Ontwerpen met Bluetooth Mesh:apparaatvereisten

In eerdere artikelen in deze serie hebben we besproken wat Bluetooth Mesh is (deel 1), hoe het werkt (deel 2) en wat het privé en veilig maakt (deel 3). Alle krachtige functies van Bluetooth Mesh maken het een veilig netwerk met een laag stroomverbruik dat ook uitstekende interoperabiliteit biedt.

Dat gezegd hebbende, maken deze functies de implementatie van Bluetooth Mesh ook een beetje ingewikkeld. Als een systeemontwerper al deze complexiteiten moet afhandelen, zou het honderden manjaren inspanningen kosten om een ​​product uit te rollen. Daarnaast zijn de IoT-toepassingen erg breed. Dit betekent dat elke toepassing een iets andere set randapparatuur en CPU-verwerkingskracht vereist. Als u bijvoorbeeld smart home-producten ontwerpt, werken sommige op batterijen, terwijl andere op de muur werken, sommige zijn analoog-intensief, terwijl sommige uitgebreide verwerkingskracht nodig hebben met veel digitale randapparatuur.

Firmware-ontwikkeling is vaak de grootste investering voor elk systeemontwikkelingsproject. Hoewel de systemen verschillend zijn, kunnen sommige firmware-inspanningen opnieuw worden gebruikt in verschillende ontwerpen als de gebruikte siliciumfamilie ongewijzigd blijft. Het is dus belangrijk om na due diligence een apparaat/platform voor uw eerste product te kiezen, zodat u IP-hergebruik kunt maximaliseren en bestaande firmware kunt benutten. In dit artikel bespreken we enkele punten waarmee u rekening moet houden bij het selecteren van een apparaat voor uw volgende Bluetooth Mesh-toepassing.

Op een hoog niveau zijn er drie belangrijke onderdelen nodig voor de ontwikkeling en implementatie van elke Bluetooth Mesh-toepassing. Deze stukken zijn:

• Hardware
• Software/firmware
• Mobiele applicatie

Hardware

Bij het selecteren van een platform voor uw Bluetooth Mesh-producten, is de eerste en belangrijkste stap het onderzoeken van de apparaatmogelijkheden. Het is belangrijk om bij de keuze van het apparaat rekening te houden met de lange termijn. Laten we een voorbeeld nemen om te begrijpen waarom. Afbeelding 1 toont een voorbeeld van een smart home-systeem.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 1:Een voorbeeld van een smart home-systeem met Bluetooth Mesh. (Bron:Cypress)

Zoals je hier ziet, zijn er verschillende apparaten in dit netwerk, waaronder gloeilampen, een ventilator, een thermostaat en een jaloeziecontroller. Een echt slim huis kan een grotere verscheidenheid aan Bluetooth Mesh-producten gebruiken, zoals schakelaars, dimmers, aanwezigheidssensoren, sprinklercontrollers, enz. Als u slimme huisproducten ontwerpt, moet u mogelijk producten ontwerpen die geschikt zijn voor al deze toepassingen. Dus zelfs als u aan een slimme schakelaartoepassing werkt, is het belangrijk om ook andere producten te bekijken.

Elk van deze toepassingen heeft verschillende ontwerpvereisten. Hetzelfde geldt ook voor andere segmenten, zoals gebouwautomatisering. Idealiter kunnen uw ontwerpen worden gebaseerd op een platform dat voldoet aan de meeste van deze toepassingsvereisten. Bovendien moet u de mogelijkheid hebben om opties te upgraden of downgraden op basis van de applicatie zonder dat de firmware volledig opnieuw moet worden ontworpen.

Laten we eens kijken naar enkele van de siliconenfuncties/specificaties waarmee rekening moet worden gehouden voordat u een apparaat kiest voor de ontwikkeling van uw Bluetooth Mesh-toepassing.

Zendvermogen en ontvangstgevoeligheid – Een van de belangrijke specificaties voor elk draadloos apparaat is het zendvermogen en de ontvangstgevoeligheid. Zendvermogen en ontvangstgevoeligheid bepalen het linkbudget van het apparaat en de afstand waarop een apparaat kan praten met andere knooppunten in het netwerk. Hoewel Bluetooth Mesh bedoeld is om het bereik van het netwerk te vergroten, beperken zendvermogen en ontvangstgevoeligheid de afstand tussen individuele nodes in het netwerk.

Zoals we eerder vermeldden, is niet elk product hetzelfde en zijn de vereisten afhankelijk van de toepassing. Het hebben van een hoger zendvermogen verbruikt ook meer stroom. Mogelijk moet u het zendvermogen voor batterijgevoede toepassingen beperken om het stroomverbruik te verminderen en de levensduur van de batterij te verlengen. Toepassingen zoals temperatuur- en vochtigheidssensoren, slimme schakelaars, etc. werken over het algemeen op batterijen. In deze gevallen kan het gunstig zijn om een ​​lager zendvermogen te gebruiken. Aan de andere kant kunnen wandgevoede toepassingen een hoger zendvermogen ondersteunen om het netwerkbereik te vergroten. Voor toepassingen op de muur is het dus belangrijk om een ​​apparaat te kiezen dat een zendvermogen tot 10 dBm kan ondersteunen.

