Comment simplifier la connectivité Bluetooth Low Energy avec des modules drop-in miniatures

Le Bluetooth (BT) et son extension Bluetooth Low Energy (BLE) sont devenus des technologies clés pour la communication. Ils permettent aux dispositifs Internet des objets (IoT) de se connecter et de transférer des données sans fil, qu'il s'agisse de texte, d'audio ou de vidéos en streaming.

Cependant, la conception, la mise en œuvre et la certification d'un nœud BT complet requièrent une expertise dans les fonctions analogiques et numériques en bande de base, le traitement embarqué commandé par micrologiciel et la conception radiofréquence (RF) de l'amplificateur frontal à faible bruit du récepteur et de l'amplificateur de puissance de l'émetteur.

Ces fonctions doivent également être prises en charge par une gestion efficace de l'alimentation. De plus, chaque nœud BT doit répondre à une liste exhaustive d'objectifs liés aux performances, ainsi qu'aux exigences réglementaires concernant les interférences RF (RFI) et les interférences électromagnétiques (EMI). Ces obligations peuvent compliquer la conception et ralentir le déploiement des dispositifs.

Cet article fournit un bref aperçu de BLE et de son adéquation aux dispositifs IoT basse consommation. Il présente ensuite des modules BLE prêts à l'emploi d'Ezurio et montre comment ils peuvent contribuer à accélérer le développement de nœuds IoT compatibles BLE.

De Bluetooth à BLE

Bluetooth est une norme ouverte mondiale pour le transfert vocal et de données sans fil, permettant une connectivité sans fil à courte portée économique entre divers dispositifs électroniques. Fonctionnant dans la bande industrielle, scientifique et médicale (ISM) de 2,4 GHz, ses applications incluent la transmission d'audio et de texte sur des distances limitées, le streaming vidéo, l'appairage smartphone-écouteurs et les connexions IoT basse consommation.

La spécification Bluetooth 1.0 prévoyait une portée de 10 m (pour les dispositifs de classe 2), un réseau pair-à-pair simple et un débit de données de 732,2 kbps. Les premiers produits ont été lancés en 2000. Les améliorations apportées aux versions 2.0 (2004) et 3.0 (2009) ont permis d'augmenter les débits de données à 3 et 24 Mbps, respectivement.

Cependant, les besoins en énergie de la liaison BT d'origine étaient trop élevés pour de nombreuses applications cibles. En 2010, la version 4.0 (BLE) a été adoptée et les versions précédentes ont été renommées de manière informelle Bluetooth Classic (Figure 1). Le BLE a permis de réduire la consommation d'énergie d'environ 90 % grâce à un mode veille ultrabasse consommation basé sur une pile de protocoles à faible bande passante optimisée et adaptée aux dispositifs IoT. Ce mode veille permet aux capteurs IoT, aux balises de localisation, aux nœuds de maison intelligente, aux dispositifs médicaux et aux moniteurs d'activité physique de fonctionner pendant des années avec une minuscule pile bouton.

Figure 1 : Comparaison récapitulative de Bluetooth Classic (versions 1.0 à 3.0) et de BLE (versions 4.0 à 6.0). (Source de l'image : MOKOSmart)

Chaque version de BT permet aux concepteurs de choisir et d'équilibrer les compromis en matière de distance, de débit de données et de consommation d'énergie. La dernière version de BLE est la version 6.0 (2024), et elle prend en charge des débits de données maximum entre 1 Mbps et 2 Mbps en mode basse consommation, une portée étendue et des topologies de types pair-à-pair, étoile, diffusion et maillage.

Les modules BLE simplifient l'intégration

Bien que BT soit une technologie polyvalente et adaptée aux liaisons sans fil à courte portée et basse consommation, sa mise en œuvre réelle requiert une combinaison de plusieurs composants et technologies, couvrant le processeur, la mémoire, le frontal RF analogique, l'amplificateur de puissance RF et l'antenne. De plus, il existe une pile et un protocole de liaison de données commandés par logiciel. La sélection et l'intégration de ces différents éléments peuvent s'avérer complexes.

Pour simplifier la conception des dispositifs compatibles BLE, Ezurio a intégré les éléments nécessaires dans ses modules BLE BL54L15 (Figure 2). Au cœur de ces modules se trouve le système sur puce (SoC) nRF54L15 de Nordic Semiconductor.

Figure 2 : La gamme de modules BLE BL54L15 offre des solutions complètes et hautement intégrées, incluant toutes les fonctions nécessaires à une implémentation sans fil réussie. (Source de l'image : Ezurio)

Ces modules présentent notamment les caractéristiques suivantes :

• Traitement double cœur basé sur un processeur Arm Cortex-M33 de 128 MHz et un coprocesseur RISC-V de 128 MHz
• Grande capacité mémoire avec 1,5 Mo de mémoire non volatile (NVM) et 256 Ko de mémoire vive (RAM)
• Sécurité accrue

Ces modules offrent une prise en charge sécurisée et robuste des technologies BLE et 802.15.4, offrant des capacités de programmation flexibles avec le kit de développement logiciel (SDK) nRFConnect de Nordic, le système d'exploitation en temps réel (RTOS) Zephyr et la suite logicielle Canvas d'Ezurio. Canvas offre les capacités de script MicroPython, simplifiant et accélérant le développement d'applications. La configuration globale utilise toutes les fonctionnalités et capacités matérielles du nRF54L15.

