Bluetooth-Low-Energy-Module bieten sichere, vorzertifizierte Konnektivität

Silicon Labs hat sein neues BGM220x-Modul mit einer Größe von nur 6×6 mm formalisiert. BGM220 ist eine eingebettete Lösung mit einem vollständig aktualisierbaren Software-Stack, der weltweit vorzertifiziert wurde, und Firmware-Unterstützung zur Beschleunigung der Markteinführungszeit.

Das Modul unterstützt Bluetooth Low Energy (BLE) 5.1, 5.2 und Mesh und ist kompakt mit sehr geringem Stromverbrauch, um die Akkulaufzeit zu optimieren. Das neue Modul ermöglicht es Geräteherstellern, ihren Mikrocontroller-Einheiten (MCUs) mit integrierten Sicherheitsfunktionen, einschließlich Root-of-Trust, Sicherheit mit vorzertifizierter Bluetooth-Funktionalität hinzuzufügen.

Im Laufe der Jahre hat Silicon Labs eine Vielzahl von Modulen in einer Vielzahl von IoT-Wireless-Bereichen angeboten, darunter Mesh, Thread, Zigbee und Z-Wave, Bluetooth und andere. In einem Interview mit der EE Times sagte Matt Saunders, VP Marketing and Applications bei Silicon Labs, dass der im Januar eingeführte BG22 derzeit einen guten Markt mit einem breiten Anwendungsspektrum erlebt. Laut dem Marktupdate Bluetooth SIG Bluetooth 2020 ist Bluetooth Low Energy mit einer CAGR von 26 % weiterhin das am schnellsten wachsende Bluetooth-Funkgerät.

BGM220 ist in mehreren Gehäusen, PCB (BGM220P) oder SiP (BGM220S) erhältlich und wurde für eine Vielzahl von Anwendungen entwickelt, darunter Asset-Tags, Beacons, tragbare Medizin-, Fitness- und stromsparende Bluetooth-Mesh-Knoten. BGM220P ist eine etwas größere PCB-Variante, die für drahtlose Leistung optimiert ist, zusammen mit einem besseren Link-Budget für mehr Reichweite.

Bluetooth Low Energy für IoT

Standardprotokolle wie Bluetooth, ZigBee und Wi-Fi sind nicht mit extrem geringem Stromverbrauch ausgelegt, und aus diesem Grund haben sich viele OEMs dafür entschieden, ein proprietäres Protokoll zu verwenden, das sich auf Energieeffizienz konzentriert. Die Verwendung eines proprietären Protokolls erlegt der Flexibilität tragbarer Produkte viele Einschränkungen auf und schränkt die Interoperabilität des proprietären Protokolls selbst ein. Um diesen Einschränkungen zu begegnen, hat die Special Interest Group Bluetooth (SIG) Bluetooth Low Energy (BLE) eingeführt, das speziell entwickelt wurde, um die geringstmögliche Leistung für die Kommunikation über kurze Distanzen zu erreichen. BLE arbeitet im 2,4-GHz-ISM-Band mit einer Bandbreite von 1 Mbit/s.

Das Protokoll ist so optimiert, dass es in regelmäßigen Abständen kleine Datenblöcke überträgt, sodass der Hostprozessor das Zeitintervall in einem Energiesparmodus maximieren kann, wenn keine Informationen übertragen werden. Das Protokoll ist so optimiert, dass es während des Datenaustauschs eine Verbindung von wenigen Sekunden ermöglicht. Der Controller implementiert mehrere wichtige Aufgaben, wie z. B. das Herstellen der Verbindung und das Ignorieren doppelter Pakete, sodass der Hostprozessor weiterhin im Energiesparmodus bleiben kann.

Die Kombination aus extrem stromsparender drahtloser Kommunikation, kleiner Größe und Sensoranwendungen mit niedrigem Arbeitszyklus ermöglicht die Entwicklung und Installation von wartungsfreien IoT-Sensorknoten. Die in Bluetooth LE enthaltenen Änderungen reduzieren den Stromversorgungsstrom von klassischen Bluetooth-Milliampere auf wenige Mikroampere in BLE erheblich. Bluetooth Smart IoT-Knoten können mit einer kleinen Knopfzelle monate- und sogar jahrelang betrieben werden, ohne dass diese gewechselt oder aufgeladen werden muss.

„Der wichtigste Parameter variiert je nach Anwendung. Aber es gibt ein paar gemeinsame Bereiche, die meiner Meinung nach für die meisten Anwendungen relevant sind. Zum Beispiel Stromverbrauch oder Batterielebensdauer. Mit der Einführung von Bluetooth-Mesh und seiner Verwendung in der Beleuchtung gibt es viel mehr Netzstromgeräte, aber es gibt immer noch eine große Anzahl von batteriebetriebenen Anwendungen in Bluetooth, bei denen eine längere Lebensdauer dem Benutzer einen echten Mehrwert bietet. Die Berücksichtigung des Stromverbrauchs bezieht sich also nicht nur darauf, wie viel Energie das Gerät zur Verwaltung des Rechen- und Kommunikationsstapels verwendet, sondern auch, ob das HF-Design mit Blick auf den Betrieb mit geringem Stromverbrauch entwickelt wurde.

