эфиру из приложения ST BLE Sensor, причем для BlueNRG-LP время загрузки составляет всего 5 с. Для защиты памяти программ от копирования и модификации предусмотрены несколько уровней:
Рис. 7. Защита от чтения
Рис. 8. Максимальная защита от чтения и записи Кроме этого, для безопасной передачи прошивки по эфиру можно воспользоваться аутентификацией прошивки перед ее исполнением и осуществлять проверку подписи прошивки корректным закрытым ключом. Для загрузчика доступна аутентификация на основе асимметричного алгоритма (рисунок 9): Закрытый ключ никогда не передается и не хранится внутри микросхемы.
Рис. 9. Аутентификация на основе ассиметричного алгоритма Микросхему BlueNRG-LP можно использовать как для BLE, так и для проприетарной связи на частоте 2,4 ГГц. С помощью BlueNRG-LP можно организовать ВЧ-канал со сверхмалой задержкой ( 100 мкс) для периферийных устройств ПК и игровых применений. Преимущества BlueNRG-LP при использовании драйвера проприетарного режима на частоте 2,4 ГГц: Другой полезной опцией использования решений BLE от STMicroelectronics является создание сетей Bluetooth Mesh, которые обеспечивают простое подключение бытовых устройств к iOS/Android и незаменимы для создания умного дома. Основной идеей такого подключения является децентрализация внутри сети, за счет которой возможна передача данных от любого узла к нескольким другим узлам. Если два устройства находятся слишком далеко друг от друга, их сигналы могут передаваться через промежуточные узлы. Такая связь не требует высокой выходной мощности радиосигналов для покрытия больших расстояний или работы через стены. Преимущества использования Bluetooth Mesh: Схемотехника подключения и средства разработкиМикросхема поставляется в трех корпусах с разным количеством выводов. Типовая схема подключения в 32-выводном корпусе представлена на рисунке 10. Для подключения требуются всего несколько дискретных фильтрующих элементов, балун уже встроен в микросхему (несимметричный выход 50 Ом). Для организации питания можно использовать внутренний преобразователь SMPS и стабилизатор LDO. BlueNRG-LP содержит внутренние программируемые емкости, которые можно использовать для настройки частоты кристалла.
Рис. 10. Схема подключения BlueNRG-LP Для быстрого старта работы с BlueNRG-LP предлагаются оценочные платы STEVAL-IDB011V1 (рисунок 11). На плате STEVAL-IDB011V1 установлена микросхема BlueNRG-LP в корпусе QFN48, MEMS-датчики (акселерометр, датчик давления и температуры, микрофон), внешний кварцевый резонатор 8 МГц, преобразователь USB-UART/SPI, выход для подключения антенны. В отличие от предыдущих версий, плата STEVAL-IDB011V1 включает в себя программатор-отладчик CMSIS-DAP.
Рис. 11. Оценочная плата STEVAL-IDB011V1 В качестве основного программного инструмента компания STMicroelectronics предлагает комплект для разработки программного обеспечения – STSW-BNRGLP-DK, который включает в себя широкий набор примеров, готовых к использованию (рисунок 12). Каждый пример содержит весь необходимый исходный код.
Рис. 12. Примеры для BLE в составе STSW-BNRGLP-DK Некоторые из примеров предлагаемого кода: Также пакет STSW-BNRGLP-DK содержит полный набор исходников драйверов (рисунок 13) для работы с периферией (PWM, I²C, SPI/I 2 S, SPI, USART, UART, PDM, АЦП), а также драйвер для создания проприетарного модуля 2,4 ГГц.
Рис. 13. Периферийные драйверы в составе STSW-BNRGLP-DK В состав STSW-BNRGLP-DK также входит приложение для ПК BlueNRG-LP Navigator (рисунок 14), которое обеспечивает интерактивный, простой и удобный интерфейс для выбора и запуска всех демонстрационных примеров. BlueNRG-LP Navigator обеспечивает доступ к основным компонентам пакета STSW-BNRGLP-DK, таким как: BlueNRG-LP Navigator позволяет напрямую загрузить и запустить выбранный код на оценочную плату с BlueNRG-LP при ее подключении по USB-порту к ПК. В интерфейсе можно просмотреть все описания и конфигурацию плат, а также исходные коды примеров.