Les deux modules BL54L15 sont le 453-00001R (Figure 3, à gauche), qui comporte une antenne de piste de circuit imprimé pré-certifiée, et le 453-00044R (Figure 3, à droite) doté d'un connecteur MHF4 pour la prise en charge d'une antenne externe. Les deux modules fonctionnent avec une alimentation de 1,7 V_CC à 3,5 V_CC et sont logés dans un boîtier compact de 14 mm × 10 mm × 1,6 mm.

Figure 3 : Le 453-00001R (à gauche) est doté d'une antenne de piste de circuit imprimé pré-certifiée, tandis que le 453-00044R (à droite) est équipé d'un connecteur MHF4 pour la prise en charge d'une antenne externe. (Source de l'image : Ezurio)

La radio multiprotocole des modules offre jusqu'à 7 dBm de puissance d'émission (TX) (par incréments de 1 dB) et une sensibilité de réception (RX) de -94 dBm pour un débit de 1 Mbps. Le matériel est conçu et certifié pour une plage de températures industrielles de -40°C à +105°C.

Ces modules intègrent également une sécurité de pointe, prenant en charge le démarrage sécurisé, les mises à jour micrologicielles sécurisées et le stockage sécurisé. Des capteurs anti-violation intégrés détectent les attaques physiques, tandis que les accélérateurs cryptographiques sont renforcés contre les attaques par canal auxiliaire. Ils répondent également à toutes les normes internationales et exigences réglementaires pertinentes en matière de performances BLE et d'émissions et de sensibilité RFI/EMI.

Intégrer une antenne

L'antenne est un composant passif essentiel au fonctionnement des modules BL54L15. Certains concepteurs privilégient une antenne à montage en surface pour des raisons de performances, de positionnement, de taille de boîtier ou de coût, tandis que d'autres préfèrent une antenne de piste de circuit imprimé. C'est pour ces raisons qu'Ezurio propose deux modules BL54L15. Toutefois, leur utilisation requiert une attention particulière de la part des concepteurs.

Par exemple, les performances de l'antenne de piste de circuit imprimé intégrée du 453-00001R dépendent de la topologie de la carte hôte. Il est essentiel de placer le 453-00001R sur le bord de la carte hôte pour permettre le rayonnement optimal de l'antenne (Figure 4). Cette zone d'exclusion mesure environ 5 mm de large et 28,6 mm de long, avec une hauteur de diélectrique de carte (sans cuivre) de 1,57 mm sous le module 453-00001R.

Figure 4 : La zone d'exclusion de l'antenne de piste de circuit imprimé (indiquée en rouge) du module 453-00001R est essentielle pour atteindre des performances optimales. (Source de l'image : Ezurio)

Ezurio donne quelques conseils importants concernant l'utilisation de cette antenne de piste de circuit imprimé intégrée avec des boîtiers en plastique et en métal :

• Pour éviter de compromettre sérieusement l'accord de l'antenne, la distance de sécurité minimum pour les métaux est de 40 mm en haut/en bas et de 30 mm à gauche et à droite.
• Tout métal à proximité de l'antenne unipolaire de piste de circuit imprimé (dans n'importe quelle direction) dégradera les performances de l'antenne. Le degré de dégradation dépend entièrement du système ; les concepteurs devront effectuer des tests avec leur application hôte.
• Tout métal situé à moins de 20 mm de la zone d'exclusion entraîne une dégradation significative des performances (S11, gain, rendement d'antenne).
• Testez la portée avec un prototype du produit afin d'évaluer les effets de la hauteur et du matériau du boîtier (métal ou plastique), ainsi que la mise à la terre de la carte hôte.

Comme alternative au 453-00001R, les concepteurs peuvent choisir le module 453-00044R BL54L15 avec le connecteur micro-coaxial MHF4. Une option d'antenne externe appropriée inclut l'EMF2449A1-10MH4L à montage en surface (Figure 5, gauche) (36 mm × 12 mm × 0,1 mm), avec une carte flexible pour les boîtiers courbés à espace restreint. Une autre option d'antenne est l'EBL2400A1-10MH4L (Figure 5, à droite) (44,45 mm × 12,7 mm × 0,81 mm). Cette antenne intègre un plan de masse dans sa structure de résonateur, éliminant le recours à un plan de masse supplémentaire pour un rayonnement efficace.

Figure 5 : Parmi les options d'antennes disponibles pour le module 453-00044R figurent l'antenne de carte flexible EMF2449A1-10MH4L (à gauche) et l'antenne EBL2400A1-10MH4L avec plan de masse intégré (à droite). (Source de l'image : Ezurio)

En plus de la connectivité BLE, la série BL54L15 prend en charge les balises NFC-A et Zigbee.

Cartes d'évaluation et support logiciel

Pour accélérer le cycle de développement complet des produits, Ezurio propose deux cartes d'évaluation, à savoir la carte 453-00001-K1 (Figure 6) pour le 453-00001R avec son antenne de piste de circuit imprimé intégrée et la carte 453-00044-K1 pour le 453-00044R avec une antenne à montage en surface.

Figure 6 : Carte de développement 453-00001-K1 pour le module BLE 453-00001R. (Source de l'image : Ezurio)

Conclusion

La technologie BLE est devenue une norme et un protocole sans fil essentiels pour les connexions à courte portée et basse consommation. Ezurio propose des modules BLE compacts, des cartes d'évaluation et des logiciels permettant d'intégrer rapidement et efficacement le BLE dans les produits finaux.