Rakenna turvallisia vähävirtaisia IoT-laitteita edistyneellä Bluetooth 5.2 -järjestelmäpiirillä

Bluetooth-yhteydet ja pieni tehonkulutus ovat kriittisiä vaatimuksia akku- ja paristokäyttöisissä toteutuksissa, joita käytetään suuren volyymin tuotteissa esineiden internetin (IoT), puettavien laitteiden, älykotien ja rakennusautomaation sovelluksissa. Näiden laitteiden suunnittelijat ovat pitkään etsineet edullisia Bluetooth-järjestelmäpiirejä (SoC), jotka pystyvät toimimaan tehokkaasti tiukan virtabudjetin puitteissa. Kehittäjät ovat liian usein joutuneet tinkimään jostakin suorituskyvyn osa-alueesta tai jopa uhraamaan tietoturvan kaltaisia, yhä tärkeämpiä ominaisuuksia voidakseen täyttää edullisen ja vähävirtaisen ratkaisun vaatimukset.

Kompromissien vähentämiseksi Bluetooth 5.2 -määritykseen on sisällytetty virransäästötoimintoja kuten LE Power Control, PAST (Periodic Advertising Sync Transfer) sekä edistyneet vähävirtaiset mesh-verkko- ja seurantaominaisuudet. Nyt tarvitaan yksi integroitu mikropiiri, joka tukee näitä ominaisuuksia ja jolle on saatavana kehityssarjoja sekä ohjelmistoja, joilla kehittäjät pääsevät nopeasti ja tehokkaasti alkuun Bluetooth 5.2 -standardin tarjoamien parannusten kanssa.

Tässä artikkelissa kerrotaan, miten Silicon Labsin Bluetooth Low-Energy 5.2 -standardia tukeva EFR32BG22-SoC-tuoteperhe voi täyttää akku- ja paristokäyttöisiltä laitteilta vaaditut tehonkulutus- ja suorituskykyvaatimukset. Käyttämällä EFR32BG22-SoC-tuoteperhettä ja siihen liittyvää kehitysekosysteemiä voidaan rakentaa IoT-laitteita ja muita paristokäyttöisiä tuotteita, jotka toimivat jatkuvasti jopa viiden vuoden ajan yhdellä CR2032-nappiparistolla tai yli 10 vuotta CR2354-paristolla.

Tehon optimointi edistyneillä BLE-ominaisuuksilla

Bluetooth-yhteyksistä on tullut yleinen ominaisuus massamarkkinoiden kuluttajatuotteissa, mutta edistyneempien Bluetooth Low Energy (BLE) -ominaisuuksien myötä markkinoille odotetaan yhä kehittyneempiä IoT-laitteita, puettavaa elektroniikkaa ja muita mobiilituotteita. Toteuttaessaan näitä ominaisuuksia kehittäjät kohtaavat kuitenkin paristojen kestoikään ja tietoturvan parannuksiin liittyviä odotuksia.

Lähettimen tehoasetuksen valinta on olennaisen tärkeää oikean kohinasuhteen (SNR) saavuttamiseksi Bluetooth-tiedonsiirrossa, mesh-verkkotapahtumissa tai paikannuspalvelua käytettäessä. Jos lähettimen tehoasetus on liian alhainen, heikompi kohinasuhde voi lisätä tiedonsiirtovirheitä. Jos se taas on liian korkea, lähettävä laite tuhlaa tehoa, minkä lisäksi sen tehokas signaali voi aiheuttaa tiedonsiirtovirheitä lisäämällä häiriöitä usean solmukohdan verkoissa tai tukkimalla lähellä olevien vastaanotinten kaistan.

Tehon säätö: Bluetooth 5.2 -standardissa esitelty LE Power Control -ominaisuus vastaa näihin huolenaiheisiin protokollalla, jonka avulla BLE-laitteet voivat keskustella vastaanottimien kanssa ja säätää lähetystehon optimaaliseksi. Vastaanottava laite voi käyttää LE Power Control -protokollaa ja pyytää yhteensopivaa lähetintä muuttamaan lähetystehoaan vastaanottajan kohinasuhteen parantamiseksi. Vastaavasti lähetin voi käyttää LE Power Control -dataa laskeakseen tarvittaessa lähetystehoaan tasolle, jolla yhteys vastaanottimen kanssa toimii edelleen. Lähetin voi tällöin säätää lähetystehoaan vastaanottimen RSSI-tiedon (vastaanotetun signaalin vahvuus) perusteella.

