Använd en avancerad Bluetooth 5.2 SoC för att bygga säkra och strömsnåla IoT-enheter

Bluetooth-konnektivitet och strömsnål prestanda är kritiska krav i batteridrivna konstruktioner bakom högvolymprodukter för sakernas internet (IoT), bärbara produkter, smarta hem och byggnadsautomation. I dessa konstruktioner har utvecklarna kämpat för att hitta kostnadseffektiva Bluetooth-SoC-enheter (system-om-chip) som kan ge högpresterande funktion inom snäva effektbudgetar. Alltför ofta tvingas utvecklarna kompromissa med någon aspekt av prestandan eller till och med mer kritiska egenskaper, som säkerhet, för att uppfylla kraven på strömsnåla lösningar till låga kostnader.

För att minska kompromissbehovet har Bluetooth 5.2-specifikationen lagt till strömbesparande funktioner som LE Power Control, PAST (periodic advertising sync transfer), likväl som avancerad strömsnål mesh-nätverksteknik samt platsspårningsfunktioner. Det krävs en integrerad krets med stöd för dessa funktioner och som stöds av relaterade utvecklingssatser samt programvara som tillåter utvecklarna att komma igång snabbt och effektivt med de strömsnåla förbättringarna i Bluetooth 5.2.

Den här artikeln visar hur Silicon Labs EFR32BG22 Bluetooth Low-Energy 5.2 SoC-familj kan uppfylla de breda krav på kraft och prestanda som krävs i batteridrivna produkter. Med EFR32BG22 SoC-familjen och dess förknippade utvecklingsekosystem kan utvecklarna bygga IoT-enheter och andra batteridrivna produkter som kan drivas i fem år med ett CR2032-knappcellsbatteri eller över 10 år med ett CR2354-batteri.

Optimera effekten med avancerade BLE-funktioner

Bluetooth-konnektivitet har blivit en vanlig funktion i konsumentprodukter, men tillgängligheten till mer avancerade BLE-funktioner (Bluetooth Low Energy) förväntas medföra ett antal mer avancerade produkter för IoT, bärbara produkter och andra mobila produkter. Med dessa funktioner ställs utvecklarna dessutom inför underliggande förväntningar på utökad batterilivslängd och förbättrad säkerhet i sina produkter.

Bakom Bluetooth-datautbyte, mesh-nätverkstransaktioner eller platstjänståtgärder är valet av sändareffekt kritiskt för att uppnå ett högt signal-brusförhållande (SNR). Om sändaren har för låg effekt kan ett mindre SNR leda till högre felfrekvens. Om effekten ställs för högt slösar sändaren inte bara energi utan dess högeffektsignal kan leda till kommunikationsfel genom att öka störningarna i flernodsnät eller genom att mätta mottagare i närheten.

Effektreglering: Införandet av LE Power Control-funktionen i Bluetooth 5.2 åtgärdar dessa problem med ett protokoll som tillåter BLE-enheter att interagera med dessa mottagare för att uppnå optimal sändareffekt. Här kan en mottagare använda LE Power Control-protokollet för att begära att en kompatibel sändare ändrar sin sändningseffekt för att förbättra mottagarens SNR. På motsvarande sätt kan en sändare använda LE Power Control-data för att vid behov sänka sin sändningseffekt till en nivå som passar mottagaren. Här kan sändaren använda RSSI-indikatorn (received signal strength indicator) från mottagaren för att oberoende ställa in sändarens uteffekt.

I vissa tillämpningar är utvecklarna mindre inriktade på att optimera sändareffekten, utan vill istället se till att enheten har tillräcklig sändareffekt för att nå en värd eller en kommunikationshubb. Behovet av att säkerställa effektiv trådlös konnektivitet över längre avstånd har traditionellt varit på kollisionskurs med kraft och säkerhet, särskilt i resursbegränsade konstruktioner i batteridrivna produkter.