Eine effizientere HF-Technologie und ein effizienteres Design sorgen für eine längere Batterielebensdauer. Ein weiterer Bereich, den ich für wichtig halte, ist die physische Größe der Lösungen; Viele Bluetooth-Anwendungen sind sehr kompakt. Eine kleine physikalische Implementierung auf dem Chip hilft natürlich bei einem platzbeschränkten Design, aber auch in Bezug auf die HF-Parameter ist es möglich, eine kompaktere Lösung wie beim BGM220S zu bauen, die einige echte Vorteile bietet auch der Entwickler. Und dann denke ich auch an Sicherheit. Dies wird nicht nur bei Bluetooth, sondern auch bei vielen anderen IoT-Technologien zu einem sehr wichtigen Parameter“, sagte Saunders.

Der Bluetooth-Standard, auch in seiner jüngsten Weiterentwicklung als Bluetooth Low Energy (BLE), findet weiterhin auf vielen Geräten seinen Platz. Unter den vielen Kommunikationsstandards, die zur Verbindung zweier Geräte verwendet werden, hat Bluetooth aufgrund seiner einfachen Handhabung und der Möglichkeiten, praktisch alles mit allem zu verbinden, an Bedeutung gewonnen. Es gibt immer mehr Anwendungen, die IoT-Sensoren verwenden, die sich durch einen reduzierten Arbeitszyklus auszeichnen, der eine intermittierende Kommunikation ermöglicht:Auf diese Weise ist es möglich, den Betriebsprozess mit der gespeicherten Energie aus erneuerbaren Quellen sicherzustellen.

Abbildung 1:BGM220P-Blockdiagramm. Es kombiniert eine energiefreundliche MCU mit einem hochintegrierten Funk-Transceiver in einem PCB-Modul.

Das kontinuierliche Wachstum der Anzahl von IoT-Geräten und -Anwendungen in verschiedenen vertikalen Sektoren des Handels und der Industrie hat den Bedarf an neuen und stärkeren Cybersicherheitsmaßnahmen zum Schutz von Sicherheit und Datenschutz erhöht. Die wachsende Nachfrage nach Cybersicherheitsmaßnahmen und -vorschriften im Ökosystem des Internets der Dinge (IoT), die Unternehmen und Verbraucher betrifft, zielt darauf ab, einen besseren Schutz vor Malware und externen Bedrohungen zu erreichen.

Das ursprünglich von Microsoft entwickelte „Stride“-Klassifizierungsmodell listet die potenziellen Sicherheitsbedrohungen auf, denen ein IoT-Gerät oder die Benutzer dieses Geräts ausgesetzt sein könnten:Spoofing, Manipulation, Zurückweisung, Offenlegung von Informationen, Denial of Service (DoS)-Angriffe und EoP von mögliche Malware in einem infizierten System.

Bluetooth-Modul

SoCs (Systems on Chip) sind ideal für IoT-Gerätehersteller, die maximale Flexibilität bei der Entwicklung ihrer IoT-Geräte mit hochgradig anpassbaren Software- und HF-Designoptionen benötigen. SiP-Module hingegen sind ideal für Gerätehersteller, die den kleinsten vorzertifizierten Bluetooth Low Energy-Formfaktor mit wenig oder keinem HF-Design oder -Design benötigen, während PCB-Module viele der Vorteile von SiP-Modulen bieten, jedoch zu einem niedrigeren kosten.

Herausforderungen erfordern von Produktentwicklern, mit strengen Sicherheitsstandards in einem Produkt des Internets der Dinge Schritt zu halten. Die Sicherheit dieser IoT-Produkte wird in verschiedenen Ländern der Welt schnell zur Pflicht.

Die Sicherheit des Internets der Dinge ist ein kritischer Aspekt, der beim Schutz von Unternehmensmarken, der Privatsphäre der Endbenutzer und der kommerziellen Rentabilität von Produkten zu berücksichtigen ist. Schwachstellen können sowohl durch Remote-Angriffe im Internet als auch durch praktische physische Angriffe ausgenutzt werden.

„Entwickler, die das Wireless-Produktportfolio von Silicon Labs verwenden, einschließlich derjenigen aus dem BGM220-Modulportfolio, haben Zugriff auf eine Reihe von Technologien, die zum Schutz ihres Produkts entwickelt wurden, darunter Secure Debug, Secure Boot with Root of Trust und Secure Boot Loader“, sagte Saunders .

