Проектирование с помощью Bluetooth Mesh:требования к устройству

В предыдущих статьях этой серии мы обсуждали, что такое сеть Bluetooth (часть 1), как она работает (часть 2) и что делает ее конфиденциальной и безопасной (часть 3). Все мощные функции, предлагаемые Bluetooth Mesh, делают его безопасной маломощной сетью, которая также обеспечивает отличную совместимость.

С учетом сказанного, эти функции также немного усложняют реализацию Bluetooth Mesh. Если проектировщику системы придется заниматься всеми этими сложностями, для развертывания продукта потребуются сотни человеко-лет. Помимо этого, приложения IoT имеют очень широкую основу. Это означает, что для каждого приложения требуется немного другой набор периферийных устройств и вычислительная мощность процессора. Например, если вы разрабатываете продукты для умного дома, некоторые из них питаются от батарей, а другие - от стены, некоторые из них интенсивно используют аналоговую технику, а некоторым требуется большая вычислительная мощность с большим количеством цифровых периферийных устройств.

Разработка прошивки часто является самым большим вложением в любой проект по разработке систем. Несмотря на то, что системы различаются, некоторые усилия по прошивке могут быть повторно использованы в разных конструкциях, если используемое семейство кремний останется неизменным. Таким образом, важно выбрать устройство / платформу для вашего первого продукта после должной осмотрительности, чтобы вы могли максимально увеличить повторное использование IP и использовать существующее микропрограммное обеспечение. В этой статье мы обсудим некоторые моменты, которые необходимо учитывать при выборе устройства для вашего следующего приложения Bluetooth Mesh.

На высоком уровне для разработки и развертывания любого приложения Bluetooth Mesh необходимы три ключевых элемента. Вот эти части:

• Аппаратное обеспечение
• Программное обеспечение / прошивка
• Мобильное приложение

Оборудование

При выборе платформы для продуктов Bluetooth Mesh первым и наиболее важным шагом является изучение возможностей устройства. При выборе устройства важно учитывать долгий срок. Давайте рассмотрим пример, чтобы понять, почему. На рисунке 1 показан пример системы умного дома.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 1. Пример системы умного дома, использующей Bluetooth Mesh. (Источник:Cypress)

Как видите, в этой сети есть различные устройства, в том числе лампочки, вентилятор, термостат и контроллер жалюзи. Настоящий умный дом может использовать большее разнообразие продуктов с сеткой Bluetooth, таких как переключатели, диммеры, датчики присутствия, контроллеры спринклерных систем и т. Д. Если вы разрабатываете продукты для умного дома, вам может потребоваться разработать продукты, отвечающие всем этим приложениям. Таким образом, даже если вы работаете над приложением для интеллектуального коммутатора, важно также изучить и другие продукты.

Каждое из этих приложений имеет разные требования к дизайну. То же самое верно и для других сегментов, таких как автоматизация зданий. В идеале ваши проекты могут быть основаны на платформе, которая удовлетворяет большинство требований этих приложений. Кроме того, у вас должна быть возможность обновлять или понижать параметры в зависимости от приложения, не требуя полной переделки прошивки.

Давайте рассмотрим некоторые особенности / характеристики микросхемы, которые следует учитывать перед выбором устройства для разработки приложения Bluetooth Mesh.

Мощность передачи и чувствительность приема - Одной из важных характеристик любого беспроводного устройства является его мощность передачи и чувствительность приема. Мощность передачи и чувствительность приема определяют бюджет канала связи устройства и расстояние, на котором устройство может общаться с другими узлами в сети. Хотя Bluetooth Mesh предназначен для расширения диапазона сети, мощность передачи и чувствительность приема ограничивают расстояние между отдельными узлами в сети.

