Ontwerpen met Bluetooth Mesh:chip of module?

Tot nu toe heeft deze serie artikelen een overzicht gegeven van Bluetooth-mesh en hoe u een apparaat voor een toepassing kunt selecteren. In deze laatste aflevering bespreken we of discrete apparaten of een module moeten worden gebruikt in een ontwerp.

De beslissing om discrete apparaten of een module te gebruiken, heeft een zeer grote invloed op het succes van het product. Bluetooth Mesh maakt IoT mogelijk en verbindt talloze dingen draadloos die voorheen bedraad waren of helemaal niet waren verbonden. Een perfect voorbeeld zou een gloeilamp zijn. De meeste vervaardigde lampen voor consumententoepassingen werden bediend met een wandschakelaar. Het toevoegen van Bluetooth Mesh-connectiviteit aan deze apparaten vereist expertise die intern nooit bestond.

Kortom, fabrikanten die nieuw zijn op het gebied van draadloze connectiviteit staan ​​voor de beslissing om zwaar te investeren in het ontwikkelen van hun eigen draadloze expertise of het implementeren van Bluetooth Mesh als een op zichzelf staande module en het concentreren van middelen op functionele expertise. In de volgende secties wordt ingegaan op de complexiteiten die draadloze connectiviteit met zich meebrengt en hoe u de juiste beslissing kunt nemen bij het kiezen tussen een module en een discrete oplossing voor uw producten.

Bij het toevoegen van Bluetooth Mesh aan een product worden de kosten en complexiteit van het eindsysteem beïnvloed door factoren zoals de complexiteit van het bordontwerp, wettelijke certificeringen, Bluetooth-kwalificatie, verklaring en vermelding. Laten we ze stuk voor stuk doornemen.

Producten met Bluetooth Mesh ontwerpen met discrete apparaten

Het ontwerpen van een bord voor Bluetooth Mesh vereist expertise in het ontwerpen van RF-kaarten. In het bijzonder vereist Bluetooth Mesh een antenne en een bijpassend netwerk. Deze voegen complexiteit toe aan het bordontwerp. Een passend antenneontwerp en bodemvrijheid zijn nodig om een ​​goede antenneversterking te bereiken. Voedingsgerelateerde componenten zoals een ontkoppelcondensator zijn nodig. Efficiënte routering is van cruciaal belang voor een stabiele systeemwerking en extra zorg is nodig om ervoor te zorgen dat deze circuits de antenneprestaties niet verstoren. Ook klokken/kristallen hebben speciale aandacht nodig. Elke afwijking in frequentie kan resulteren in pakketverlies, wat gevolgen heeft voor de doorvoer en energie-efficiëntie.

Om al deze complexiteiten aan te kunnen, zijn ervaren ontwerpers van RF-kaarten nodig. Interne expertise op het gebied van RF-ontwerp behouden kan kostbaar zijn, aangezien de vereiste vaardigheden behoorlijk gespecialiseerd zijn. Bovendien kan het bord meerdere spins nodig hebben, het kan de vereiste prestaties leveren.

De volgende uitdaging na het ontwerp van het bord is het voldoen aan wettelijke certificeringen. Elk Bluetooth Mesh-product moet een of meer RF-regelgevingscertificeringen ontvangen op basis van de landen waarin het wordt verkocht. Deze certificeringen zorgen ervoor dat de stralingsniveaus binnen acceptabele limieten blijven en ook dat de werkfrequentie niet binnen een verboden frequentieband valt.

Bijna elk land heeft zijn eigen certificeringsinstantie voor RF-regelgeving. Om een ​​Bluetooth Mesh-product in de Verenigde Staten te verkopen, moet het product de certificering van de Federal Communications Commission (FCC) behalen. Voor Europa moet het product CE-certificering (Conformité Européene) behalen. Japan vereist MIC (Ministerie van Binnenlandse Zaken en Communicatie) terwijl Canada ISED (Innovation, Science and Economic Development) vereist, voorheen bekend als IC (Industry Canada) certificering.

