Energieverbrauch von verschiedene Bluetooth Smart Varianten

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1 Energieverbrauch von verschiedene Bluetooth Smart Varianten Jachen Bernegger Institute of ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften For information contact:

2 Ablauf Ziel dieser Arbeit Einführung Was ist Bluetooth Smart(BLE)? Messungen von Nordic nrf51822 & TI CC2540 Fragen bitte am Schluss 2

3 Aufgabe dieser Arbeit Messen von verschiedenen Bluetooth Smart Varianten auf ihren tatsächlichen Stromverbrauch in verschiedenen Zuständen Datenblätter sind zum Teil unübersichtlich und auf jeweilige Stärken angepasst Vorgehen HW ohne grosse Stützkondensatoren und zusätzliche Bauteile Verwendung des vom Herstellern zur Verfügung gestellten minimal Codes ohne Anpassungen 3

4 Einführung Bluetooth Low Energy Was ist Bluetooth Smart (BLE)? Bluetooth Spezifikation v4.0 Bluetooth Smart Ready (Natel, Laptop ). Bluetooth Smart (Devices, ). Grosses Potential vorhanden, da Bluetooth weit verbreitet/anerkannt ist Tx- bzw. Rx- only Geräte möglich 4

5 Märkte Sport und Fitness (Pulsmesser, Schrittzähler...) Unterhaltung (Fernbedienungen etc.) Medizin (Überwachung, verschiedene Sensoren) Home/Industrial Automation (Heizung, Licht, etc.) Sicherheit (z.b. PC Login)... 5

6 Warum braucht BLE weniger Energie? Tiefer Stromverbrauch lange Standby-Zeiten Kleine Pakete Höherer GFSK Modulation Index Schnellerer Verbindungsaufbau Zeit für Verbindungsaufbau 3ms anstatt 100ms (alle Verbindungsinformationen werden in einem Paket versendet) BLE benutzt 3 Advertising Kanäle anstatt

7 Warum braucht BLE weniger Energie? Durch neue Broadcast-Möglichkeit sind Tx- bzw. Rxonly Geräte möglich In einer aktiven Verbindung meldet sich der Master in einem gewissen Zeitintervall (7.5ms bis 4s) beim Slave (Connection Event) Lazy Acknowledgement möglich keine Energieverschwendung mit 'leeren' Acknowledgement-Paketen 7

8 Bluetooth Smart Spezifikation Frequenz: 2.4 Ghz Kanäle: 40 Distanz: 5-50m (typical) Maximale Sendeleistung = 10 dbm Datenrate: 1 Mbit/s (Air), 0.3 Mbit/s (Applikation) Max Payloadlänge: 31 Verschlüsselung: AES Bit CRC 8

9 Netzwerktopologie Slave Advertiser Slave Master Scanner Slave Advertisement Advertiser Advertiser Bluetooth SIG 9

10 Netzwerktopologie Slave Advertiser Slave Slave Master Connection Request Scanner Advertiser Advertiser Bluetooth SIG 10

11 Netzwerktopologie Slave Advertiser Slave Master Scanner Slave Slave Advertiser Bluetooth SIG 11

12 Rückblick zu Bluetooth Smart Technologie ist komplett für geringen Stromverbrauch ausgelegt Bestehende und neue Use Cases TxRx Geräte und Tx- bzw. Rx-Only Geräte möglich Kann mit Standard-Bluetooth kommunizieren, da in Zukunft nur noch Dualmode-ICs produziert werden 12

13 Powermessungen mit dem power analyzer Es werden verschiedene Devices am Markt angeboten. Wir haben zwei verglichen: -Nordic nrf TI CC2540 Der CC2541 von TI ist die aktuellste Version mit besseren Charakteristiken. Andere Devices von (EM,CSR,CC2541) werden noch ausgemessen. 13

14 Messungen Initialisierung Sleep power Advertising Advertising power consumption for one packet Sleep power consummation in Advertising mode Connection Connection power consumption for one packet Sleep power consumption in Connection mode 14

