개발 키트 및 규격품 애드온 기판을 통해 Bluetooth IoT 응용 제품에 대한 시제품을 신속하게 제작

스마트 연결 제품에 대한 수요는 개념을 작동하는 사물 인터넷(IoT) 응용 제품으로 빠르게 전환할 수 있는 개발자에게 광범위한 기회를 제공합니다. 에너지 효율적인 프로세서, 무선 연결 옵션, 다양한 하드웨어 주변 장치에 대한 가용성은 적절한 저전력 생산 준비 설계를 구현하기 위한 강력한 기반을 제공합니다.

그러나 제품 정의의 초기 단계에서 개발자는 동일한 등급의 프로세서, 연결 하위 시스템 및 주변 장치를 기반으로 하여 신속한 시제품 구축을 위한 유연한 개발 플랫폼을 필요로 합니다. 작동하는 시제품을 신속하게 제작하고 손쉽게 기능을 추가하는 능력은 초기 개념 증명을 제공하고 맞춤형 소프트웨어 개발을 지원하는 데 필수적입니다.

이 기사에서는 개발자가 Silicon Labs의 하드웨어 및 소프트웨어를 사용하여 즉시 사용 가능한 다양한 애드온 기판을 통해 전문적인 에너지 효율적 연결 IoT 장치 시제품을 신속하게 제작할 수 있는 방법을 보여줍니다.

신속한 시제품 제작 실현

배터리 구동식 무선 IoT 장치에 대한 새로운 가능성을 탐색할 때 개발자는 작동하는 개발 플랫폼을 만드는 것과 관련된 많은 세부 사항으로 인해 수렁에 빠질 수 있습니다. 통합된 하위 시스템을 통해 고급 SoC(시스템 온 칩) 장치는 이러한 플랫폼의 핵심을 제공할 수 있지만 개발자는 여전히 그 주변에 완전한 시스템을 구축해야 합니다.

이러한 장치에 대해 적합한 개발 플랫폼을 구축하기 위해 개발자는 강력한 성능과 연장된 배터리 수명에 대한 기본 요구 사항을 충족해야 할 뿐만 아니라 각 응용 제품의 특정 요구 사항을 지원할 수 있는 유연성도 지원해야 합니다. Silicon Labs BGM220-EK4314A 탐색 키트는 이러한 요구 사항의 조합을 충족하므로, 개발자가 고유한 자체 개발 플랫폼 구축과 관련된 세부 사항을 처리하는 대신 새로운 설계 개념을 신속하게 시제품으로 제작하는 데 집중할 수 있습니다.

유연하고 신속한 개발 플랫폼

Bluetooth 기반 응용 제품 개발을 위한 저가형 플랫폼을 제공하는 BGM220-EK4314A 탐색 키트는 SiLabs의 BGM220P 무선 Gecko 모듈(BGM220PC22HNA), 온보드 SEGGER J-Link 디버거, 푸시 버튼, 발광 다이오드(LED) 및 여러 확장 옵션을 결합합니다(그림 1).

그림 1: SiLabs BGM220-EK4314A 탐색 키트는 시제품을 신속하게 구축하고 다양한 주변 하드웨어 구성을 평가하는 데 필요한 처리 성능, 에너지 관리 및 구성 유연성의 조합을 제공합니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

BGM220P 모듈은 소형 배터리 구동식 IoT 장치를 위한 완전한 솔루션으로서 작동합니다. 통합된 EFR32BG22 Blue Gecko SoC는 초저전력 소비, Bluetooth AoA(도달 각도) 및 AoD(출발 각도) 기능, 1미터 미만 위치 정확도를 제공합니다. 이러한 모든 기능은 자산 추적 태그, 스마트 도어 잠금 장치, 피트니스 등을 포함하여 점점 더 늘어나는 인기 Bluetooth 응용 제품에서 전반적으로 필요로 합니다.

