『半導体業界の第一人者，AI業界を行く！』 Vol.15：Bluetooth マイコン触ってみました -Part2- HACARUS INC.

9月 28, 2021
AI Lab

（写真：実験風景．Silicon Labs社 “Thunderboard”上で，Bluetooth Low-power thermometer プログラムが Advertising mode で動作中．CR2032 コイン電池電圧と Thunderboard 消費電流を測定中．右は消費電流の詳細．）

こんにちは，HACARUS 東京R&Dセンター所属のエッジ・エバンジェリスト　田胡治之です．この連載では，半導体業界で長年知識や情報を得てきた私，田胡がこれまでと異なるAI業界に飛び込み，そこから感じる業界のニュースやトピックを独自の視点で紹介したいと思います．今回は，エッジAIシステムでのデータ収集用途を念頭に置き，Bluetooth機能つきマイコンを触ってみました -Part2- です．

Bluetooth機能付きマイコン

前々号[1]で Bluetooth機能付きマイコンの概要を述べ，前号[2]で Silicon Labs社 “BGM220P Wireless Gecko Module Starter Kit” 上でデモプログラム３種類を動かし，通信距離などを調べました．本稿では，Silicon Labs社 “Thunderboard” [3] を使い，Bluetooth低消費電力温度計（Bluetooth Low-power Thermometer）プログラムの開発から電池寿命見積りまでをレポートします．

実験の準備

Silicon Labs社 Thunderboard は，CR2032コイン電池ホルダーを含んだサイズが 30.4mm x 45.4mm の小型ボードです（Figure 1）．ボード上にはSoC，５種類のセンサ，デバッグインターフェースなどが載っています．センサは，温度・湿度センサ，6軸加速度センサ，磁気センサ，照度センサ，2チャンネルデジタルマイクと，SoC内部の Internal Temperature Sensor です．SoC (System on Chip) は EFR32BG22 Wireless Gecko で，CPUコアが 76.8 MHz ARM Cortex®-M33 with DSP instruction and floating-point unit, 512kB Flash ROM, 32kB RAM, 種々なI/O に加えて Blluetooth 無線機能がワンチップ化されています．

Figure 1 Silicon Labs社 Thunderboard [3]

ソフトウェア開発ツール（SDK）には前号と同じ Silicon Labs社 Simplicity Studio 5 を使います．同社サイトから無償でダウンロードできます[4][5]．Simplicity Studio 5 はソフトウェア開発・デバッグ機能に加えて AEM (Advanced Energy Monitor）機能を持ち，Bluetooth マイコンの消費電流，電源電圧，消費電力などを動的に測定できます[6]．Thunderboard からのデータを受け取るセントラルデバイスには，Silicon Labs社 EFR Connect アプリ [7] をインストールしておきます（Figure 2）．

Figure 2 プログラム開発の様子

今回のプログラムは，Bluetooth Low-power Thermometer です．Silicon Labs社 Workshop教材のひとつ [8][9][10] をベースに，筆者が変更を加えたものです．現時点では，温度センサとしてSoC内部の Internal Temperature Sensor のみを使っています．なお同Workshop教材では，Thunderboard のUSB端子からPC USB端子に直接接続した環境で開発しています．これでプログラム開発と実行は問題なく行えます．しかし Simplicity Studio 5 のAEM機能（電流・電圧測定）を使うには，Figure 2 内 BRD4001A Wireless Starter Kit Mainboard を介してPCに接続する必要があります．Low-power と称する理由は，アクティブ期間（センサ値読み取りとセントラルへの送信）以外の期間はSoCをスリープ（Sleep）状態に入れ，消費電力を極力抑えて電池寿命を伸ばすプログラムだからです．ザックリ言うと，アクティブ期間の平均消費電流が数mAに対しスリープ期間の平均消費電流は数μAで，千倍以上の差があります．デバイスをスリープ期間に長く留めることで電池を長持ちさせることが可能で，測定間隔が長い応用に適しています．

Advertising mode と Connected mode

Bluetooth通信では，まずペリフェラルデバイス（Thunderboard）が Advertising を開始します．セントラルデバイスがそれを発見してスキャン要求／応答，次に接続要求を出し，Connected mode になります．そこで温度データの通信が可能になります．本稿では，Advertising mode に焦点を当てます．

Thunderboard の消費電流測定例を Figure 3 に示します．横軸は時間で右端が最新(0s) ，左端が12秒前を示します．縦軸はThunderboard 消費電流値です．対数目盛であることにご注意下さい．縦軸最小値は 1nA(1e-9A)，最大値は 100mA(1e-2A)で，1000万倍もの広い範囲を表示しています．例えば電流波形の底の部分は 1uA (1e-6A)程度，Advertising mode の電流ピーク値は，数百uA程度と読み取れます．Advertising mode では，Thunderboard 消費電流がほぼ一定間隔でパルス状に増加しています．

Figure 3 Advertising mode と Connected mode の電流波形

Advertising mode 中の電流波形を Figure 4 に示します．プログラムで Advertising 間隔を 0.2s (200ms) に設定していて，測定結果もほぼそうなっています（Figure 4 右）．一つの電流パルス波形の時間軸を 1.25ms/目盛に拡大したもの（Figure 4 左）を見ると，パルス波形を矩形近似した場合，幅は約3ms，電流ピーク期間の平均は約 3.5mA と読み取れます．

Figure 4 右：Advertising mode の電流波形，左：一つの電流パルスの時間軸を拡大した詳細波形

電流モデルと電池寿命の見積り

Advertising mode での電流をモデル化し，電池寿命を見積ります．Active期間の電流波形をシンプルな矩形近似（Rectangle approximation）します（Figure 5）．Advertising には種々のパラメータがあり消費電流に影響します．本実験では，例えば Advertising チャネル数を3，送信電力を0dBmに固定しています．その条件下で平均電流は

Average current formula

と表せます．即ち Advertising 間隔（Tinterval）だけで平均電流を表せます．

Figure 5 Average current model の作成

Advertising 間隔を Bluetooth仕様で定められている 0.02s ~ 10.240s 間で変化させ，AEMを使って平均電流を測定しました．その結果と上式から求めた平均電流（Iaverage）を，Figure 6 左に示します．両者はよく一致しているので，電流波形の矩形近似はよい近似モデルと考えます．

電池寿命(h) は，電池容量(mAh) ／平均電流(mA) で表せます．Thunderboard に使われている CR2032 コイン電池の容量は，例えば 220mAh です[11]．電池寿命見積り例を Figure 6 右に示します．もちろん環境や電池の状態などに左右されますが，Advertising 間隔を1秒間に設定した場合，電池は 764days（約二年一カ月）保つ計算です．

Figure 6 左：Advertising interval と Average current の関係，右：Advertising interval と電池寿命見積り

まとめ

エッジAI用途を念頭に，Silicon Labs社 “Thunderboard” を使って，Bluetooth低消費電力温度計（Bluetooth Low-power Thermometer）プログラムを開発し，消費電流測定とモデリング，電池寿命の見積りを行いました．SoC内部の　Internal Temperature Sensor を使いました．

Advertising mode の消費電流は，数mAが数ms間パルス状に流れるActive期間と，数uAが次のAdvertising まで流れるスリープ期間から構成されます．Advertising mode の平均電流は，Active期間長さと電流，スリープ期間長さと電流，Advertising Interval を使った矩形近似でよく表せるようです．

Thunderboard の電池寿命は，Advertising 間隔により週程度から数年以上まで大きく変化します．例えば Advertising 間隔1秒間では，約764日（二年一ヵ月）と見積もられました．