15 Benutzte Hard- und Software Nordic nrf51822 PCA10005 Rev Direkt gespiesen Keil uvision4 ble_app_template Ti CC2540 DK v Direkt gespiesen ohne Stütz- C IAR Systems for 8051 simplebleperipheral Daten in Advertising mode wurden an Nordic angepasst 15

16 Gemessene Devices Nordic nrf51822 system-on-chip (SoC) 2.4 GHz transceiver Arm Cortex M0 TI CC2540 system-on-chip (SoC) 2.4 GHz transceiver

17 2.4 GHz Transceiver Nordic nrf51822 Output power (+4dBm to -20dBm) 1Mbps -93dBm Link Budget: 100dB TI CC2540 Output power (+4dBm to -23dBm) 1Mbps -87dBm Link Budget: 97dB 17

18 Nordic nrf51822 Arm Cortex M0 128/256 KB flash 16-KB SRAM Temperatursensor 0.25 C resolution. TI CC /256 KB flash 8-KB SRAM Temperatursensor 0.25 C resolution 18

19 Power On und Initialisierung Energieverbrauch nach dem Einschalten 19

20 Initialisierung des Nordic nrf51822 IMax = 30.7 ma E = 166 na h E = 541 nw h E = 1.95 uj U = 3.3 V, t = 553 ms Leistungsaufnahme während des Boot Vorgangs 20

21 Initialisierung des TI CC2540 IMax = 35.7 ma E = 1.20 ua h E = 3.95 uw h E = 14.2 uj U = 3.3 V, t = 553 ms Leistungsaufnahme während des Boot Vorgangs 21

22 Ruhestrom nrf51822 & CC2540 nrf51822 IMax = 22.1 ua IAvg = 15.6 ua CC2540 IMax = 20.1 ua IAvg = 18.6 ua U = 3.3 V 22

23 Advertising Pakete Energie verbrauch um ein Advertising Paket zu senden 23

24 Empfangener Advertising Paket nrf51822 Länge Type Data CC2540 Beide Advertising Pakete haben die gleiche Länge = 44 Byte 24

25 Empfangener Advertising Paket nrf51822 & CC2540 Beide Advertising Pakete haben die gleiche Länge = 44 Byte 1 Byte Preamble, 4 Byte Access Address, 1 Byte Header, 1 Byte Payload Length, 6 Byte AdvA, 28 Byte Data 3 Byte CRC 25

26 26

27 Stromverbrauch CC2540 & CC

28 Advertising Paket nrf51822 nrf51822 IMax = 16.9 ma E = 9 na h E = 29 nw h E = 103 uj U = 3.3 V, Interval 100 ms, Leistungsaufnahme beim Senden eines Frame und darauf folgenden Sleep t = 103 ms, PTX = 0 dbm 28

29 Advertising Paket nrf51822 nrf51822 IAvg = 15.2 ua E = 409 pa h E = 1 nw h E = 4.86 uj U = 3.3 V, Interval 100 ms, t = 97.5 ms, PTX = 0 dbm 29 Leistungsaufnahme während der Sleep- Zeit

30 Advertising Paket nrf51822 Wake-Up 3 Advertising Chanel nrf51822 IMax = 17.1 ma E = 8 na h E = 27 nw h E = 98.4 uj U = 3.3 V, Interval 100 ms, t = 4.85 ms, PTX = 0 dbm 30 Leistungsaufnahme beim Senden eines Frames

31 Advertising Tx nrf51822 TX nrf51822 IMax = 13.1 ma IAvg = 12.9 ma E = 1 na h E = 4 nw h E = 16.1 uj U = 3.3 V, Interval 100 ms, Leistungsaufnahme während der Sendezeit auf einem Chanel ttx = 361 us, PTX = 0 dbm 31

32 Advertising Rx nrf51822 RX nrf51822 IMax = 16.8 ma IAvg = 15.5 ma E = 353 pa h E = 1 nw h E = 4.19 uj U = 3.3 V, Interval 100 ms, Leistungsaufnahme während der Empfangszeit auf einem Chanel trx = 69 us, PTX = 0 dbm 32

33 Advertising Paket CC2540 CC2540 IMax = 28.0 ma E = 18 na h E = 59 nw h E = 214 uj U = 3.3 V, Interval 100 ms, Leistungsaufnahme beim Senden eines Frame und darauf folgenden Sleep t = 103 ms, PTX = 0 dbm 33