Een apparaat met mesh-functionaliteit moet een lager zendvermogen kunnen ondersteunen voor toepassingen op batterijen en een hoger zendvermogen voor toepassingen op de muur. Het is een goed idee om een ​​apparaatfamilie te kiezen die verschillende Transmit-stroomopties biedt in een vergelijkbare footprint en met vergelijkbare bronnen. Hierdoor kunt u alleen de stuklijst wijzigen zonder dat u wijzigingen in de lay-out hoeft aan te brengen, waardoor het ontwerp van nieuwe producten wordt vereenvoudigd en de time-to-market wordt versneld.

Een hoger zendvermogen wordt over het algemeen ondersteund met behulp van een geïntegreerde eindversterker (IPA). Aan een IPA zijn echter extra kosten verbonden. Om de stuklijstkosten te verlagen, kan de ontwikkelaar overschakelen naar een goedkoop apparaat met een lager zendvermogen in dezelfde footprint voor toepassingen op batterijen, als een dergelijke optie beschikbaar is. Om aan deze eis te voldoen, levert Cypress bijvoorbeeld de CYW20819 die tot +4 dBm zendvermogen ondersteunt en een ander apparaat CYW20820 dat tot 10 dBm zendvermogen ondersteunt in een pin-compatibel pakket met dezelfde functieset.

Stroomverbruik – Het stroomverbruik moet voor elke toepassing zorgvuldig worden onderzocht, of deze nu op een muur of op een batterij werkt. Om producten milieuvriendelijk te maken, is er een constante druk van regelgevende instanties om het stroomverbruik te verminderen, zelfs met apparaten op de muur. Als uw product niet voldoet aan de gespecificeerde vereisten voor stroomverbruik, kunt u het product mogelijk niet verkopen.

Er zijn verschillende factoren die moeten worden onderzocht bij het bekijken van het stroomverbruik van een apparaat. Het eerste is het energieverbruik van de radio tijdens zenden en ontvangen. De meeste Bluetooth Mesh-knooppunten scannen continu naar pakketten. Deze apparaten bevinden zich dus bijna 100% van de tijd in de ontvangstmodus, waardoor het stroomverbruik van de ontvanger een van de belangrijkste parameters is waarmee rekening moet worden gehouden bij het kiezen van een apparaat voor Mesh-toepassingen.

Zendstroomverbruik is een andere belangrijke specificatie, aangezien mesh-apparaten die als relais fungeren, ontvangen berichten moeten doorsturen. Het zendvermogen moet worden onderzocht bij het maximaal ondersteunde zendvermogen van het apparaat. Sommige apparaten presteren doorgaans beter bij een lager zendvermogen dan wanneer ze worden gebruikt bij een hoger zendvermogen.

Leveranciers ondersteunen verschillende energiezuinige modi op hun apparaten. Het is belangrijk om te begrijpen wat er nodig is voor uw toepassing, zodat u een nauwkeurig schatting kunt maken van het gemiddelde stroomverbruik op basis van de tijd die het apparaat waarschijnlijk zal doorbrengen in actieve en andere energiezuinige modi.

Verwerkingskracht – Het is over het algemeen een goed idee om een ​​apparaat met een goede verwerkingskracht te kiezen. Sommige toepassingen, zoals led-lampen, vereisen mogelijk een snelle verwerking en wijziging van de led-status (aan/uit of kleur) op basis van gebruikersverzoeken. Omdat apparaten het laagste stroomverbruik verbruiken in hun energiezuinige modus, kunnen taken snel worden voltooid door een snellere CPU te gebruiken. Het apparaat kan dus langer in slaapstand gaan, wat het gemiddelde totale stroomverbruik vermindert.

Geheugen – De vereisten voor Flash- en RAM-grootte variëren, afhankelijk van de gekozen toepassing. Het is belangrijk om een ​​productfamilie te vinden die een flexibele geheugenvoetafdruk biedt. De Mesh-implementatie zou het mogelijk moeten maken om de applicatiecode zonder extra inspanning te porteren tussen apparaten met een verschillende geheugenvoetafdruk. Hierdoor kunt u een goedkoper apparaat kiezen voor uw toepassingen die minder geheugen nodig hebben. Sommige apparaten hebben ook een ROM om Bluetooth-stack en stuurprogramma's voor randapparatuur op te slaan. Dit maakt Flash vrij voor toepassingsgebruik. Dit betekent dat apparaten met intern ROM en Flash doorgaans beter geschikt zijn voor Bluetooth Mesh-producten.