Als het product voldoet aan de RF-vereisten voor deze vier regelgevende certificeringen, zal het waarschijnlijk ook voldoen aan de wettelijke vereisten voor alle andere landen. Elk van deze certificeringen vereist echter een aanzienlijke hoeveelheid testen. Tests worden uitgevoerd in laboratoria die zijn goedgekeurd door deze regelgevende instanties, wat betekent dat niet alleen certificering, maar ook falen een prijs heeft. Als het bord bijvoorbeeld faalt, moeten er wijzigingen worden aangebracht in het ontwerp/de componenten van het bord en moet het vervolgens opnieuw naar het laboratorium worden gebracht. Voor elk Bluetooth Mesh-product kan deze certificering meer dan $ 20.000 kosten als het de eerste keer goed wordt gedaan. Naast de certificeringskosten, wordt de productuitrol vertraagd op basis van de extra tijd die tijdens elke certificeringsronde wordt besteed. In deze competitieve markt is time-to-market essentieel voor succes.

Bluetooth Mesh-producten moeten worden getest bij een Bluetooth SIG-gekwalificeerde testfaciliteit om het Bluetooth-handelsmerk te kunnen gebruiken. Productkwalificatie zorgt ervoor dat producten interoperabel zijn met andere Bluetooth Mesh-apparaten. Een verklaring en vermelding zijn ook vereist om de wettelijke rechten te verkrijgen om de Bluetooth-merknaam op het product te gebruiken en het op de markt te brengen als een Bluetooth Mesh-product.

Bluetooth Mesh-producten ontwerpen met een module

Voordat we ingaan op de voor- en nadelen van het gebruik van een module in een ontwerp, laten we even kijken wat een module is en wat deze biedt. Modules worden over het algemeen aangeboden als breed in termen van grootte, antennetype en kosten. Modules integreren de meeste of alle belangrijke componenten die nodig zijn voor de werking van het Bluetooth Mesh-apparaat, terwijl ze de prestaties leveren die vereist zijn voor de toepassing. Het gebruik van een module elimineert de complexiteit van het RF-lay-outontwerp. Er zijn extra kosten verbonden aan het gebruik van een module, vergeleken met het bouwen van een discrete oplossing, maar modules zijn de snelste en gemakkelijkste manier om Bluetooth Mesh-connectiviteit aan een product toe te voegen als er een gebrek aan interne expertise is.

Het grootste voordeel van het gebruik van een module is dat de systeemontwerper gebruik kan maken van de expertise die de modulefabrikant in de loop der jaren heeft geleerd en opgedaan. Deze expertise kan uitgebreid zijn, aangezien modules in meerdere producten in meerdere industrieën worden gebruikt. Kortom, systeemontwerpers hebben toegang tot alle expertise van de fabrikant zonder vooraf te hoeven investeren in het ontwikkelen van interne RF-expertise.

Houd er rekening mee dat sommige modules volledig gecertificeerd zijn en elimineren de moeite en kosten die gepaard gaan met het verkrijgen van de vereiste wettelijke certificeringen. Voor sommige ontwerpen betekent een kleine wijziging in de lay-out of component van het bord een volledige hercertificering.

Kiezen tussen module en discrete oplossing

Modules zijn aantrekkelijk voor alle toepassingen vanuit R&D- en certificeringsoogpunt. Het nadeel is dat ze extra kosten met zich meebrengen in vergelijking met discrete apparaten. Traditioneel gebruiken OEM's het break-evenpunt om te bepalen of ze kopen of bouwen. Dit aantal compenseert de hogere kosten per board in vergelijking met de investering in tijd en geld voor het ontwikkelen van interne expertise.