독립형 시스템으로서 작동할 수 있는 BGM220P 모듈은 EFR32BG22 SoC와 512KB의 플래시, 32KB의 RAM(랜덤 액세스 메모리), 고주파(HF) 및 저주파(LF) 수정(XTAL), 2.4기가헤르츠(GHz) 정합 네트워크 , 무선 연결을 위한 세라믹 안테나를 결합합니다(그림 2).

그림 2: 독립형 시스템으로서 작동할 수 있는 SiLabs BGM220P 모듈은 EFR32BG22 Blue Gecko SoC와 Bluetooth 지원 장치를 구현하는 데 필요한 추가 부품을 결합합니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

이 모듈은 실장 공간이 작은 IoT 설계를 위한 독립형 호스트로서의 역할뿐 아니라 모듈의 UART 인터페이스를 통해 연결된 호스트 프로세서의 네트워크 코프로세서(NCP) 역할도 수행할 수 있습니다. 통합된 Bluetooth 스택은 독립형 설계의 모듈에서 실행되는 응용 제품에 대한 무선 서비스를 실행하거나 NCP 설계에서 실행될 때 호스트에서 수신된 명령을 처리합니다

에너지 효율적인 무선 SoC

BGM220P 모듈의 EFR32BG22 Bluetooth 무선 SoC는 32비트 Arm Cortex-M33 코어, 2.4GHz 무선 장치, 보안, 에너지 관리 서브 시스템, 여러 개의 타이머 및 인터페이스 옵션을 통합합니다. 초저전력, 배터리 구동식 설계를 위해 특별히 설계된 EFR32BG22 SoC는 최대 10년 동안 동전형 전지 배터리 작동을 실행할 수 있는 여러 에너지 관리 기능을 사용합니다.

단일 외부 전압 소스에서 작동하는 SoC는 내부 에너지 관리 장치를 사용하여 내부 공급 전압을 생성합니다. 작동 중에, 이 에너지 관리 장치는 SoC의 5개 에너지 모드(EM) 사이의 전환을 제어합니다. 각 모드는 SoC가 활성 모드(EM0)에서 절전 모드(EM1), 중간 절전 모드(EM2), 중지 모드(EM3) 또는 차단 모드(EM4)로 전환할 때 점진적으로 더 적은 수의 활성 기능 블록을 유지함으로써 전력 소비를 더욱 줄입니다(그림 3).

그림 3: EFR32BG22 SoC의 에너지 관리 장치는 에너지 모드 EM0, EM1, EM2, EM3, EM4 간 전환을 제어합니다(이미지 하단에 색상 코드 제공). (이미지 출처: Silicon Labs)

활성 모드(EM0)(76.8MHz 및 3V 기준)에서 SoC는 내부 DC/DC 컨버터를 사용하여 27μA/MHz(메가헤르츠당 마이크로 암페어)를 소비합니다. EM0은 정상 작동 모드이며 Cortex M33 프로세서 코어와 모든 주변 장치 블록을 사용할 수 있는 유일한 모드입니다.

모든 주변 장치는 절전 모드(EM1)로 제공되며 시스템이 더 낮은 전력 모드로 전환됨에 따라 활성 상태로 유지되는 장치는 더 줄어듭니다. 저전력 모드에서는, 활성 클록 및 기능 블록이 감소하여 전력 소비 레벨이 크게 낮아집니다.

• 17μA/MHz 절전 모드(EM1)
• 1.40μA 중간 절전 모드(EM2) - LFXO에서 32KB RAM 유지 및 실시간 클록(RTC) 실행
• 1.05μA 중지 모드(EM3) - SoC의 통합 초저주파 1kHz 저항기-커패시터(RC) 발진기(ULFRCO)에서 8KB RAM 유지 및 RTC 실행
• 0.17μA 차단 모드(EM4)

일부 배터리 구동식 장치는 저전력 작동 모드에서 프로세서를 작동하는 기능 그 이상을 필요로 합니다. 대부분의 Bluetooth 지원 응용 제품은 일반적으로 오랜 기간 동안 거의 또는 전혀 작동되지 않지만 작동이 재개될 경우 저지연 응답을 필요로 합니다. 실제로, 응용 제품의 대기 시간 요구 사항이 관대한 경우에도 프로세서가 깨우기 프로세스를 완료(또는 더 높은 전력 모드에서 더 낮은 전력 모드로 전환되는 프로세스를 완료)하고 활성 모드로 전환될 때 유용한 작업을 수행하지 않기 때문에 깨우기 시간이 느리면 전력이 낭비됩니다.