Mesh-nätverk: BLE-mesh-nätverk kan hjälpa till att eliminera behovet av hög sändareffekt för att nå fjärrvärdar. Här kommunicerar batteridrivna enheter med lågeffektkommunikation med närliggande ledningsdrivna noder. Eftersom en strömsnål enhets meddelanden förmedlas från nod till nod kan den kommunicera på avstånd som inte är möjliga ens med enhetens maximala sändareffekt och mottagarkänslighet. I tillämpningar som hem- eller byggnadsautomation kan utvecklarna dra ännu större nytta av Bluetooths sändningsfunktioner och få flera enheter att reagera på ett enda kommando för att exempelvis ändra gatubelysningen. Med Bluetooth Low Energy kan dessa mesh-nätverksprotokoll hjälpa till att hantera de motstridiga kraven på utökat driftområde och strömsnål drift.

Platstjänster: Bluetooth-platstjänster innebär utmaningar både när det gäller effektiv radiofunktion och behov av effektiv signalbehandling. Tillgängligheten till funktioner för radioriktningsidentifiering i Bluetooth gör det möjligt för utvecklarna att implementera realtidslokaliseringssystem (RTLS) för tillgångsspårning eller inomhuspositionssystem (IPS) för navigering i byggnader. Med införandet av stöd för riktningsidentifiering med infallsvinkel (AoA) och avgångsvinkel (AoD) i Bluetooth 5.1 kan RTLS- och IPS-tillämpningar uppnå en nivå av positionsprecision bortom den som varit tillgänglig med tidigare metoder baserade på the RSSI.

AoA- och AoD-metoderna ger kompletterande funktioner. Mottagare med flera antenner kan använda AoA-beräkningar för att spåra positionen för en rörlig tillgång som sänder en riktningsidentifieringssignal från en enskild antenn. Sändare med flera antenner kan göra det möjligt för till exempel en bärbar enhet att använda AoD-beräkningar för att avgöra sin position (figur 1).

Figur 1: Bluetooths AoA-metod gör det möjligt för en mottagare att använda en antennmatris för att bestämma positionen för en sändande enhet medan AoD-metoden tillåter en sändande enhet, till exempel en bärbar enhet, att hitta sin egen position i förhållande till en antennmatris. (Bildkälla: Bluetooth SIG)

I båda metoderna använder AoA-mottagarna eller AoD-enheterna kvadratursignalbehandling för att bestämma fasförskjutningen för den signal som mottagits eller sänts av flerantennmatrisen. Enhetskraven skiljer sig för den tillgång som spåras med AoA-metoder och enheter som bestämmer sin position med AoD-metoder. Den spårade tillgången kräver lägsta möjliga strömförbrukning för att säkerställa längre batterilivslängd vid sändning. Platsidentifieringsenheten kräver å andra sidan tillräcklig processningskraft för att hantera fasförskjutningsberäkningarna med de sända i-fas- (I) och kvadraturkomponenterna (Q) som är förknippade med den nödvändiga IQ-samplingen för att bibehålla korrekt positionsinformation vid rörelse.

Ytterligare Bluetooth-funktioner gör det möjligt för utvecklarna att minska strömförbrukningen utan att förlora precision i positionsbestämningen. Om AoD ska implementeras i en bärbar enhet, till exempel, tillåter Bluetooth-protokollet sändaren och mottagaren att synkronisera sina aktiviteter så att de båda aktiveras samtidigt för att slutföra en platssökning. Denna metod eliminerar behovet för enheterna att slösa energi på att slumpvis skicka eller lyssna efter annonseringspaket. Trådlösa processorer kan enkelt vila i lågeffektläge tills inbyggda timers aktiverar dem vid önskad tidpunkt. Den här synkroniserade metoden lindrar även konflikterna och bristen på effektivitet som skulle uppstå om ett stort antal sändare och mottagare användes i närheten av varandra.

Bluetooths PAST (periodic advertising sync transfer) gör det möjligt att ytterligare minska strömförbrukningen för parkopplade enheter som bärbara enheter och smarttelefoner (figur 2).