Er fügte hinzu:„Wir arbeiten mit Sicherheits-Communitys von Kunden und Sicherheitsexperten von Drittanbietern zusammen, um hochmoderne Sicherheitslösungen für unsere Produkte bereitzustellen, die zum Schutz der heute angeschlossenen IoT-Geräte beitragen, aber auch mit einem gewissen Grad an Upgradefähigkeit, um sie weiterhin zu schützen.“ morgen, um die Produktentwicklung aufrechtzuerhalten. Wir statten unsere leistungsstarken Bluetooth-Produkte mit einer Reihe von hochmodernen Sicherheitsfunktionen aus, die wir Secure Vault genannt haben“, sagte Saunders.

Die Sicherheitsfunktionalität, die Silicon Labs bietet, ist Secure Vault:eine Suite von Hardware- und Software-Sicherheitsvorkehrungen für IoT-Geräte zum Schutz ihrer Marke, ihres Produktdesigns und ihrer Verbraucherdaten.

Basierend auf dem EFR32BG22 SoC ermöglicht der BGM220P/S eine Bluetooth Low Energy-Konnektivität für zukunftssichere Funktionen für Funktions- und OTA-Firmware-Updates, verbesserte Sicherheitsfunktionen und einen geringen Energieverbrauch. Der EFR32BG22-SoC verfügt über einen 32-Bit-ARM-Cortex-M33-Kern, ein 2,4-GHz-Hochleistungsradio, 512 kB Flash-Speicher, eine umfangreiche Palette an MCU-Peripheriegeräten sowie verschiedene Taktverwaltungs- und serielle Schnittstellenoptionen.

BGM220P-Module sind eine Komplettlösung mit weltweiten behördlichen Zertifizierungen, fortschrittlichen Entwicklungs- und Debugging-Tools sowie Support, der den Konstruktions- und Entwicklungsprozess Ihrer Endprodukte minimiert und vereinfacht und dazu beiträgt, ihre Markteinführungszeit zu verkürzen.

BGM220 bietet Hardware Cryptographic Acceleration für AES128/256, SHA-1, SHA-2 (bis zu 256-Bit), ECC (bis zu 256-Bit), ECDSA und ECDH. True Random Number Generator (TRNG) kompatibel mit NIST SP800-90 und AIS-31 und Secure Debug mit Sperren/Entsperren.

Dank des Vorhandenseins von Software-Stacks an Bord erfordern die Geräte bescheidene Ressourcen vom Prozessor, wodurch die Möglichkeit gegeben wird, jedem Mikrocontroller (MCU) eine drahtlose Konnektivität hinzuzufügen.

BGM220S und BGM220P unterstützen die Bluetooth-Peilung und bieten gleichzeitig eine Batterielebensdauer von bis zu zehn Jahren mit einer einzigen Knopfzelle. Die Fähigkeit, die Richtung zu finden, ist noch relativ neu. „Silicon Labs arbeitet direkt mit einigen Unternehmen zusammen, um eine sehr genaue Peilung für die Verfolgung und Bewegung von Indoor-Assets bereitzustellen“, sagte Saunders.

Die Kombination von Bluetooth und Wireless verursacht auch Probleme hinsichtlich der HF-Leistung von IoT-Geräten in einer Umgebung, die von den Funkemissionen eines Systems oder einer Wi-Fi-Konfiguration dominiert wird. Eine verwaltete Koexistenzlösung ist sehr nützlich.

Abbildung 2:Blockschaltbild des BGM220S. Es kombiniert eine energiefreundliche MCU mit einem hochintegrierten Funk-Transceiver in einem SiP-Modul mit robuster, integrierter Antenne.

Die Probleme, die Sie durch die Koexistenz bekommen, manifestieren sich unterschiedlich, je nachdem, wo Sie sich im System befinden. In einem Endknoten können schlecht verwaltete Systeme zu verlorenen Paketen führen, was zu einer verkürzten Batterielebensdauer führt, da das Funkgerät ständig versucht, erneut zu senden. Im Gateway manifestiert es sich so, dass das Funkgerät, das leistungsstärkste Funkgerät, Funkübertragungskanäle mit geringer Leistung unterbricht und eine verwaltete Lösung benötigt. „Mit dieser verwalteten Koexistenz können Sie das beste Profil und die beste Leistung von allen Funkgeräten in Ihrem System erzielen“, sagte Saunders.

Konnektivität ist eine grundlegende Säule jedes IoT-Systems. Einfach zu verwaltende Lösungen bieten die energiesparenden Funktionen und Sicherheitsressourcen, die zum Schutz eines IoT-Geräts für die Projektimplementierung erforderlich sind. Bluetooth Low Energy hat sich dank seiner Profilflexibilität und seiner flachen Leistungsmerkmale zum Schlüsselelement der Konnektivität entwickelt. BLE ersetzt proprietäre Protokolle und wird zum De-facto-Standard für Konnektivität in IoT-Geräten mit extrem geringem Stromverbrauch.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am unsere Schwesterseite EE Times.