활성 기간 사이의 시간이 줄어들면서, 저전력 절전 모드의 사용은 느린 깨우기 또는 전력 모드 전환 시간이 비활성 기간 동안 프로세서가 더 높은 전력 모드로 유지될 경우에 소비하는 것보다 더 많은 에너지를 사용하는 경우 역효과를 낼 수도 있습니다. 결과적으로, 배터리 수명을 최적화하기 위해 노력하는 개발자가 응용 제품의 처리 요구 사항에 필요한 것보다 더 높은 전력 모드에서 프로세서를 유지할 수 있습니다.

더 빠른 깨우기 및 전환 시간을 가진 프로세서를 사용하여 개발자는 프로세서의 저전력 모드를 보다 완벽하게 활용할 수 있습니다. EFG32BG22는 EM1에서 3클록/1.24마이크로초(µs)에 깨어나고 전환 시간은 1.29µs인데 반해 EM4에서는 각각 8.81밀리초(ms) 및 9.96µs로 증가합니다(표 1).

표 1: EFG32BG22 SoC에 대한 깨우기 및 전력 모드 전환 시간. (표 출처: Silicon Labs)

활동이 재개될 때 프로세서를 깨우는 데 사용되는 방법도 배터리 수명에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 일부 응용 분야(예: 산업)에서는 시스템이 엄격한 주기적 타이밍을 보장하기 위해 폴링 처리를 사용해야 하지만, 소비재 영역의 많은 응용 제품은 이벤트 기반 처리를 사용하여 특정 활동에 응답합니다. 예를 들어, 이벤트 기반 응용 제품에 폴링 방법을 사용하면 프로세서가 불필요하게 반복적으로 깨어날 때 배터리 수명이 크게 줄어들 수 있습니다.

많은 센서 기반 설계가 인터럽트 시 깨우기 기능을 사용하여 활동을 확인하기 위해 프로세서를 반복적으로 깨우는 것을 방지하는 것과 같은 방식으로 EFG32BG22 SoC의 무선 하위 시스템에 내장된 RF 감지 시 깨우기 기능은 유사한 인터럽트 구동 접근 방식을 가능하게 합니다. 이를 통해 개발자는 무선 주파수(RF) 활동이 발생할 때까지 프로세서를 저전력 에너지 모드로 유지할 수 있습니다.

실제로, 개발자는 EFG32BG22 무선 SoC를 초저전력 EM2, EM3 또는 EM4 모드로 배치하고 RF 에너지가 감지될 때 SoC를 깨우기 위해 RF 감지 시 깨우기 기능에 의존합니다. 단순히 임계값 이상의 에너지를 감지할 때 RFSENSE 기능은 131나노암페어(nA)를 소비합니다. 더 많이 선택하는 RFSENSE 모드는 138nA의 약간 더 많은 전류를 소비하지만 이 모드에서 RFSENSE는 들어오는 RF 신호를 필터링하여 유효한 RF 신호가 아닌 RF 잡음에서 깨어나는 것을 방지합니다.

경우에 따라, EFG32BG22 SoC는 외부 이벤트에 응답하기 위해 프로세서 코어를 깨울 필요가 전혀 없을 수 있습니다. 즉, SiLabs의 PRS(Peripheral Reflex System)를 사용하면 주변 장치가 이벤트에 응답하고 프로세서 코어를 깨우지 않고 작동할 수 있습니다. 주변 장치는 서로 직접 통신할 수 있으며 서로의 기능을 결합하여 복합적 기능을 제공할 수 있습니다. 저에너지 모드에서 PRS 기능을 사용함으로써 개발자는 센서 데이터 획득과 같은 중요한 기능을 손상시키지 않으면서 전력 소비를 크게 줄일 수 있습니다.