Рис. 14. Окна приложения BlueNRG-LP Navigator BlueNRG-LP Radio Init Wizard – это приложение для ПК в составе STSW-BNRGLP-DK, которое позволяет определять нужные параметры, необходимые для инициализации BLE на BlueNRG-LP, на основе конкретного сценария пользовательского приложения (рисунок 15). Для выбранных параметров генерируется конфигурационный заголовочный файл, который в дальнейшем можно применять в пользовательском приложении.
Рис. 15. Окно приложения BlueNRG-LP Radio Init Wizard С помощью автономной утилиты BlueNRG-X Flasher для ПК (рисунок 16) можно осуществлять чтение, стирание данных и программирование микросхем BlueNRG-LP. Эта утилита поддерживает доступ к Flash-памяти через интерфейсы UART и SWD с использованием, соответственно, внутреннего загрузчика UART и стандартного интерфейса SWD через инструменты программирования и отладки SWD (CMSIS-DAP, ST-Link/V2, J-Link).
Рис. 16. Окно утилиты BlueNRG-X Flasher Другим инструментом для оценки возможностей BlueNRG-LP и тестирования связи BLE является программный пакет STSW-BNRGUI (рисунок 17). Этот пакет представляет собой графический интерфейс, позволяющий отправлять и принимать посылки HCI/ACI, а также сохранять историю в файл. В интерфейсе есть вкладка Scripts, где можно загрузить для исполнения один из готовых скриптов на python или создать свой. Интерфейс STSW-BNRGUI позволяет более детально изучать обмен данными по BLE между устройствами.
Рис. 17. Окно графического интерфейса STSW-BNRGUI Помимо перечисленных программных инструментов, компания STMicroelectronics выпустила приложение ST BLE Sensor для Android и iOS, с помощью которого можно быстро и удобно экспортировать данные с устройства BLE по протоколу BlueST и, кроме этого, обновить прошивку устройства по эфиру за несколько секунд. Варианты корпусовМикросхема BlueNRG-LP сейчас доступна в шести исполнениях с разными корпусами и объемами памяти: На рисунке 18 представлена расшифровка наименований микросхем для заказа.
Рис. 18. Расшифровка наименований BlueNRG-LP для заказа Ключевые преимущества BlueNRG-LPРассмотренные характеристики позволяют решениям на основе микросхем BlueNRG-LP отвечать большинству требований в подключении Bluetooth-устройств. BlueNRG-LP предлагает лучший на рынке динамический диапазон расстояний, сверхмалое потребление, расширенную защиту данных и хорошую программную поддержку. Все микросхемы SoC для BLE включены в программу гарантированной десятилетней доступности компонентов STMicroelectronics. Understanding Bluetooth RangeWhat is the range of Bluetooth ® technology? More than a kilometer. Less than a meter.The effective, reliable range between Bluetooth devices is anywhere from more than a kilometer down to less than a meter. What Determines Bluetooth Range? The longer answer to the question about the range of Bluetooth ® technology is it depends. Unlike other wireless technologies, Bluetooth technology is designed to support a wide range of achievable ranges between two devices, providing developers tremendous flexibility to create wireless solutions that best meet the needs of their target use case. Several key factors influence the effective range of a reliable Bluetooth connection, including the following: Radio SpectrumRadio spectrum stretches from 30 Hz to 300 GHz. The lower the frequency the longer the range. However, the lower the frequency the lower the data rate it can support. Bluetooth® technology uses the 2.4 GHz ISM spectrum band (2400 to 2483.5 MHz), which enables a good balance between range and throughput. In addition, the 2.4 GHz band is available worldwide, making it a true standard for low-power wireless connectivity.
Bluetooth® technology provides multiple PHY options, each with different characteristics that determine effective range and data rates. Receiver Sensitivity
Transmit Power
Antenna Gain
Bluetooth® technology designers can choose to implement a variety of antenna options. Antenna design is as much an art as it is a science. Bluetooth devices typically achieve an antenna gain in the range of –10 dBi to +10 dBi. Path Loss
Attenuators can be anything from humidity and precipitation, to walls, windows, and other obstacles made of glass, wood, metal, or concrete, including metal towers or panels that reflect and scatter radio waves. While radio waves can pass through objects, the amount of attenuation and effective path loss varies with the type and density of the obstruction. Think about when you are trying to hear someone in the next room and the difference between the volume and clarity of what you can hear if the wall that separates you is made of wood compared to concrete. BlueNRG-LP — новый чип BLE 5.2 с режимом Long Range BlueNRG-LP — программируемый чип SoC, выпущенный компанией STMicroelectronics. Он соответствует спецификации Bluetooth® Low Energy SIG версии 5.2, поддерживает работу в сетях Bluetooth Mesh, подходит для проприетарной беспроводной связи на частоте 2,4 ГГц для работы в приложениях со сверхмалой задержкой. BlueNRG-LP включает в себя микроконтроллер Cortex®-M0 +, который может работать на частоте до 64 МГц, а также сопроцессор BlueNRG (на базе DMA) для выполнения критически важных по времени операций BLE. Микросхема содержит 256 КБ Flash и 64 КБ RAM.