Figur 2: Istället för att förbruka effekt för att underhålla sin egen synkroniserade anslutning till en sändare (vänster), kan en bärbar enhet använda Bluetooths PAST-mekanism för att minska effektförbrukningen genom att förlita sig på en parkopplad smarttelefon för att tillhandahålla nödvändig synkroniseringsdata (höger). (Bildkälla: Bluetooth SIG)

Med PAST förlitar sig den bärbara enheten på smarttelefonens periodiska annonssynkronisering med sändaren. Det innebär att den bärbara enheten med sin begränsade strömförbrukning kan undvika strömkostnaderna som är förknippade med att aktivera och utföra den synkroniserade annonseringstransaktionen med sändaren. Om det behövs under förhållanden med lågt batteri, kan den bärbara enheten gå längre genom att minska uppdateringstakten hos sin positionsdata med smarttelefonen och minska positionsprecisionen för längre drifttid.

För att utnyttja BLE:s avancerade funktioner fullt ut behöver dock utvecklarna en Bluetooth-SoC som kan uppfylla de motstridiga kraven på minskad strömförbrukning och högre beräkningskapacitet. Silicon Labs EFR32BG22 Bluetooth Low-Energy 5.2 SoC-familj är särskilt utformad för att uppfylla dessa krav i batteridrivna produkter som tillverkas i stora volymer.

Uppfylla kraven på strömförbrukning och prestanda

Silicon Labs EFR32BG22 Bluetooth Low-Energy 5.2 SoC-familjens arkitektur bygger på Arm® Cortex®-M33-kärnan och innehåller en omfattande uppsättning funktioner och egenskaper som krävs i konstruktioner för batteridrivna IoT-enheter, bärbara enheter och andra mobila produkter (figur 3).

Figur 3: Silicon Labs EFR32BG22 SoC-arkitektur kombinerar en Arm Cortex-M33-kärna och en omfattande uppsättning av periferienheter med funktioner som är utformade för att optimera BLE-kommunikation, förbättra säkerheten och minimera strömförbrukningen i strömsnåla konstruktioner. (Bildkälla: Silicon Labs)

Tillsammans med Arm Cortex-M33-kärnan och förknippat minne kombinerar den grundläggande EFR32BG22 SoC-arkitekturen en omfattande uppsättning seriella gränssnitt, GPIO-kanaler, klockor och timers. Den integrerade 12-bitars-A/D-omvandlaren har stöd för enpols- eller differentialingångsprocessning med upp till 1 megasample per sekund (MSPS) med en ny arkitektur som kombinerar element från SAR- (successivt approximationsregister) och delta-sigma-omvandlare.

I EFR32BG22-familjen är de olika familjemedlemmarna utformade för att uppfylla specifika krav för processning och Bluetooth-funktioner. Till exempel kan utvecklare som tar fram konstruktioner med mer beräkningsintensiva krav välja EFR32BG22C222 SoC-enheten, som ger en kärna med högre hastighet, fler GPIO-enheter och högre sändningseffekt (TX). För konstruktioner som byggts för RTLS- eller IPS-tillämpningar kan utvecklarna vända sig till EFR32BG22C224 SoC med inbyggd stöd-IQ-sampling och ökad mottagarkänslighet (RX).

Som grund för varje medlem i EFR32BG22-familjen finns ett komplett radiosubsystem, en säkerhetsmodul samt en energihanteringsenhet som erbjuder många olika tjänster som krävs för säker strömsnål Bluetooth-kommunikation.

Bluetooth-radiosubsystem med låg effekt

EFR32BG22-familjens radiosubsystem har stöd för Bluetooth Low Energy 5.2 via separata sändnings- och mottagningssignalbanor som styrs med en dedikerad processorkärna (Arm Cortex-M0+) med ultralåg effekt. Radiosubsystemets konstruktion kompletterar processningskapaciteten hos denna kärna med dedikerade block, inklusive en frame-styrenhet (FRC), en modul för cyklisk redundanskontroll (CRC) och en dedikerad radiobuffertstyrenhet (BUFC) som hanterar RAM-buffertar (figur 4).