내장된 디버그 기능 및 손쉬운 확장

BGM220 탐색 키트 기판이 내장된 BGM220P 모듈은 EFR32BG22 SoC의 모든 에너지 관리 및 처리 기능을 배터리 구동식 Bluetooth 설계에 제공합니다. 새로운 설계 개념을 탐색하기 위해 시제품을 신속하게 제작해야 하는 경우 기판의 다른 기능이 개발 속도를 높이는 데 도움이 됩니다.

기판의 USB Micro-B 커넥터를 통해 액세스되는 온보드 SEGGER J-Link 디버거는 코드 다운로드 및 디버깅 뿐만 아니라 호스트 콘솔 액세스를 위한 가상 COM 포트도 가능하게 합니다. 디버거는 또한 무선 네트워크를 통해 전송되거나 수신되는 패킷을 분석하기 위한 SiLabs의 PTI(패킷 추적 인터페이스) 기능을 지원합니다.

신속한 시제품 제작을 위해, 여러 확장 옵션을 지원하는 기판은 센서, 액추에이터, 연결 옵션 및 기타 주변 장치의 다양한 조합이 필요한 새로운 설계 아이디어를 탐색할 수 있는 유연성을 제공합니다. 여러 벤더에서 제공하는 광범위하고 다양한 mikroBUS 애드온 기판과 Qwiic Connect System 하드웨어를 활용하여 개발자는 각 응용 제품에 적합한 개발 플랫폼을 신속하게 구성할 수 있습니다.

기판의 mikroBUS 소켓에 연결되는 mikroBUS 기판은 I²C, SPI 또는 UART 인터페이스를 통해 BGM220P 모듈에 연결됩니다. Qwiic 커넥터는 최대 약 4피트(ft.) 거리에걸쳐 하나 이상의 Qwiic 기판을 연결하기 위한 Qwiic system의 I²C 인터페이스를 제공합니다. 더 긴 거리 연결을 위해 개발자는 최대 약 100ft 거리에서 I²C 신호 무결성을 유지하기 위해 차동 신호를 사용하는 SparkFun QwiicBus EndPoint 기판(COM-16988)을 사용할 수 있습니다.

빠른 응용 프로그램 개발

SiLabs는 응용 소프트웨어 개발에 대한 빠른 확장 개념을 적용합니다. 이 회사는 맞춤형 개발을 위한 기판 지원 패키지, 구동기, 라이브러리, 헤더와 함께 Simplicity Studio 개발 환경에 번들로 제공되는 여러 샘플 응용 프로그램과 SiLabs의 GitHub 리포지토리에서 사용 가능한 추가 프로젝트를 제공합니다. 실제로 개발자는 EFR32BG22 SoC의 내부 온도 센서를 데이터 소스로 사용하는 번들 샘플 온도 응용 프로그램을 사용하여 센서 응용 프로그램 개발 탐색을 시작할 수 있습니다.

표준 Bluetooth Health Temperature 서비스를 기반으로 하여 구축된 온도 응용 프로그램은 SiLabs 소프트웨어 아키텍처에 구축된 일반 Bluetooth IoT 응용 프로그램을 통한 처리 흐름의 즉시 사용 가능한 데모를 제공합니다. 이 응용 프로그램은 인터럽트 처리기 및 콜백을 설정하는 시스템 서비스 및 응용 프로그램 서비스에 대한 일련의 초기화 루틴을 호출합니다. 초기화를 완료한 후 이 응용 프로그램은 이벤트를 기다리기 위해 무한 루프에 정착합니다(목록 1).