BlueNRG-LP работает на дистанции 1300 метров в режиме LongRange Главные поддерживаемые характеристики Bluetooth® Low Energy 5.2: передача данных 2 Мбит/с, режим большой дальности Long Range (кодированный PHY), модернизированные широковещательные сообщения (Advertising extention), алгоритм выбора канала № 2, кэширование GATT, режимы «ведущий/ведомый» и «несколько ролей одновременно», поддержка расширенной длины пакета. Кроме того, BlueNRG-LP обеспечивает расширенную аппаратную поддержку безопасной передачи данных за счет специальных аппаратных функций: генератора истинных случайных чисел (RNG), шифрования AES, ускорителя открытого ключа (PKA), блока вычисления CRC, 48-битного уникального идентификатора, защиты от чтения и записи флэш-памяти. BlueNRG-LP можно настроить для поддержки автономных приложений или приложений сетевого процессора. В случае первой настройки BlueNRG-LP работает как единое устройство в приложении для управления как стеком Bluetooth Low Energy, так и кодом приложения. BlueNRG-LP включает в себя высокоскоростные и гибкие типы памяти: Flash-память, одноразовая программируемая (OTP) область памяти 1 КБ, ПЗУ 7 КБ. В BlueNRG-LP встроен 12-разрядный АЦП, позволяющий измерять до восьми внешних и до трех внутренних источников, включая мониторинг батареи и датчик температуры. BlueNRG-LP содержит маломощный RTC и один усовершенствованный 16-битный таймер; стандартные и расширенные интерфейсы связи: 1xSPI, 2xSPI/I2S, 1xLPUART, 1xUSART с поддержкой ISO 7816 (режим смарт-карты), режим IrDA и Modbus, 2xI2C с поддержкой SMBus/PMBus, 1x канал PDM.  Привет, друзья! Сегодня мы с вами поговорим о замечательной  Привет, дорогие дети! Сегодня я хочу рассказать вам  Дорогие дети, сегодня мы поговорим о загадочной поговорке «  Привет, дорогие дети! Сегодня мы поговорим о забавной |
As a result, selecting a radio spectrum comes with tradeoffs between range and data rate.
The physical layer (PHY) of a wireless technology defines the modulation scheme and other techniques it uses to send data over a specific radio frequency (RF) band. This includes the number of channels available, how effectively those channels are utilized, the use of error correction, the guards in place to counter interference, and much more. If you compare RF communication to verbal communication, you can think of the PHY as defining the speed and clarity of your speech. Both impact the range at which you can be heard.
Receiver sensitivity is the measure of the minimum signal strength a receiver can interpret. In other words, it’s the lowest power level at which the receiver can detect a radio signal, maintain a connection, and still demodulate data. Think of receiver sensitivity as a measure of how well you can hear or the quietest sound you can hear and understand.
Choosing a transmit power level is a design tradeoff between range and power consumption. The higher the transmit power, the more likely the signal can be heard at longer distances and the longer the effective range. However, increasing the transmit power increases the power consumption of your device. Think of transmit power like the volume of your voice. 
The louder you speak, the farther away someone can hear you but the more energy it takes.
The antenna converts electrical energy from the transmitter into electromagnetic energy (or radio waves) and vice-versa for the receiver. Antenna location, package size, and design can greatly impact how effective the signal is transmitted and received. And types and sizes of antenna and their efficiency in converting electrical to electromagnetic energy and focusing the direction of the energy can vary greatly.
The effective antenna gain is relevant for both the transmitting and receiving antenna. The directional influence of an antenna is similar to speaking or listening through a cone to focus the energy of the sound.
Path loss is the reduction in signal strength that occurs as a radio wave propagates through the air. Path loss, or path attenuation, occurs naturally over distance and is impacted by the environment in which the signal is being transmitted. Obstacles between the transmitter and the receiver can deteriorate the signal.