Joissakin käyttötarkoituksissa kehittäjille on lähetystehon optimointia tärkeämpää se, että laitteen lähetysteho riittää tavoittamaan jonkin kauempana sijaitsevan isännän tai tiedonsiirtokeskittimen. Tarve varmistaa tehokkaat langattomat yhteydet pitkien yhteyksien päähän on yleensä ollut ristiriidassa tehonkulutuksen ja tietoturvan kanssa erityisesti resursseiltaan niukoissa ratkaisuissa, joita käytetään yleisesti paristo- ja akkukäyttöisissä tuotteissa.

Mesh-verkko: BLE-mesh-verkon avulla voidaan tavoittaa kaukana sijaitsevat isännät ilman suurta lähetintehoa. Tässä järjestelyssä paristokäyttöiset laitteet viestivät matalalla teholla lähellä sijaitsevien verkkovirtaa käyttävien solmukohtien kanssa. Koska viestit välitetään solmukohdasta toiseen, vähävirtainen laite voi viestiä kauemmas kuin edes sen suurin lähetysteho ja herkin mahdollinen vastaanotin mahdollistaisivat. Koti- ja rakennusautomaation kaltaisissa sovelluksissa kehittäjät voivat hyödyntää Bluetoothin broadcast-ominaisuuksia, joilla useampi laite saadaan reagoimaan yhteen komentoon esimerkiksi valaistuksen muuttamista varten. Bluetooth Low Energyn avulla nämä mesh-verkkoprotokollat voivat auttaa ratkaisemaan pidemmän kantaman ja matalan virrankulutuksen ristiriitaisia vaatimuksia.

Paikannuspalvelut: Bluetooth-paikannuspalvelut tuovat lisähaasteita tehokkaalle radiotoiminnalle, sillä ne edellyttävät tehokkaita signaalin prosessointikykyjä. Bluetoothin radiopohjaiset suunnantunnistusominaisuudet tarjoavat kehittäjille mahdollisuuden toteuttaa reaaliaikaisia paikannusjärjestelmiä (RTLS) omaisuuden seurantaan tai sisätiloissa toimivia paikannusjärjestelmiä (IPS) navigointiin rakennusten sisällä. Bluetooth 5.1 -standardin tulokulmaan (AoA) ja lähtökulmaan (AoD) perustuvan suunnantunnistuksen myötä RTLS- ja IPS-sovellusten paikannustarkkuus ylittää aiemmat RSSI-tietoon perustuvat toteutukset.

AoA- ja AoD-menetelmät ovat käytännössä täydentäviä ominaisuuksia. Usealla antennilla varustetut vastaanottimet voivat AoA-laskelmien avulla seurata liikkuvaa kohdetta, joka lähettää yhdellä antennilla suuntasignaalin. Vastaavasti useampaa antennia käyttävä lähetin voi auttaa esimerkiksi puettavaa laitetta määrittämään sijaintinsa AoD-laskelmien avulla (kuva 1).

Kuva 1: Bluetoothin AoA-menetelmän avulla vastaanotin voi määrittää signaalia lähettävän esineen sijainnin antenniryhmän avulla, kun taas AoD-menetelmällä vastaanottava laite, kuten puettava laite, voi löytää oman sijaintinsa suhteessa antenniryhmään. (Kuvan lähde: Bluetooth SIG)

Molemmissa menetelmissä AoA-vastaanottimet tai AoD-laitteet käyttävät kvadratuuriin perustuvaa signaalinkäsittelyä määrittääkseen moniantenniryhmän vastaanottamaan tai lähettämään signaaliin liittyvän vaihesiirtymän. Laitekohtaiset vaatimukset vaihtelevat sen mukaan, onko kyseessä AoA-menetelmillä seurattava esine vai laite, joka määrittää omaa sijaintiaan AoD-menetelmillä. Seurattavassa esineessä tehonkulutuksen tulee olla mahdollisimman alhainen, jotta akku tai paristo kestää lähetystä mahdollisimman pitkään. Vastaavasti sijaintia määrittävältä laitteelta vaaditaan riittävästi laskentatehoa vaihesiirtymän laskemiseen lähetetyn vaihekomponentin (I) ja kvadratuurin (Q) avulla. Tällöin sijainti voidaan määrittää IQ-näytteenoton avulla tarkasti kohteen liikkuessa.