복사
int main(void)
{
  // Initialize Silicon Labs device, system, service(s) and protocol stack(s).
  // Note that if the kernel is present, processing task(s) will be created by
  // this call.
  sl_system_init();



  // Initialize the application. For example, create periodic timer(s) or
  // task(s) if the kernel is present.
  app_init();



#if defined(SL_CATALOG_KERNEL_PRESENT)
  // Start the kernel. Task(s) created in app_init() will start running.
  sl_system_kernel_start();
#else // SL_CATALOG_KERNEL_PRESENT
  while (1) {
    // Do not remove this call: Silicon Labs components process action routine
    // must be called from the super loop.
    sl_system_process_action();



    // Application process.
    app_process_action();



#if defined(SL_CATALOG_POWER_MANAGER_PRESENT)
    // Let the CPU go to sleep if the system allows it.
    sl_power_manager_sleep();
#endif
  }
#endif // SL_CATALOG_KERNEL_PRESENT
}

이 응용 프로그램에서 초기화 중에 설정된 타이머가 카운트다운되면 관련 콜백 루틴이 온도 측정을 수행합니다. 개발자는 응용 프로그램을 빌드하고 기판을 플래시한 후 모든 Silicon Labs Bluetooth 키트 및 장치에서 작동하는 일반 Bluetooth 모바일 앱인 SiLabs EFR Connect 앱을 사용할 수 있습니다. 맞춤형 앱을 위한 프레임워크를 제공하는 것과 함께, 앱은 이 샘플 응용 프로그램에서 사용되는 Bluetooth Health Thermometer 서비스와 같은 Bluetooth 서비스와 관련된 지원되는 특성 보기를 제공하여 개발을 지원합니다(그림 4).

그림 4: SiLabs EFR Connect 앱은 신제품 개발 속도를 높일 뿐만 아니라 맞춤형 앱 개발을 위한 프레임워크를 제공하여 응용 제품에서 사용되는 Bluetooth 서비스의 특성을 표시합니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

Simplicity Studio에서 개발자는 Qwiic 또는 mikroBUS 기판을 개별적으로 또는 서로 조합하여 구축한 설계를 포함하여 다양한 사용 시나리오를 보여주는 다양한 Bluetooth 응용 프로그램 예제를 가져올 수 있습니다. MikroElektronika의 MIKROE-4037 Heart Rate 2 Click mikroBUS 기판(Maxim Integrated의 MAX86161 바이오센서 포함)과 함께표준 Bluetooth Heart Rate(HR) 및 Bluetooth Pulse Oximeter(SpO2) 서비스 사용을 시연하는 샘플 응용 프로그램을 예로 들 수 있습니다. MAX86161은 I²C 인터페이스를 통해 연결된 호스트 프로세서에 정확한 HR 및 SpO2 측정값을 제공할 수 있는 완전한 저전력 하위 시스템을 제공합니다. MAX86161에 대한 자세한 내용은 실제 무선 피트니스 히어러블 제작 - 1부: 심박수 및 SpO2 측정을 참조하십시오.

온도 응용 프로그램에 비해 추가 드라이버와 더 까다로운 처리 알고리즘이 필요하므로 이 응용 프로그램은 IoT 장치 소프트웨어 응용 프로그램 아키텍처에 대한 보다 복잡한 데모를 제공합니다(그림 5).

그림 5: HR/SpO2 응용 프로그램과 같은 샘플 프로젝트는 시제품 개발 속도를 높이는 동시에 저전력 Bluetooth 센서 응용 프로그램에 대한 일반적인 프로세스 흐름을 시연하는 데 도움이 됩니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

위에서 언급한 온도 응용 프로그램과 마찬가지로 이 응용 프로그램은 일련의 초기화 루틴에 의존하여 시스템 및 응용 프로그램 서비스를 설정합니다. 온도 응용 프로그램에서 app_process_action 루틴이 비어 있는 경우 이 응용 프로그램은 app_process_action에서 hrm_loop 루틴에 대한 호출을 추가합니다. 그 결과 목록 1의 앞부분에 표시된 최상위 무한 루프를 통과할 때마다 hrm_loop가 호출됩니다. 또한 HR 및 SpO2 데이터를 주기적으로 업데이트하기 위해 소프트웨어 타이머가 사용됩니다.

hrm_loop 루틴은 차례로 maxm86161_hrm_process를 호출하여 도우미 함수가 유지 관리하는 대기열에서 샘플을 가져와 샘플 프로세스 루틴에 전달합니다. 이로 인해 HR 및 SpO2 결과를 검증하고 생성하는 알고리즘을 실행하는 maxm86161_hrm_frame_process 및 maxm86161_hrm_spo2_frame_process 루틴 쌍을 호출합니다. 개발자는 앞서 언급한 EFR Connect 앱을 사용하여 다른 서비스 특성과 함께 결과를 볼 수 있습니다.