Vanwege de complexiteit en de verschillende kosten die ermee gemoeid zijn, kunnen Bluetooth Mesh-modules effectief zijn tot volumes in het bereik van 250K-eenheden. Voor hogere volumes is een benadering op basis van discrete apparaten doorgaans voordeliger. Voor veel OEM's is de prijs echter niet de enige overweging. Over het algemeen is het toevoegen van connectiviteit misschien niet zo belangrijk in systemen die complex zijn of een aantal toepassingsspecifieke certificeringen vereisen. De OEM zou liever de technische middelen gericht houden op de echte toegevoegde waarde van het bedrijf. Er is ook de extra overweging van wat er nodig is om toekomstige upgrades van connectiviteit en de board re-spins en certificeringen die volgen te behouden.

Voor elk nieuw product waarvan de initiële volumes onvoorspelbaar zijn, is het meestal een goed idee om met een module te beginnen. Hierdoor blijven de investeringen laag. Als het productvolume stijgt, kan het product migreren naar een oplossing op basis van discrete apparaten. Als dit de strategie is, is het belangrijk om een ​​module te selecteren die een gemakkelijk overgangspad naar discrete apparaten biedt.

Als de Bluetooth Mesh IC en module door verschillende leveranciers worden geleverd, kan het migreren verschillende ontwikkelingstools vereisen, waardoor de complexiteit die nodig is om wijzigingen in de firmware aan te brengen, toeneemt. Het selecteren van een leverancier die zowel IC als de module produceert, biedt een aanzienlijk voordeel. In de meeste gevallen zorgen ze er ook voor dat zowel de op afzonderlijke apparaten gebaseerde oplossing als de module dezelfde ontwikkeltools en softwareontwikkelingskit gebruiken. Het is dus mogelijk dat de firmware geen wijzigingen nodig heeft om deze migratie te voltooien. Dit betekent dat u alleen een re-spin en certificering van het bord nodig heeft om de kosten van uw product te verlagen.

Cypress levert bijvoorbeeld zowel IC als modules in verschillende formaten en antenne-opties. discrete oplossing en modules op basis van dat IC worden ondersteund in dezelfde ontwikkelingstool die een naadloos pad voor migratie biedt. De onderstaande tabel toont bijvoorbeeld het voorbeeld van CYW20819, een Bluetooth Mesh-apparaat, van Cypress en hoe het zich verhoudt tot de respectieve module.

CYW20819CYBT213043-02 (op CYW20819 gebaseerde module)Software Development Kit (SDK)BT SDKBT SDKIGeïntegreerde ontwikkelomgeving (IDE)ModusToolbox ^TM ModusToolboxZendvermogen4 dBm4 dBmAntenneNeePCB24-MHz kristalNeeJaRegelgevende certificeringenNeeFCC, ISED, MIC, CE

Zoals te zien is in de tabel, worden zowel IC als module ondersteund door dezelfde SDK en IDE, waardoor het gemakkelijk is om te schakelen tussen module en discrete apparaten zonder extra investeringen in de firmware. Tegelijkertijd ondersteunt de module alle apparaatfuncties en biedt alle voordelen zoals geïntegreerd kristal en antenne en wettelijke certificeringen.

Volledig gecertificeerde modules kunnen een startpunt zijn voor elk Bluetooth Mesh-product. Voor <250K-eenheden is de op modules gebaseerde oplossing waarschijnlijk zuiniger in vergelijking met een op discrete apparaten gebaseerd ontwerp. Voor grotere volumes kan een op discrete apparaten gebaseerd ontwerp kosteneffectiever zijn, maar vereist het aanzienlijke expertise om interne of outsourcingkosten te ontwikkelen. Als u met een module begint, is het belangrijk een module te selecteren die een eenvoudig migratiepad naar afzonderlijke apparaten biedt naarmate de volumes toenemen.

Lees de vorige artikelen in de serie "Ontwerpen met Bluetooth Mesh":
Deel 1:Nodes en functietypes
Deel 2:Node-communicatie
Deel 3:Privacy en beveiliging
Deel 4:Apparaatvereisten