Как мы упоминали ранее, не все продукты одинаковы, и требования различаются в зависимости от приложения. Более высокая мощность передачи также потребляет больше тока. Вам может потребоваться ограничить мощность передачи для приложений с батарейным питанием, чтобы снизить энергопотребление и продлить срок службы батареи. Такие приложения, как датчики температуры и влажности, интеллектуальные переключатели и т. Д., Как правило, работают от батарей. В этих случаях может быть выгодно использовать более низкую мощность передачи. С другой стороны, приложения с настенным питанием могут поддерживать более высокую мощность передачи для расширения диапазона сети. Поэтому для приложений с настенным питанием важно выбрать устройство, которое может поддерживать мощность передачи до 10 дБмВт.

Устройство с поддержкой Mesh должно поддерживать более низкую мощность передачи для приложений с батарейным питанием и более высокую мощность передачи для приложений с настенным питанием. Рекомендуется выбрать семейство устройств, предлагающих различные параметры мощности передачи, с аналогичной площадью и с аналогичными ресурсами. Это позволяет изменять только спецификацию без внесения каких-либо изменений в макет, что упрощает разработку новых продуктов и ускоряет вывод на рынок.

Более высокая мощность передачи обычно поддерживается с помощью встроенного усилителя мощности (IPA). Однако за IPA взимается дополнительная плата. Чтобы снизить стоимость спецификации, разработчик может переключиться на недорогое устройство с более низкой мощностью передачи на той же площади для приложений с батарейным питанием, если такая опция доступна. Например, чтобы удовлетворить это требование, Cypress предоставляет CYW20819, который поддерживает мощность передачи до +4 дБм, и другое устройство CYW20820, которое поддерживает мощность передачи до 10 дБм, в совместимом по выводам корпусе с тем же набором функций.

Потребляемая мощность - Потребляемая мощность должна быть исследована самым тщательным образом для каждого приложения, будь то настенное или аккумуляторное питание. Чтобы сделать продукты экологически чистыми, регулирующие органы постоянно требуют снижения энергопотребления даже при использовании устройств с настенным питанием. Если ваш продукт не соответствует указанным требованиям к энергопотреблению, вы не сможете продать его.

При оценке энергопотребления устройства необходимо учитывать различные факторы. Во-первых, это потребление мощности радиосигнала во время передачи и приема. Большинство узлов Bluetooth Mesh непрерывно сканируют пакеты. Таким образом, эти устройства находятся в режиме приема почти 100% времени, что делает потребляемую мощность приемника одним из наиболее важных параметров, которые следует учитывать при выборе устройства для приложений Mesh.

Потребляемая мощность передачи - еще одна важная спецификация, учитывая, что устройства Mesh, которые действуют как ретрансляторы, должны пересылать полученные сообщения. Потребляемая мощность передачи должна быть проверена на максимальной поддерживаемой мощности передачи устройства. Некоторые устройства, как правило, работают лучше при более низкой мощности передачи по сравнению с тем, когда они используются при более высокой мощности передачи.

Производители поддерживают в своих устройствах различные режимы пониженного энергопотребления. Важно понимать, что требуется для вашего приложения, чтобы вы могли точно оценить среднее энергопотребление на основе времени, которое устройство может провести в активном и других режимах с низким энергопотреблением.

Вычислительная мощность - Как правило, рекомендуется выбирать устройство с хорошей вычислительной мощностью. Для некоторых приложений, таких как светодиодные лампы, может потребоваться быстрая обработка и изменение статуса светодиода (вкл. / Выкл. Или цвет) в зависимости от запросов пользователя. Поскольку устройства потребляют наименьшее энергопотребление в своих режимах с низким энергопотреблением, использование более быстрого ЦП позволяет быстро выполнять задачи. Таким образом, устройство может переходить в спящий режим на более длительное время, что снижает среднее общее энергопотребление.

Память - Требования к размеру флэш-памяти и ОЗУ различаются в зависимости от выбранного приложения. Важно найти семейство продуктов, которое предлагает гибкий объем памяти. Реализация Mesh должна позволять переносить код приложения между устройствами с разным объемом памяти без каких-либо дополнительных усилий. Это позволяет вам выбрать более дешевое устройство для ваших приложений, которым требуется меньше памяти. Кроме того, некоторые устройства имеют ПЗУ для хранения стека Bluetooth и периферийных драйверов. Это освобождает Flash для использования в приложениях. Это означает, что устройства с внутренним ПЗУ и флэш-памятью обычно лучше подходят для продуктов Bluetooth Mesh.