Bluetooth-lisäominaisuuksien avulla kehittäjät voivat vähentää tehonkulutusta menettämättä paikannuksen tarkkuutta. AoD-paikannus voidaan esimerkiksi toteuttaa puettavassa laitteessa siten, että lähetin ja vastaanotin synkronoivat toimintansa Bluetooth-protokollan avulla ja molemmat heräävät samaan aikaan paikannusskannauksen suorittamista varten. Tämän ansiosta laitteiden ei tarvitse tuhlata energiaa satunnaisten ilmoituspakettien lähettämiseen tai kuunteluun. Langattomat suorittimet voivat levätä matalavirtatilassa, kunnes sisäänrakennettu ajastin herättää ne vaadittuun aikaan. Tämä synkronoitu lähestymistapa myös vähentää törmäyksiä ja hyötysuhteen heikkenemistä, joita suuri määrä lähekkäin toimivia lähettimiä ja vastaanottimia voi aiheuttaa.

Bluetoothin PAST-ominaisuus (periodic advertising sync transfer, jaksoittainen ilmoitussiirtojen synkronointi) tarjoaa mahdollisuuden vähentää tehonkulutusta entisestään pareiksi liitetyissä laitteissa, kuten puettavassa laitteessa ja älypuhelimessa (kuva 2).

Kuva 2: Sen sijaan, että puettava laite käyttäisi tehoa ylläpitääkseen synkronoitua yhteyttä lähettimen kanssa (vasemmalla), se voi käyttää Bluetoothin PAST-mekanismia ja vähentää tehonkulutusta luottamalla siihen, että pariksi liitetty älypuhelin antaa tarvittavat synkronointitiedot (oikealla). (Kuvan lähde: Bluetooth SIG)

Kun PAST on käytössä, puettava laite luottaa siihen, että älypuhelin synkronoi ilmoitukset lähettimen kanssa. Näin tiukalla virtabudjetilla toimivan puettavan laitteen ei tarvitse käyttää tehoa herätäkseen ja suorittaakseen synkronoitua ilmoitusten vaihtoa lähettimen kanssa. Mikäli pariston varaus on vähäinen, puettava laite voi vielä vähentää sijaintitiedon päivitystä älypuhelimeen ja vaihtaa näin osan paikannuksen tarkkuudesta pidempään toiminta-aikaan.

Voidakseen täysin hyödyntää BLE:n lisäominaisuuksia kehittäjät tarvitsevat kuitenkin Bluetooth-järjestelmäpiirin, joka kykenee vastaamaan sekä alemman tehonkulutuksen että laskentatehon ristiriitaisiin vaatimuksiin. Silicon Labsin EFR32BG22-tuoteperheen Bluetooth Low-Energy 5.2 SoC -tuoteperhe on erityisesti suunniteltu täyttämään nämä vaatimukset suuren volyymin paristo- ja akkukäyttöisissä tuotteissa.

Virrankulutus- ja suorituskykyvaatimusten täyttäminen

Arm® Cortex®-M33 -ytimeen perustuva Silicon Labsin EFR32BG22 Bluetooth Low-Energy 5.2 SoC -arkkitehtuuri sisältää kattavan valikoiman ominaisuuksia ja kykyjä, joita tarvitaan suunniteltaessa akku- ja paristokäyttöisiä IoT-laitteita, puettavia laitteita sekä muita mobiilituotteita (kuva 3).

Kuva 3: Silicon Labsin EFR32BG22-SoC-arkkitehtuuri yhdistää Arm Cortex-M33 -ytimen sekä kattavan valikoiman oheislaitteita, joiden ominaisuudet on suunniteltu optimoimaan BLE-tiedonsiirto, parantamaan tietoturvaa ja minimoimaan vähävirtaisten laitteiden tehonkulutus . (Kuvan lähde: Silicon Labs)

Arm Cortex-M33 -ytimen ja sen tarvitseman muistin lisäksi perustason EFR32BG22-SoC-arkkitehtuuri yhdistää kattavan valikoiman sarjaliitäntöjä, GPIO-kanavia, kelloja ja ajastimia. Integroitu 12-bittinen analogia-digitaalimuunnin (ADC) tukee sekä epäsymmetristen että differentiaalisyötteiden käsittelyä jopa miljoonan näytteen sekuntivauhdilla (1 MSPS) käyttäen uudenlaista arkkitehtuuria, joka yhdistää successive approximation -rekisterien (SAR) ja delta-sigma-muunninten elementtejä.

