de Alexandru Bogdan Andreescu, Embedded Software Developer, MCU Connectivity
Freescale Semiconductor România
Bluetooth®, care a preluat numele și logo-ul său după regele scandinav Blåtand, este o tehnologie wireless care a devenit cunoscută odată cu creșterea pieții telefoanelor mobile unde a fost utilizată în principal pentru streaming audio de voce şi muzică. Bluetooth® Low Energy (BLE) sau Bluetooth® Smart a fost ratificat în 2010, ca parte a versiunii 4.0 a specificației Bluetooth® și aduce ca noutate un redesign al protocolului care vizează aplicații alimentate de baterii coincell ce necesită un consum redus de energie [2]. Apare oportunitatea proiectării unei noi game de senzori, wearables sau dispozitive medicale ce vor reprezenta nodurile terminale în marea rețea IoT.
Având în vedere rolul esențial al conectivității în IoT, Freescale a introdus recent familia de microcontrollere wireless Kinetis KW40Z. Kinetis KW40Z integrează un radio multi-protocol de bandă îngustă care oferă posibilitatea de a accesa o rețea v4.1 BLE și o rețea IEEE 802.15.4 2011. Principala platformă de dezvoltare ce găzduiește acest SoC este FRDM – KW40Z, parte a seriei Freescale Freedom. Platforma este în principal orientată pentru proiectarea senzorilor IoT [3].
KW40Z este listat de către alianța Bluetooth® ca având un controller certificat Bluetooth® Low Energy v4.1 [4]. Aceasta demonstrează conformitatea atât a platformei cât şi a oricărui produs care va integra chip-ul. În plus și stiva software Bluetooth® Low Energy v4.1 Host de deasupra controller-ului este certificată [5]. Un aspect important este acela că software-ul pentru acest protocol este dezvoltat exclusiv în birourile Freescale din România.
În capitolele următoare, vă voi prezenta în detaliu specificațiile platformei hardware și ale chip-ului, precum și software-ul cu care este livrat pentru a demonstra funcționalitatea Bluetooth® Low Energy.
Specificațiile hardware
Figura 1: Diagrama bloc a microcontrolerului wireless Kinetis KW40Z
Kinetis KW40Z integrează un transceiver în 2,4 GHz ce suportă modulații FSK/GFSK și O-QPSK, BLE Link Layer și procesor de pachete IEEE 802.15.4 accelerate hardware, un procesor ARM® Cortex® M0+ ce poate rula până la 48 MHz și conține memorie on-chip de 160 KB de flash şi 20 KB de SRAM. Radioul are o senzitivitate la recepție de -91 dBm pentru BLE și o putere de emisie ce baleiează între -18 dBm și +5 dBm [6].
Datorită importanței consumului de energie în aplicațiile BLE, KW40Z include un bloc de management al consumului. Aceasta gestionare se realizează prin intermediul unui controler de gestionare a energiei (PMC) și un convertor DC-DC care poate funcționa în modul buck (2,1 V – 4.2 V – pentru baterie coincell), boost (0,9 V – 1.8 V) sau bypass (1,71 V – 3.6 V ). Acest lucru asigură un curent tipic de 6.5 mA / 8.4 mA pe recepție / transmisie [7].
KW40Z conține porturi şi periferice precum GPIO, ADC/DAC, Low Power UART, SPI, I2C. De asemenea, chip-ul conține module de Touch Sensing (TSI), Low Power Timers (LPTMR), True Random Number Generator (TRNG) și accelerare criptografică AES (AESA).
Principala platformă de dezvoltare pentru acest chip este FRDM-KW40Z. Platforma are o formă și un layout de pini compatibile cu standardul Arduino™ R3 și se poate folosi alături de numeroase shield-uri, precum FRDM-K64. Placa are două modalități de transmisie pe aer: o antenă printată de tip F sau un port SMA. De asemenea, placa vine echipată cu butoane capacitive și mecanice, LED-uri, senzor infraroșu, FXOS8700CQ (accelerometru şi magnetometru liniar pe 6 axe) și o memorie flash externă de 256 KB pentru suportul de upgrade wireless de firmware [8].
Figura 2: Componentele platformei FRDM KW40Z
Alimentarea se realizează printr-un port micro USB, care permite accesul și la modulul Open SDA v2.1 care implementează un debugger conform standardului ARM® CMSIS-DAP [9]. Același chip de debug poate fi folosit ca un Mass Storage Device (MSD) și bootloader ce permite scrierea binarelor de aplicații printr-o simplă copiere (pentru informații detaliate vizitați [10]).