Периферийные устройства - Как мы упоминали ранее, для разных приложений может потребоваться разная периферия. Например, для интеллектуальной лампочки может потребоваться три или четыре широтно-импульсных модулятора (ШИМ) для управления светодиодами RGB / RGBW, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для измерения температуры с помощью термистора и интерфейс I2C, служащий в качестве интерфейс контроллера пассивного инфракрасного датчика (PIR). С другой стороны, термостат требует АЦП и блока управления питанием для поддержки режимов с низким энергопотреблением. При выборе платформы для ваших продуктов это помогает составить список потенциальных периферийных устройств для всех приложений и определить устройство, которое им лучше всего подходит.

Расширенная температура и поддержка промышленных температур - Некоторые приложения, такие как освещение, нуждаются в поддержке расширенных температур (до + 105 ° C), учитывая большое рассеивание мощности через светодиоды и подсистему AC-DC. По этой причине важно выбрать семейство устройств, предлагающее продукт как в промышленном, так и в расширенном температурном диапазоне.

Программное обеспечение

Программное обеспечение - действительно важная часть, которую необходимо исследовать. Под программным обеспечением мы подразумеваем не только IDE и инструментальные средства, но и базовый комплект разработки программного обеспечения (SDK). IDE должна быть простой в использовании, например, обычно используемые IDE на основе Eclipse.

SDK требует особого внимания. Bluetooth Mesh имеет несколько моделей и типов узлов. Использование конкретной модели и типа узла зависит от приложения. Чтобы продукт мог считаться сеткой Bluetooth, также должны соответствовать соответствующая модель и тип узла. Некоторые поставщики не квалифицируют все модели и типы узлов Bluetooth Mesh. Если приложению требуется модель, которая не соответствует требованиям, разработчик обязан пройти весь процесс квалификации. Для этого разработчик должен хорошо понимать спецификацию Bluetooth Mesh и вкладывать дополнительные деньги и время в процесс квалификации. Поставщик микросхем Mesh обязан устранить эту сложность и предоставить решение, полностью отвечающее требованиям Bluetooth Mesh. Таким образом, прежде чем выбрать устройство для приложения Bluetooth Mesh, посетите веб-сайт Bluetooth SIG, чтобы узнать, какие модели и узлы сетки подходят для конкретного устройства.

После того, как вы определили устройство, которое поддерживает все модели сетки и типы узлов, рекомендуется узнать, какие примеры справочного кода доступны. Примеры кода дают толчок развитию новой технологии, которую вы раньше не использовали.

Мобильные приложения

Идея Интернета вещей состоит в том, чтобы соединить вещи таким образом, чтобы пользователи могли легко получить к ним доступ. Практически для всех приложений Интернета вещей требуется мобильное приложение, как и для приложений Интернета вещей на основе Bluetooth Mesh. Будь то управление лампочкой или считывание температуры со станции мониторинга погоды, пользователи хотят получать доступ к устройствам и управлять ими с помощью своего телефона. Чтобы облегчить это, поставщики микросхем должны предоставить мобильные приложения iOS и Android для своего продукта Bluetooth Mesh.

В идеале для этих приложений предоставляется исходный код, чтобы вы могли вносить изменения в соответствии с модификациями вашего бренда и продукта. Если поставщик микросхем не предоставляет эти приложения, вам придется разрабатывать эти приложения с нуля. Затраты на разработку приложений могут достигать 200 000 долларов США для каждого приложения, не считая влияния на время вывода вашего продукта на рынок.

Вы также можете посмотреть видео «Узнать больше о Bluetooth Mesh», чтобы научиться создавать сеть Bluetooth Mesh и взаимодействовать с ней.

В следующей и последней статье этой серии мы обсудим, следует ли использовать кремниевое устройство или модуль для вашего приложения Bluetooth Mesh, и опишем факторы, которые влияют на выбор между этими двумя альтернативами.