EFR32BG22-tuoteperheen eri jäsenet on suunniteltu vastaamaan erilaisiin prosessointi- ja Bluetooth-toimenpiteitä koskeviin vaatimuksiin. Esimerkiksi laskentatehoa vaativiin sovelluksiin voidaan valita EFR32BG22C222-järjestelmäpiiri, jossa on nopeampi ydin, enemmän GPIO-yhteyksiä ja korkeampi lähetysteho (TX). RTLS- tai IPS-sovelluksiin voidaan valita EFR32BG22C224-järjestelmäpiiri, joka tarjoaa sisäänrakennetun tuen IQ-näytteenotolle ja jonka vastaanottimen (RX) herkkyyttä on parannettu.

Kunkin EFR32BG22-tuoteperheen jäsenen perustana toimii täydellinen radioalijärjestelmä, tietoturvamoduuli ja energianhallintayksikkö. Nämä tarjoavat kattavan valikoiman turvalliseen ja vähävirtaiseen Bluetooth-viestintään tarvittavia palveluja.

Vähävirtainen Bluetooth-radioalijärjestelmä

EFR32BG22-tuoteperheen radioalijärjestelmä tukee Bluetooth Low Energy 5.2 -standardia ja käyttää erillisiä TX- ja RX-signaalireittejä, joita ohjataan erillisellä erittäin vähän virtaa kuluttavalla Arm Cortex-M0+ -suoritinytimellä. Radioalijärjestelmän rakenne täydentää tämän ytimen laskentakykyä erillisillä lohkoilla, esimerkkinä kehysohjain (FRC), sykliseen redundanssitarkistukseen (CRC) tarkoitettu moduuli sekä erillinen radiopuskuriohjain (BUFC), joka hallinnoi RAM-puskureita (kuva 4).

Kuva 4: EFR32BG22-järjestelmäpiiri sisältää täydellisen BLE-radioalijärjestelmän, jota ohjaa erillinen Arm Cortex-M0+ -suoritinydin. (Kuvan lähde: Silicon Labs)

Suoramuunnoslähetinarkkitehtuuriin perustuva TX-polku koostuu piirillä sijaitsevasta päätevahvistimesta (PA) sekä modulaattorista (MOD) ja taajuussyntetisaattorista. CSMA/CA- ja LBT-protokollia käytettäessä Arm Cortex-M0+ -radio-ohjain hallinnoi tarvittavia kehyksen siirtoajoituksia automaattisesti.

RX-polulla käytetään välitaajuusvastaanotinarkkitehtuuria (IF), johon sisältyy matalakohinainen vahvistin (LNA), automaattinen vahvistuksensäätö (AGC) sekä IF-ADC, jonka avulla laite voi suorittaa digitaalisen demodulaation (DEMOD), sekä desimaatio ja suodatus, jotka voidaan konfiguroida tukemaan vastaanottimen kaistanleveyttä välillä 0,1–2530 kilohertsiä (KHz). RX-signaaliketju generoi myös vastaanottimen RSSI-arvon, jota käytetään moniin eri tarkoituksiin, esimerkkinä tehon optimointi, signaalin laadun hallinta ja läheisyyden tunnistus.

Rinnakkain RX-signaalipolun kanssa toimiva Silicon Labsin RFSENSE-moduuli tarkkailee tulosignaalia ja herättää laitteen, kun se tunnistaa tietyn rajan ylittävän RF-energian. Jotta vääriä hälytyksiä voidaan vähentää ympäristöissä, joissa esiintyy paljon sähköistä kohinaa, RFSENSE-moduulissa on myös selektiivinen tila, joka generoi herätyssignaalin vain tunnistaessaan energiassa tietyn kuvion. Satunnaisen RF-energiapurske ei herätä laitetta. Tässä tapauksessa energiakuvio vastaa katkoavainnuksen (OOK) alkuosaa lähetetyssä paketissa, joten RFSENSE-moduulin tunnistama energia ilmaisee todennäköisemmin oikeaa tiedonsiirtolähetystä.