Figur 4: EFR32BG22 SoC integrerar ett komplett BLE-radiosubsystem som styrs av en dedikerad Arm Cortex-M0+-processorkärna. (Bildkälla: Silicon Labs)

Sändningsbanan bygger på en sändararkitektur med direkt omvandling och innehåller en effektförstärkare i kretsen med modulator- (MOD) och frekvenssyntetiserare. Om eventuella nödvändiga CSMA/CA- (carrier-sense multiple access with collision avoidance) eller LBT-protokoll (listen-before-talk) körs, hanterar radiostyrenheten Arm Cortex-M0+ automatiskt timingen av den nödvändiga frameöverföringen.

Mottagningsbanan använder en mottagararkitektur med låg mellanfrekvens (IF) som integrerar en lågbrusförstärkare (LNA), automatisk förstärkningskontroll (AGC) samt IF ADC som gör det möjligt för enheten att utföra demodulering (DEMOD) digitalt med decimering och filtrering som kan konfigureras för att ge stöd för mottagarbandbredd från 0,1 to 2530 kilohertz (kHz). Slutligen genererar RX-signalkedjan mottagar-RSSI-värdet som används för många olika tjänster inklusive effektoptimering, signalkvalitetsstyrning, närhetsavkänning med mera.

Silicon Labs RFSENSE-modul används parallellt med RX-signalbanan och övervakar ingångssignalen och aktiverar enheten när den känner av RF-energi över en angiven tröskel. För att hjälpa till att minska falska varningar vid användning i elektriskt brusiga miljöer ger RFSENSE-modulen även ett selektivt läge som endast genererar aktiveringssignalen när den känner av ett mönster i energin istället för en topp av slumpmässig RF-energi. I det här fallet motsvarar energimönstret ett OOK-inledningsmönster (on-off keying) i ett skickat paket, så det är mer troligt att energin som identifieras av RFSENSE-modulen signalerar en faktisk kommunikationstransaktion.

Hårdvarustöd för att bygga säkra system

Att säkra batteridrivna anslutna enheter kräver lösningar som har varit inkompatibla med de funktioner och egenskaper som traditionella processorer använde i tidigare konstruktioner. Traditionella processorer är byggda för användning under mindre sårbara förhållanden och saknar därför vissa av de fysiska och funktionella egenskaper som krävs för att skydda dagens IoT-enheter och bärbara enheter. Till exempel gör den stora tillgängligheten till IoT-baserade och bärbara konstruktioner det lätt för hackare att angripa dess konstruktioner med sidokanalmetoder som DPA (differential power analysis) som kan exponera hemlig data och privata nycklar. Med dessa nycklar kan hackare använda olika metoder för att efterlikna verkliga enheter och komma åt säkra nätverk och förmodat skyddade enheter. För hackarna är det dessutom ännu enklare att rutinmässigt göra intrång i trådlösa nätverk för att nå dåligt skyddade anslutna enheter som en start på den typen av angrepp.

För konstruktörerna har kraven på kortast möjliga materiallistor och längre batterilivslängd ofta tvingat dem att använda programvarubaserade säkerhetsmetoder. Tyvärr är dessa metoder lika sårbara som programvaran och operativsystemet. Från användarens perspektiv kan det vara ännu värre att säkerhetsmekanismer som endast implementeras i programvaran innebär tydliga fördröjningar i kommunikationen och applikationens upplevda svarshastighet. För att förstärka säkerheten utan att offra prestandan, är anslutna konstruktioner beroende av en hårdvarubaserad säkerhetsmekanism.

EFR32BG22-familjen hjälper utvecklarna att skydda enhetskonstruktioner med en kombination av hårdvarubaserade säkerhetsmekanismer. I kärnan av dessa mekanismer finns en kryptografisk accelerator som påskyndar kryptering och dekryptering av data med ett stort urval av AES-baserade (Advanced Encryption Standard) nyckellängder och lägen. För autentiserings- och signeringsåtgärder ger acceleratorn stöd för populära ECC-baserade (elliptic curve cryptography) kurvor och hashningar.