Oferta software
Suportul software pentru KW40Z este oferit prin intermediul pachetului Kinetis KW40Z Connectivity Software, care este instalat ca un add-on al Kinetis Software Development Kit (KSDK). Pachetul KSDK este punctul de plecare pentru dezvoltarea oricărei aplicații pe un procesor din familia Kinetis MCU. Acesta include un strat de abstractizare hardware (HAL), drivere, middleware, exemple de aplicații și poate fi descărcat gratuit [11].
Figura 3: Demo monitor de ritm cardiac în Kinetis BLE Toolbox
Pachetul Kinetis KW40Z Connectivity Software conține stiva de protocol certificată Bluetooth® Low Energy v4.1 și un număr mare de exemple de aplicații care folosesc această tehnologie, în zona medicală (senzor pentru tensiune, senzor de glucoză, termometru), sport și fitness (senzor de ritm cardiac, senzor de viteză și cadență pentru bicicletă sau alergare, senzor de putere pentru bicicletă), un design de mouse și Beacon, care este adoptat rapid de mulți producători. Exemplele pot rula cu sau fără un sistem de operare în timp real (FreeRTOS). Pachetul software-ul poate fi descărcat gratuit de pe site-ul KW40Z [12].
Pentru a prezenta funcționalitatea, Freescale oferă aplicația Kinetis BLE Toolbox, disponibilă pe iOS [13] și Android [14], care se conectează la aplicațiile demo de senzori găsite în pachetul software. De exemplu, puteți testa un senzor de ritm cardiac prin conectarea la FRDM cu orice tabletă sau smartphone care are aplicația mobilă instalată.
În plus, Freescale ajută dezvoltatorii oferind adaptorul Kinetis Protocol Analyzer, care oferă posibilitatea de a monitoriza activitatea pe aer pentru canalele folosite de 802.15.4 IEEE și BLE. Software-ul este disponibil gratuit și necesită cel puțin un dongle USB-KW40Z [15] și o versiune instalată de Wireshark [16].
Pentru dezvoltarea rapidă a aplicațiilor, puteți găsi, de asemenea, pe site-ul de KW40Z două design-uri de referință: un robot controlat prin Bluetooth® Low Energy [17] și un monitor de ritm cardiac ce comunică pe Bluetooth® Low Energy [18].
Concluzii
Kinetis KW40Z ofera unui dezvoltator tot ce are nevoie pentru a începe un design cu Bluetooth® Low Energy în contextul IoT: o stivă și un controler certificat, mai multe exemple de aplicații și o comunitate [19] unde poate interacționa cu ingineri cu expertiză în domeniul conectivității.
Referințe
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Personal_area_network
[2] http://www.bluetooth.com/what-is-bluetooth-technology
[3] http://media.nxp.com/phoenix.zhtml?c=254228&p=irol-newsArticle&ID=2118891
KW40Z
[4] https://www.bluetooth.org/tpg/QLI_viewQDL.cfm?qid=28546
[5] https://www.bluetooth.org/tpg/QLI_viewQDL.cfm?qid=28663
[6] http://www.nxp.com/products/microcontrollers-and-processors/arm-processors/kinetis-cortex-m/w-series/kinetis-bluetooth-low-energy-802.15.4-
wireless-mcu:KW40Z
[7] http://cache.nxp.com/files/32bit/doc/data_sheet/MKW40Z160.pdf?pspll=1
[8] http://cache.nxp.com/files/32bit/doc/user_guide/FRDMKW40ZUG.pdf
OpenSDA
[9] https://developer.mbed.org/handbook/CMSIS-DAP
[10] http://www.nxp.com/OPENSDA
Software
[11] http://www.nxp.com/tools/software-and-tools/run-time-software/kinetis-software-and-tools/development-platforms-with-mbed/software-development-
kit-for-kinetis-mcus:KINETIS-SDK
[12] http://www.nxp.com/webapp/Download?colCode=KW40Z-CONNECTIVITY-SOFTWARE
[13] https://itunes.apple.com/us/app/kinetis-ble-toolbox/id1049036961?mt=8
[14] https://play.google.com/store/apps/details?id=com.freescale.kinetisbletoolbox
[15] http://www.nxp.com/products/arm-processors/kinetis-cortex-m/w-series/bluetooth-low-energy-ieee-802.15.4-packet-sniffer-usb-dongle-for-kinetis-
kw40z-30z-20z-mcus:USB-KW40Z
[16] https://www.wireshark.org/
[17] http://www.nxp.com/tools/software-and-tools/reference-designs/kinetis-designs/bluetooth-low-energy-ble-controlled-robot:BLUETOOTH-CONTROLLED-
ROBOT
[18] http://www.nxp.com/tools/software-and-tools/reference-designs/kinetis-designs/bluetooth-low-energy-ble-heart-rate-monitor:BLUETOOTH-HEART-
MONITOR
[19] https://community.freescale.com/community/wireless-connectivity
Freescale Semiconductor Romania
www.freescale.ro