SoC Bluetooth 5.1: solución ultra‑compacta y low‑cost para dispositivos IoT

Bluetooth Low Energy (BLE) se ha convertido en la columna vertebral del ecosistema IoT, permitiendo enlaces inalámbricos de corto alcance y bajo consumo que mantienen gadgets alimentados por batería funcionando durante meses o incluso años. El crecimiento explosivo de rastreadores de fitness, smartwatches y otros wearables ha acelerado la adopción de BLE en la industria.

Un dispositivo Bluetooth típico (Fig. 1) se compone de un host y un controlador. El host ejecuta la pila Bluetooth y la lógica de aplicación del lado host, mientras el controlador maneja operaciones de baseband para Bluetooth clásico (BR/EDR) o BLE. Ambos se comunican a través de la interfaz host‑controlador (HCI).

Fig. 1: Diagrama de bloques de arquitectura Bluetooth single‑mode y dual‑mode.

BLE apareció por primera vez en Bluetooth 4.0, con revisiones posteriores 4.1 y 4.2 añadiendo refinamientos incrementales. El verdadero salto llegó con Bluetooth 5, que introdujo una tasa de datos de 2 MB/s, un aumento cuádruple en cobertura a 240 m y mejoras significativas de ahorro de energía.

Bluetooth 5.1, anunciado a finales de 2018, construyó sobre esas ganancias añadiendo capacidades de localización. El estándar soporta dos técnicas de posicionamiento —ángulo de llegada (AoA) y ángulo de salida (AoD)— permitiendo a los dispositivos determinar la posición mutua con precisión de nivel metro.

Hoy la mayoría de wearables dependen de BLE porque ofrece una solución rentable, ultra‑low‑power que puede alimentarse con una batería diminuta durante meses o incluso años. Dialog Semiconductor ha introducido lo que llama el SoC Bluetooth 5.1 más pequeño y energéticamente eficiente, el DA14531. El módulo acompañante agiliza el desarrollo y abre oportunidades más amplias para despliegues IoT.

El SoC SmartBond TINY está construido alrededor de un núcleo ARM Cortex‑M0+ de 32 bits, con memorias integradas y un conjunto completo de periféricos analógicos y digitales. Al integrar estrechamente estas funciones, Dialog reduce la huella de soluciones BLE manteniendo alto el rendimiento. En grandes volúmenes, la capacidad BLE del SoC puede añadirse por tan solo 0,50 $.

Su paquete de 2,0 × 1,7 mm hace al DA14531 ideal para dispositivos con restricciones de espacio como styluses electrónicos, etiquetas de estantería, beacons y tags RFID activos para seguimiento de activos. El chip también se adapta a aplicaciones que requieren aprovisionamiento, como cámaras, impresoras y routers inalámbricos.

El DA14531 extiende la conectividad inalámbrica al ámbito médico conectado. Casos de uso potenciales incluyen inhaladores, dispensadores de medicinas, básculas, termómetros y glucómetros (Fig. 2).

Fig. 2: Diagrama de bloques del DA14531.

Albergado en un paquete de 2,0 × 1,7 mm, el SmartBond TINY es aproximadamente la mitad del tamaño de sus predecesores, según Dialog. El SoC necesita solo seis componentes externos —una única fuente de reloj y una fuente de alimentación— para formar un sistema Bluetooth low‑energy completo (Fig. 3). Esta huella mínima permite a los diseñadores integrar el chip en virtualmente cualquier diseño de monitorización RF.

“Los componentes externos son realmente limitados; se requieren dos condensadores. El inductor de potencia puede omitirse bajo ciertas condiciones”, dijo Adrie Van Meijeren, gestor de marketing de producto Americas, Bluetooth Low Energy, en Dialog Semiconductor.

Fig. 3: Diagrama de sistema alimentado por celda alcalina — configuración boost.

El diseño del módulo garantiza longevidad y fiabilidad incluso con baterías pequeñas, y libera a los clientes de la carga de certificar sus propias plataformas, ahorrando tiempo, esfuerzo y coste. El convertidor DC/DC integrado del DA14531 soporta un rango de entrada amplio de 1,1 V a 3,3 V.

“Respecto a baterías y el convertidor DC/DC, podemos trabajar con cualquier batería de 1,4‑V/1,5‑V además de baterías de moneda de 3‑V. Como el convertidor boost está a bordo, reduce coste. La eficiencia del DC/DC depende ligeramente de la calidad del inductor, pero se puede alcanzar alrededor del 85 % de eficiencia”, explicó Van Meijeren.

“La característica DC/DC es crucial, especialmente para baterías desechables. Estas baterías a menudo tienen capacidades diminutas —alrededor de 15 mAh. La corriente de arranque del convertidor boost limita el inductor y condensadores, y proporcionamos un limitador de corriente que puede ajustarse entre 6 mA y 96 mA, permitiéndonos arrancar desde cualquier batería, independientemente de su condición”, añadió.

Con el consumo ultra‑bajo de BLE, muchas aplicaciones pueden funcionar con una sola batería pequeña durante cuatro o cinco años, lo que es esencial para dispositivos que intercambian solo pequeñas ráfagas de datos intermitentemente.

Dialog también ofrece el DA14531 SmartBond TINY Development Kit, que incorpora el SoC y proporciona dos cabeceras mikroBUS e interfaz Arduino para funcionalidad expandida (Fig. 4).

Fig. 4: DA14531 SmartBond TINY Development Kit Pro.

Bluetooth está presente en aproximadamente 8.200 millones de dispositivos en todo el mundo, desde smartphones a laptops. Cisco predice que para 2020 más de 50 000 millones de dispositivos inteligentes estarán en uso, con Bluetooth SIG soportando hasta un tercio de ellos.

Con miles de millones de dispositivos BLE‑habilitados en el mercado, el rango de aplicaciones es virtualmente ilimitado. Seleccionar BLE para un proyecto requiere consideración cuidadosa de factor de forma, características eléctricas, funcionalidad deseada, herramientas de desarrollo de software y soporte técnico.