SoC Bluetooth 5.1 : solution ultra-compacte, bas coût pour appareils IoT

Bluetooth Low Energy (BLE) est devenu l'épine dorsale de l'écosystème IoT, permettant des liaisons sans fil courte portée, basse consommation qui maintiennent les gadgets alimentés par batterie en marche pendant des mois, voire des années. La croissance explosive des trackers de fitness, montres connectées et autres wearables a accéléré l'adoption du BLE dans l'industrie.

Un dispositif Bluetooth typique (Fig. 1) est composé d'un hôte et d'un contrôleur. L'hôte exécute la pile Bluetooth et la logique d'application côté hôte, tandis que le contrôleur gère les opérations de bande de base pour le Bluetooth classique (BR/EDR) ou le BLE. Les deux communiquent via l'interface hôte-contrôleur (HCI).

Fig. 1 : Diagramme de blocs de l'architecture Bluetooth mono-mode et dual-mode.

Le BLE est apparu pour la première fois dans Bluetooth 4.0, avec les révisions 4.1 et 4.2 ajoutant des améliorations incrémentielles. Le vrai saut est venu avec Bluetooth 5, qui a introduit un débit de 2 MB/s, une quadruplication de la portée à 240 m, et des améliorations significatives d'économie d'énergie.

Bluetooth 5.1, annoncé fin 2018, a construit sur ces gains en ajoutant des capacités de localisation. La norme prend en charge deux techniques de positionnement — angle d'arrivée (AoA) et angle de départ (AoD) — permettant aux appareils de déterminer leur position mutuelle avec une précision au mètre.

Aujourd'hui, la plupart des wearables reposent sur le BLE car il offre une solution rentable, ultra-basse consommation qui peut être alimentée par une minuscule batterie pendant des mois, voire des années. Dialog Semiconductor a introduit ce qu'il appelle le plus petit et plus économe en énergie SoC Bluetooth 5.1, le DA14531. Le module accompagnant rationalise le développement et ouvre des opportunités plus larges pour les déploiements IoT.

Le SoC SmartBond TINY est construit autour d'un cœur ARM Cortex-M0+ 32 bits, avec mémoires intégrées et un ensemble complet de périphériques analogiques et numériques. En intégrant étroitement ces fonctions, Dialog réduit l'empreinte des solutions BLE tout en maintenant une haute performance. En gros volumes, la capacité BLE du SoC peut être ajoutée pour aussi peu que 0,50 $.

Son boîtier de 2,0 × 1,7 mm rend le DA14531 idéal pour les appareils à espace contraint tels que stylets électroniques, étiquettes de rayon, balises et tags RFID actifs pour le suivi d'actifs. La puce convient aussi aux applications nécessitant du provisionnement, comme caméras, imprimantes et routeurs sans fil.

Le DA14531 étend la connectivité sans fil dans l'arène médicale connectée. Les cas d'usage potentiels incluent inhalateurs, distributeurs de médicaments, balances, thermomètres et glucomètres (Fig. 2).

Fig. 2 : Diagramme de blocs du DA14531.

Logé dans un boîtier de 2,0 × 1,7 mm, le SmartBond TINY est environ moitié plus petit que ses prédécesseurs, selon Dialog. Le SoC n'a besoin que de six composants externes — une seule source d'horloge et une alimentation — pour former un système Bluetooth basse énergie complet (Fig. 3). Cette empreinte minimale permet aux concepteurs d'intégrer la puce dans pratiquement n'importe quelle conception de surveillance RF.

« Les composants externes sont vraiment limités ; deux condensateurs sont requis. L'inductance de puissance peut être omise sous certaines conditions », a déclaré Adrie Van Meijeren, responsable marketing produit Amériques, Bluetooth Low Energy, chez Dialog Semiconductor.

Fig. 3 : Diagramme de système alimenté par pile alcaline — configuration boost.

La conception du module garantit longévité et fiabilité même avec de petites batteries, et libère les clients du fardeau de certifier leurs propres plateformes, économisant ainsi temps, efforts et coûts. Le convertisseur DC/DC intégré du DA14531 prend en charge une large plage d'entrée de 1,1 V à 3,3 V.

« Concernant les batteries et le convertisseur DC/DC, nous pouvons travailler avec n'importe quelle batterie 1,4 V/1,5 V en plus des piles bouton 3 V. Comme le convertisseur boost est embarqué, il réduit le coût. L'efficacité du DC/DC dépend légèrement de la qualité de l'inductance, mais on peut atteindre environ 85 % d'efficacité », a expliqué Van Meijeren.

« La fonctionnalité DC/DC est cruciale, surtout pour les batteries jetables. Ces batteries ont souvent de minuscules capacités — environ 15 mAh. Le courant de démarrage du convertisseur boost limite l'inductance et les condensateurs, et nous fournissons un limiteur de courant réglable entre 6 mA et 96 mA, nous permettant de démarrer depuis n'importe quelle batterie, quel que soit son état », a-t-il ajouté.

Avec la consommation ultra-faible du BLE, de nombreuses applications peuvent fonctionner sur une seule petite batterie pendant quatre ou cinq ans, ce qui est essentiel pour les appareils qui n'échangent que de petites rafales de données par intermittence.

Dialog propose également le Kit de développement DA14531 SmartBond TINY, qui intègre le SoC et fournit deux en-têtes mikroBUS et une interface Arduino pour une fonctionnalité étendue (Fig. 4).

Fig. 4 : Kit de développement DA14531 SmartBond TINY Pro.

Le Bluetooth est présent dans environ 8,2 milliards d'appareils dans le monde, des smartphones aux ordinateurs portables. Cisco prédit qu'en 2020 plus de 50 milliards d'appareils intelligents seront en usage, le Bluetooth SIG en supportant jusqu'à un tiers.

Avec des milliards d'appareils compatibles BLE sur le marché, la gamme d'applications est virtuellement illimitée. Sélectionner le BLE pour un projet nécessite une considération attentive du format, des caractéristiques électriques, de la fonctionnalité désirée, des outils de développement logiciel et du support technique.