Laitteistotuki turvallisten järjestelmien rakentamiselle

Akku- ja paristokäyttöisten laitteiden tietoturva vaatii ratkaisuja, jotka ovat olleet ristiriidassa aiemmissa toteutuksissa käytettyjen perinteisten suoritinten ominaisuuksien ja kykyjen kanssa. Vähemmän haavoittuviin ympäristöihin kehitetyissä perinteisissä suorittimissa ei ole ollut tiettyjä fyysisiä ja toiminnallisia kykyjä, joita vaaditaan nykyisten IoT-laitteiden ja puettavien laitteiden suojaamiseen. Esimerkiksi IoT-laitteiden ja puettavien laitteiden yleisyys tekee niistä helppoja kohteita hakkereille, jotka voivat hyökätä niitä vastaan sivukanavahyökkäyksillä, kuten esimerkiksi tehodifferentiaalianalyysillä (DPA), joka voi paljastaa salaisia tietoja ja yksityisiä avaimia. Näiden avainten avulla hakkerit voivat käyttää monia eri tapoja tekeytyäkseen toisiksi laitteiksi ja voivat saada näin pääsyn suojattuihin verkkoihin sekä resursseihin, joita on pidetty turvattuina. Hakkerit myös tunkeutuvat jo nykyisin yleisesti langattomiin verkkoihin löytääkseen heikosti suojattuja laitteita, joita voidaan käyttää samanlaisen hyökkäyksen apuna.

Suunnittelijoille esitetyt vaatimukset mahdollisimman pienistä materiaalikuluista ja pitkästä pariston kestoiästä ovat usein pakottaneet valitsemaan ohjelmistopohjaisia tietoturvamenetelmiä. Valitettavasti nämä menetelmät ovat yhtä haavoittuvia kuin itse sovellusohjelmisto ja käyttöjärjestelmä. Kenties pahinta voi olla, että käyttäjän näkökulmasta puhtaasti ohjelmiston keinoin toteutetut turvamekanismit lisäävät huomattavia viiveitä tiedonsiirtoon sekä sovelluksen reagointiin. Jotta tietoturvaa voidaan parantaa tinkimättä suorituskyvystä, verkkoyhteyksiä käyttäviin laitteisiin tarvitaan laitteistopohjainen turvallisuusmekanismi.

EFR32BG22-tuoteperhe auttaa kehittäjiä suojaamaan laitteita erilaisten laitteistopohjaisten tietoturvamekanismien yhdistelmällä. Mekanismien ytimessä on kryptografiakiihdytin, joka nopeuttaa datan salaamista ja salauksen purkua ja joka käyttää monia erilaisia AES-avainten (Advanced Encryption Standard) pituuksia ja tiloja. Todennusta ja allekirjoitusta varten kiihdytin tukee suositun elliptisen käyrän kryptografian (ECC) käyriä ja hajautustauluja.

Alemmalla tasolla aito satunnaislukugeneraattori (TRNG, true random number generator) tuottaa ei-deterministisiä numerojaksoja. Tällä vältetään samoja numerosarjoja tuottavien satunnaislukugeneraattorien tuottamia uhkia. Vieläkin alemman tason mekanismi suojaa kiihdytintä aiemmin mainitun DPA-hyökkäyksen kaltaisilta sivukanavahyökkäyksiltä.

Järjestelmän turvallisuuden toteuttaminen näillä mekanismeilla on yhdistetyissä tuotteissa vasta puoli voittoa. Uhkien pienentäminen käyttöönotetuissa järjestelmissä on jatkuvaa taistelua, joka on entistäkin vaikeampaa sofistikoituneissa akku- ja paristokäyttöisissä järjestelmissä. Toteutettuaan muuten turvallisen laitteen kehittäjät ovat aiemmin jättäneet laitteensa avoimiksi haittaohjelmiston syöttämiselle tai jopa tunkeutumiselle avoimien vianetsintärajapintojen kautta. EFR32BG22-tuoteperhe lähestyy näitä huolenaiheita erityisillä ominaisuuksilla, jotka on suunniteltu estämään haittaohjelmiston pääsyä laiteohjelmistoon sekä vianetsintärajapintojen väärinkäyttöä.

Näissä järjestelmäpiireissä on Secure Boot -niminen turvaominaisuus, joka käyttää root of trust- ja secure loader -järjestelyä (RTSL). Siinä on kaksivaiheinen käynnistyslataaja, jonka tehtävä on varmistaa, että EFR32BG22-pohjainen järjestelmä käynnistyy vain todennetulla laiteohjelmistolla (kuva 5).