På lägre nivå används en äkta slumptalsgenerator (TRNG) som ger de icke-deterministiska siffermönster som krävs för att minska hoten från användningen av slumptalsgeneratorer som är kända för att upprepa siffermönster. En mekanism på ännu lägre nivå skyddar acceleratorn från den typ av sidokanal-DPA-angrepp som nämndes ovan.

Att implementera systemsäkerhet med dessa mekanismer är endast halva striden för eventuella anslutna produkter. Att minska hoten i distribuerade system är en ständig kamp som görs ännu svårare i sofistikerade batteridrivna konstruktioner. När utvecklarna har distribuerat en i övrigt säker konstruktion har de tidigare lämnat den exponerad för angrepp med skadlig kod eller till och med penetrering via öppna felsökningsgränssnitt. EFR32BG22-familjen åtgärdar båda dessa problem genom specialiserade funktioner som är utformade för att minska intrång med skadlig kod i fast programvara och felsökningsgränssnitt.

Dessa SoC:er erbjuder en säkerhetsfunktion som kallas säker start med betrodda säkerhetsfunktioner och säker inläsare (RTSL) som använder en starthanteringslösning i två steg som är utformad för att säkerställa att ett EFR32BG22-baserat system endast startas med autentiserad fast programvara (figur 5).

Figur 5: Med stöd av Silicon Labs EFR32BG22 SoC-familj bygger Secure Boot med RTSL en betrodd säkerhetsfunktion med betrodd fast programvara som bootas från ROM. (Bildkälla: Silicon Labs)

Säker start med RTSL åtgärdar en svaghet i äldre enstegsstartsekvenser som gjorde det möjligt för hackare att ta fullständig kontroll över ett anslutet system genom att boota det med angripen fast programvara. Användning av signerad fast programvara kan tyckas vara en lösning på det här problemet. I praktiken innebär dock förfalskade certifikat som används för att signera fast programvara eller användning av legitima certifikat som införskaffats obehörigt av hackare, att till och med signerade starthanteringslösningar kan vara exponerade för angrepp.

Ett EFR32BG22-baserat system etablerar dock betrodda säkerhetsfunktioner som bygger på en förstastegs-bootloader som hämtar betrodd fast programvara från ROM. Den här betrodda programvaran använder i sin tur strikta autentiseringsmetoder för att verifiera källan till och integriteten hos det andra stegets bootloaderkod, som därefter verifierar och läser in applikationskoden.

Förmågan att bygga en systemlösning på betrodda säkerhetsfunktioner gör det möjligt för utvecklarna att leverera produkter med hög tilltro till programvarans integritet även via OTA-uppdateringscykler för programvaran. Ibland behöver dock utvecklarna djupare tillgång till dessa system via systemets felsökningsport.

Att distribuera en systemlösning med en öppen felsökningsport är dock att bjuda in problem. EFR32BG22-familjens säkra felsökningsfunktion erbjuder en praktisk lösning för utvecklare av komplexa programvarusystem som behöver kunna felsöka utan att utsätta hela systemet för risk. Med säker felsökning använder utvecklarna säkra autentiseringsmekanismer för att låsa upp felsökningsporten och få den insyn de behöver för felanalys utan att riskera sekretessen för användardata i det distribuerade systemet.

Optimera strömförbrukningen

De effektivaste Bluetooth-kommunikations- och säkerhetsmekanismerna innebär dock att batteridrivna enheter får en nackdel om det inte går att tillhandahålla längre batterilivslängd. EFR32BG22 SoC-arkitekturen innehåller funktioner för energihantering och effektoptimering. Dessa SoC-enheter drar full nytta av den strömsnåla Arm Cortex-M33-kärnan och förbrukar endast 27 μA/MHz och körs på maximal frekvens (76,8 MHz) i sitt helt aktiva läge (EM0) med alla periferienheter frånkopplade.