34 Advertising Paket CC2540 CC2540 IAvg = 19.3 ua E = 525 pa h E = 2 nw h E = 6.25 uj U = 3.3 V, Interval 100 ms, t = 97.8 ms, PTX = 0 dbm 34 Leistungsaufnahme während der Sleep- Zeit

35 Advertising Paket CC2540 CC2540 IMax = 28.0 ma E = 17 na h E = 58 nw h E = 208 uj U = 3.3 V, Interval 100 ms, t = 4.74 ms, PTX = 0 dbm 35 Leistungsaufnahme beim Senden eines Frames

36 Advertising Tx CC2540 TX CC2540 IMax = 27.8 ma IAvg = 27.2 ma E = 3 na h E = 9 nw h E = 31.4 uj U = 3.3 V, Interval 100 ms, Leistungsaufnahme während der Sendezeit auf einem Chanel t = 340 us, PTX = 0 dbm 36

37 Advertising Rx CC2540 RX CC2540 IMax = 20.8 ma IAvg = 19.8 ma E = 732 pa h E = 2 nw h E = 8.72 uj U = 3.3 V, Interval 100 ms, Leistungsaufnahme während der Empfangszeit auf einem Chanel t = 116 us, PTX = 0 dbm 37

38 Connection mode Energieverbrauch im connection mode 38

39 Pakete in connection mode nrf51822 CC

40 Connection nrf51822 nrf51822 IMax = 17.0 ma E = 3 na h E = 10 nw h E = 34.8 uj U = 3.3 V, Interval 100 ms, Leistungsaufnahme beim Senden eines Frame und darauf folgenden Sleep t = 100 ms, PTX = 0 dbm 40

41 Connection sleep nrf51822 nrf51822 IAvg = 16.7 ua E = 450 pa h E = 1 nw h E = 5.35 uj U = 3.3 V, Interval 100 ms, t = 96.8 ms, PTX = 0 dbm 41 Leistungsaufnahme während der Sleep- Zeit

42 Connection one packet nrf51822 Wake-Up RX TX nrf51822 IMax = 17.0 ma E = 2 na h E = 8 nw h E = 29.4 uj U = 3.3 V, Interval 100 ms, t = 2.43 ms, PTX = 0 dbm 42 Leistungsaufnahme beim Senden eines Frames

43 Connection CC2540 CC2540 IMax = 33.1 ma E = 8 na h E = 25 nw h E = 90.2 uj U = 3.3 V, Interval 100 ms, Leistungsaufnahme beim Senden eines Frame und darauf folgenden Sleep t = 100 ms, PTX = 0 dbm 43

44 Connection sleep CC2540 CC2540 IAvg = 19.7 ua E = 528 pa h E = 2 nw h E = 6.27 uj U = 3.3 V, Interval 100 ms, t = 96.6 ms, PTX = 0 dbm 44 Leistungsaufnahme während der Sleep- Zeit

45 Connection one packet CC2540 Wake-Up RX TX CC2540 IMax = 33.1 ma E = 7 na h E = 23 nw h E = 83.9 uj U = 3.3 V, Interval 100 ms, t = 3 ms, PTX = 0 dbm 45 Leistungsaufnahme beim Senden eines Frames

46 Zusammenfassung der Resultate Nordic Eint = 1.95 uj EAdv = 103 uj EAdvPaket = 98.4 uj EAdvSleep100ms = 4.86 uj ECon = 34.8 uj EConPaket = 29.4 uj EConSleep100ms = 5.35 uj Ti Eint = 14.2 uj EAdv = 214 uj EAdvPaket = 208 uj EAdvSleep100ms = 6.25 uj ECon = 90.2 uj EConPaket = 83.9 uj EConSleep100ms = 6.27 uj 46

47 Fragen? 47

48 Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit 48

49 Quellen Bluetooth Core Specification 4.0 Bluetooth, Online Training, Low Energy Bluetooth, All Hands Meeting Seattle, 19. April 2010 Anmeldung unter: 49

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