Kuva 5: Silicon Labsin EFR32BG22-SoC-perhe tukee RTSL-varmistettua Secure Boot -toimintoa, joka suojaa ROM-muistista ladattavan laiteohjelmiston luotettavuutta. (Kuvan lähde: Silicon Labs)

Konseptitasolla Secure Boot ja RTSL vastaavat aiempien yksivaiheisten käynnistyslataajien heikkouteen, jonka ansiosta hakkerit saattoivat saada laitteen täysin hallintaansa käynnistämällä sen muutetulla laiteohjelmistolla. Allekirjoitetun laiteohjelmiston käyttö vaikuttaisi olevan ratkaisu tähän ongelmaan. Käytännössä kuitenkin laiteohjelmiston allekirjoittaminen väärennetyllä varmenteella tai väärin perustein haltuun saadulla hyväksytyllä varmenteella voi kuitenkin vaarantaa jopa allekirjoitusta hyödyntävät käynnistysmenetelmät.

Sen sijaan EFR32BG22-pohjaisissa järjestelmissä luottamus perustuu ensivaiheen käynnistyslataajalle, joka hakee luotetun laiteohjelmiston ROM-muistista. Tämä luotettu ohjelmisto käyttää sitten tiukkoja todennusmenetelmiä varmentaakseen toisen vaiheen käynnistyslataajakoodin lähteen ja eheyden, minkä jälkeen toisen vaiheen koodi lataa sovelluskoodin.

Kun järjestelmäratkaisu on mahdollista rakentaa todennetun luottamuksen avulla, kehittäjät voivat luottaa ohjelmiston säilyvän eheänä jopa verkon kautta lähetettävien päivitysten (OTA) aikana. Toisinaan kehittäjät kuitenkin tarvitsevat järjestelmiin alemman tason käyttöoikeuden, joka tarjotaan järjestelmän vianmääritysportin kautta.

Avoimen vianmääritysportin jättäminen toimitettavaan ratkaisuun on luonnollisesti ikävyyksien kerjäämistä. EFR32BG22-tuoteperheen turvattu vianmääritysominaisuus tarjoaa käytännöllisen ratkaisun kompleksisten ohjelmistojärjestelmien kehittäjille, jotka tarvitsevat mahdollisuuden vianetsintään vaarantamatta koko järjestelmän tietoturvaa. Turvatun vianetsinnän avulla kehittäjät käyttävät turvallisia todennusmekanismeja vianmääritysportin avaamiseen ja saavat näin käyttöönsä vianetsintään tarvittavan näkymän vaarantamatta käyttöönotetun järjestelmän käyttäjätietojen luottamuksellisuutta.

Virrankulutuksen optimointi

Tehokkaimmatkaan Bluetooth-tiedonsiirto- tai turvamekanismit eivät kuitenkaan auta paristokäyttöistä laitetta, jos sen toiminta-aika kärsii. Energianhallinta ja virrankulutuksen optimointi onkin rakennettu EFR32BG22-SoC-arkkitehtuurin perustaan. Nämä järjestelmäpiirit hyödyntävät täysimittaisesti vähävirtaista Arm Cortex-M33 -ydintä ja kuluttavat vain 27 mikroampeeria megahertsiä kohti (μA/MHz) toimiessaan suurimmalla kellotaajuudellaan (76,8 MHz) täydessä aktiivitilassa (EM0) kaikki lisälaitteet pois kytkettynä.

Kun laite ei ole käytössä, kehittäjät voivat asettaa järjestelmäpiirin johonkin monista matalavirtatiloista, kuten lepo (EM1), syvä lepo (EM2), pysäytys (EM3) ja sammutus (EM4). Kun järjestelmäpiiri siirtyy alempaan tehotilaan, integroitu energianhallintayksikkö (EMU) sammuttaa lisää toimintolohkoja, kunnes jäljellä on vain järjestelmäpiirin herättämiseen tarvittava vähimmäismäärä lohkoja (katso kuva 3). Lisäksi EMU laskee automaattisesti jänniteskaalauksen tasoa vaihtaessaan alempaan tehotilaan. Tämän seurauksena sisäistä DC-DC-muunninta käyttävässä 3,0 voltin järjestelmässä, jossa kaikki lisälaitteet on poistettu käytöstä, tehonkulutus laskee lepotilassa dramaattisesti tasolle 17 μA/MHz (76,8 MHz:n toiminta), syvän levon tilassa tasolle 1,4 μA, jossa RAM-muistin sisältö voidaan palauttaa, pysäytystilassa tasolle 1,05 μA ja sammutustilassa tasolle 0,17 μA.