Randapparatuur – Zoals we eerder vermeldden, kunnen verschillende randapparatuur nodig zijn voor verschillende toepassingen. Een slimme lamp heeft bijvoorbeeld drie of vier pulsbreedtemodulatoren (PWM's) nodig voor RGB/RGBW LED-besturing, een analoog-naar-digitaalomzetter (ADC) voor temperatuurmeting met behulp van een thermistor, en een I2C-interface om te dienen als een passieve infrarood (PIR) sensorcontrollerinterface. Aan de andere kant vereist een themostaat een ADC en een energiebeheerblok om modi met laag energieverbruik te ondersteunen. Bij het selecteren van een platform voor uw producten helpt het om de mogelijke randapparatuurbehoeften voor alle toepassingen op te sommen en een apparaat te identificeren dat het beste bij hen past.

Uitgebreide ondersteuning voor temperatuur en industriële temperatuur – Sommige toepassingen, zoals verlichting, hebben ondersteuning nodig bij hoge temperaturen (tot +105 ° C), gezien de hoge vermogensdissipatie over leds en het AC-DC-subsysteem. Om deze reden is het belangrijk om een ​​apparaatfamilie te kiezen die het product biedt in zowel industriële als uitgebreide temperatuurklassen.

Software

Software is een heel belangrijk stuk dat moet worden onderzocht. Met software bedoelen we niet alleen een IDE en toolchains maar ook de onderliggende Software Development Kit (SDK). De IDE moet gemakkelijk te gebruiken zijn, zoals veelgebruikte op Eclipse gebaseerde IDE's.

De SDK heeft speciale aandacht nodig. Bluetooth Mesh heeft verschillende modellen en knooppunttypen. Het gebruik van een bepaald model en knooppunttype is afhankelijk van de toepassing. Om een ​​product te kwalificeren als Bluetooth Mesh, moeten het onderliggende model en het knooppunttype ook in aanmerking komen. Sommige leveranciers hebben niet alle Bluetooth Mesh-modellen en knooppunttypen gekwalificeerd. Als de toepassing een model vereist dat niet gekwalificeerd is, moet de ontwikkelaar het hele kwalificatieproces doorlopen. Dat vereist dat de ontwikkelaar de Bluetooth Mesh-specificatie grondig begrijpt en extra geld en tijd investeert in het kwalificatieproces. Het is de verantwoordelijkheid van de Mesh-siliciumleverancier om die complexiteit te abstraheren en een oplossing te bieden die volledig is gekwalificeerd voor Bluetooth Mesh. Dus, voordat u een apparaat voor uw Bluetooth Mesh-toepassing selecteert, raadpleegt u de Bluetooth SIG-website om erachter te komen welke mesh-modellen en -knooppunten geschikt zijn voor een bepaald apparaat.

Zodra u een apparaat hebt geïdentificeerd dat alle mesh-modellen en knooppunttypen ondersteunt, is het een goed idee om uit te zoeken welke voorbeelden van referentiecodes beschikbaar zijn. Codevoorbeelden zetten de ontwikkeling op gang met een nieuwe technologie die je nog niet eerder hebt gebruikt.

Mobiele applicaties

Het idee van IoT is om dingen zo met elkaar te verbinden dat ze gemakkelijk toegankelijk zijn voor gebruikers. Bijna alle IoT-applicaties vereisen een mobiele applicatie, en dat geldt ook voor op Bluetooth Mesh gebaseerde IoT-applicaties. Of het nu gaat om het bedienen van gloeilampen of het aflezen van de temperatuur van een weerstation, gebruikers willen toegang krijgen tot apparaten en deze bedienen met hun telefoon. Om dit te vergemakkelijken, moeten siliciumleveranciers mobiele iOS- en Android-applicaties voor hun Bluetooth Mesh-product leveren.

In het ideale geval wordt de broncode voor deze toepassingen geleverd, zodat u aanpassingen kunt maken om uw merk- en productspecifieke wijzigingen aan te passen. Als de siliciumleverancier deze toepassingen niet levert, moet u deze toepassingen helemaal opnieuw ontwikkelen. App-ontwikkelingskosten kunnen oplopen tot $ 200.000+ voor elke applicatie, exclusief de impact op de time-to-market voor uw product.

U kunt ook de video Meer informatie over Bluetooth Mesh bekijken om te leren hoe u een Bluetooth Mesh-netwerk kunt maken en ermee kunt communiceren.

In het volgende en laatste artikel in deze serie zullen we bespreken of een siliciumapparaat of een module moet worden gebruikt voor uw Bluetooth Mesh-toepassing, en we zullen de factoren beschrijven die van invloed zijn op de beslissing bij het kiezen tussen deze twee alternatieven.