Under inaktiva perioder kan utvecklarna försätta SoC-enheten i något av flera strömsnåla lägen inklusive viloläge (EM1), djupt viloläge (EM2), stopp (EM3) och avstängning (EM4). När SoC-enheten övergår till strömsparlägena stänger den integrerade energihanteringsenheten (EMU) av ett ökande antal funktionsblock tills ett minimiantal block som krävs för att kunna återaktivera SoC-enheten drivs (se figur 3). Dessutom sänker EMU automatiskt spänningsnivån vid övergången till lägre effektlägen. I ett 3,0 V-system som använder den interna DC-DC-omvandlaren och med alla periferienheter avaktiverade sjunker strömförbrukningen betydligt till 17 μA/MHz (76,8 MHz drift) i viloläge, 1,4 μA i djupt viloläge med full RAM-lagring, 1,05 μA i stoppläge och 0,17 μA i avstängt läge.

I tidigare processorer ställdes utvecklarna inför ett svårt val när de tvingades välja ett lågeffektläge på grund av den långa tid det tog att återaktivera dessa processorer. En utökad aktiveringstid tvingar inte bara systemet att vara okontaktbart under aktiveringsperioden utan förbrukar även onödig energi på att utföra improduktiva åtgärder som var förknippade med dessa återaktiveringsprocesser. Ofta tvingades utvecklarna välja ett högre effektläge än det som krävdes för att säkerställa att processorn skulle vakna i tid. Till skillnad från detta kräver ett EFR32BG22-baserat system som körs från RAM endast 1,42 μs för att väckas från EM1-villäge eller 5,15 μs från EM2-djupvila eller EM3-stoppläge. Till och med återaktivering från avstängt läge tar bara 8,81 ms, vilket ofta är under den minimala uppdateringsperioden för många batteridrivna bärbara enheter eller IoT-enheter.

Möjligheten att dra full nytta av dessa relativt snabba väckningstider bygger på tillgängligheten till mekanismer som kan bibehålla viss aktivitet även när SoC-enheten är i sitt EM3-stoppläge. Tillsammans med funktioner som RFSENSE som beskrivits tidigare gör andra funktionsblock som SoC-enhetens realtidsklocka (RTC) det möjligt för enheten att behålla klockinställningen i viloläge, och dess lågenergitimer (LETIMER) gör det möjligt för enheten att generera olika vågformer eller tillhandahålla räknare för olika periferienheter. Periferienheter på kretsen kan fortsätta att arbeta tack vare SoC-enhetens PRS-system (Peripheral Reflex System), som kan leda signaler mellan olika periferienheter på kretsen och utföra grundläggande logiska åtgärder under detta – allt utan processorinblandning.

Effektiv systemutveckling

För att påskynda implementeringen av EFR32BG22-baserade lösningar kan utvecklarna dra nytta av en omfattande uppsättning verktyg och bibliotek som är byggda omkring Silicon Labs integrerade utvecklingsmiljö (IDE) Simplicity Studio. I sin programvaruutvecklingssats (SDK) för Bluetooth Low Energy ger Silicon Labs stöd för avancerade funktioner inklusive Bluetooth-mesh-nätverk, AoA- och AoD-processning samt säkra fjärruppdateringar av fast programvara. Utöver en full uppsättning Bluetooth-profiler innehåller SDK exempelprogram och källkod för att implementera anpassad programvara.

Slutsats

Snabbt ökande efterfrågan på avancerade BLE-funktioner i batteridrivna mobila produkter utsätter utvecklarna för ökande tryck att lösa konflikten mellan önskad prestanda och tillgänglig effekt. Tidigare ledde dessa motstridiga krav ofta till kompromisser med systemkapacitet, storlek och kostnad. Med en avancerad Bluetooth SoC kan dock utvecklarna bygga IoT-enheter för volymproduktion och andra batteridrivna produkter som kan ge stöd åt nästa generations funktioner, såsom inomhusnavigering och mesh-nätverk och köras i flera år på ett enda knappcellsbatteri.

Övriga produkter i EFR32BG22-sortimentet är bl.a.:

1. Thunderboard trådlös molnsats
2. Trådlös startsats
3. SLWRB4182A EFR32BG22 (QFN40) radiokort