Aiemmissa suorittimissa kehittäjien oli vaikea valita alempaa tehotilaa, sillä suorittimien herääminen kesti kauan. Pitkä heräämisaika tarkoittaa paitsi sitä, että järjestelmä ei vastaa heräämisaikana, myös sitä, että energiaa kuluu hukkaan heräämisprosessiin liittyviin ”tuottamattomiin” toimenpiteisiin. Näin kehittäjien oli usein pakko valita vaadittua korkeampi tehotila sen varmistamiseksi, että suoritin herää ajoissa. Sitä vastoin RAM-muistista toimiva EFR32BG22-pohjainen järjestelmä vaatii vain 1,42 mikrosekuntia (μs) herätäkseen EM1-lepotilasta tai 5,15 μs syvästä EM2-lepotilasta sekä EM3-pysäytystilasta. Jopa sammutustilasta herääminen kestää vain 8,81 millisekuntia (ms), mikä on usein vähemmän kuin akku- ja paristokäyttöisten puettavien laitteiden tai IoT-laitteiden minimipäivitysaika.

Kyky hyödyntää näitä suhteellisen nopeita herätysaikoja riippuu siitä, onko käytettävissä jokin mekanismi, joka ylläpitää jotakin aktiivisuutta myös järjestelmäpiirin ollessa EM3-pysäytystilassa. Aiemmin kuvatun RFSENSE-toiminnon lisäksi muut toimintolohkot, kuten järjestelmäpiirin reaaliaikakello (RTC), mahdollistavat ajan seurannan lepotilassa. Lisäksi Low Energy Timer (LETIMER) -lohko mahdollistaa erilaisten aaltomuotojen generoinnin tai laskinten tarjoamisen muille lisälaitteille. Itse asiassa piirillä olevat oheislaitteet voivat jatkaa toimintaansa järjestelmäpiirin PRS-järjestelmän (Peripheral Reflex System) ansiosta. Se voi ohjata signaaleita eri oheislaitteiden välillä ja suorittaa samalla perustason logiikkaoperaatioita ilman CPU:n käyttöä.

Tehokas järjestelmäkehitys

Kehittäjät voivat nopeuttaa EFR32BG22-pohjaisten ratkaisujen toteuttamista hyödyntämällä kattavaa valikoimaa työkaluja ja kirjastoja, jotka on rakennettu Silicon Labsin integroidun Simplicity Studio -kehitysympäristön (IDE) ympärille. Silicon Labs tarjoaa Bluetooth Low Energy -ohjelmistokehityssarjan (SDK) avulla tuen sellaisille lisäominaisuuksille kuten Bluetooth-mesh-verkot, AoA- ja AoD-prosessointi sekä turvallisesti verkon kautta jaettavat laiteohjelmistopäivitykset. Täyden Bluetooth-profiilivalikoiman lisäksi SDK sisältää esimerkkisovelluksia ja lähdekoodeja oman ohjelmiston toteuttamista varten.

Yhteenveto

Nopeasti kasvanut kysyntä edistyneille BLE-ominaisuuksille akku- ja paristokäyttöisissä mobiilituotteissa lisää kehittäjien painetta ratkaista ristiriita suorituskyvyn ja käytettävissä olevan tehon välillä. Aiemmin ristiriitaiset vaatimukset johtivat usein kompromisseihin järjestelmän ominaisuuksien, koon ja kustannusten suhteen. Edistyneen Bluetooth-järjestelmäpiirin avulla kehittäjät voivat kuitenkin rakentaa volyymituotantoon soveltuvia IoT-laitteita ja muita paristokäyttöisiä tuotteita, jotka tukevat sisänavigoinnin sekä mesh-verkkojen kaltaisia uuden sukupolven ominaisuuksia toimien samalla vuosikausia yhdellä nappiparistolla.

Muita EFR32BG22-malliston tuotteita ovat

1. Thunderboard Wireless Cloud -sarja
2. Wireless Starter Kit
3. SLWRB4182A EFR32BG22 (QFN40) -radiokortti