또 다른 샘플 소프트웨어 응용 프로그램은 개발자가 하드웨어 플랫폼을 확장할 때 이 HR/SpO2 응용 프로그램과 같은 복잡한 응용 프로그램을 구축하는 방법을 보여줍니다. BGM220-EK4314A 탐색 키트 기판과 SiLabs 소프트웨어 에코시스템을 사용하여 기존 하드웨어 및 소프트웨어를 구축하는 것은 비교적 간단합니다. SiLabs는 위의 HR/SpO2 응용 제품에 사용된 하드웨어/소프트웨어 플랫폼에 OLED 디스플레이를 추가하는 샘플 응용 프로그램으로 이 접근 방식을 보여줍니다. 이 예에서, SparkFun OLED 디스플레이 Qwiic 애드온 기판(LCD-14532)은 기판의 Qwiic 커넥터에 연결되어 있는 반면 MikroElektronika Heart Rate 2 Click 애드온 기판은 이전 HR/SpO2 샘플 응용 제품의 자리에 유지됩니다(그림 6).

그림 6: 개발자는 BGM220-EK4314A 탐색 기판에 구축된 기존 설계에 기능을 빠르게 추가할 수 있습니다. 여기에서 기존 HR/SpO2 시제품에 OLED 디스플레이를 추가할 수 있습니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

OLED 기판에 대한 드라이버 및 지원 서비스 추가를 제외하고 소프트웨어 응용 프로그램은 이 확장된 버전의 HR/SpO2 응용 프로그램에 대해 대체로 동일하게 유지됩니다. HR/SpO2 응용 제품에 대해 앞서 언급한 소프트웨어 타이머는 HR 및 SpO2 데이터를 표시하는 hrm_update_display 함수에 대한 호출을 추가합니다(목록 2).

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    /* Software Timer event */
    case sl_bt_evt_system_soft_timer_id:
      /* Check which software timer handle is in question */
      if (evt->data.evt_system_soft_timer.handle == HEART_RATE_TIMER) {
        heart_rate_send_new_data(connection_handle);
        break;
      }
 
      if (evt->data.evt_system_soft_timer.handle == PULSE_OXIMETER_TIMER) {
        pulse_oximeter_send_new_data(connection_handle);
        break;
      }
 
      if (evt->data.evt_system_soft_timer.handle == DISPLAY_TIMER) {
        hrm_update_display();
        break;
      }
      break;

이 확장 가능한 하드웨어 및 소프트웨어 접근 방식을 통해 개발자는 작동하는 IoT 응용 제품을 빠르게 구축할 수 있습니다. 하드웨어와 소프트웨어를 모두 쉽게 추가하거나 제거할 수 있기 때문에 개발자는 새로운 설계 솔루션을 보다 쉽게 ​​탐색하고 대체 구성을 평가할 수 있습니다.

결론

배터리로 구동되는 Bluetooth 지원 IoT 장치는 널리 사용되는 응용 제품의 핵심이며 더 많은 기능과 더 긴 작동 수명에 대한 지속적인 요구를 충족할 수 있는 핵심 인에이블러를 제공합니다. 개발자가 이러한 상충적 요구 사항을 효과적으로 충족하려면 새로운 설계를 신속하게 탐색하고 대안적인 설계 개념을 평가할 수 있는 능력이 필요합니다. Silicon Labs의 개발 키트와 연결된 소프트웨어를 사용하여 개발자는 시제품을 신속하게 제작하고 필요에 따라 특정 응용 요구 사항을 충족하기 위해 하드웨어를 추가하거나 제거할 수 있습니다.