Entwerfen mit Bluetooth Mesh:Geräteanforderungen

In früheren Artikeln dieser Serie haben wir diskutiert, was Bluetooth Mesh ist (Teil 1), wie es funktioniert (Teil 2) und was es privat und sicher macht (Teil 3). Alle leistungsstarken Funktionen von Bluetooth Mesh machen es zu einem sicheren Netzwerk mit geringem Stromverbrauch, das auch eine hervorragende Interoperabilität bietet.

Allerdings machen diese Funktionen die Bluetooth-Mesh-Implementierung auch etwas komplex. Wenn ein Systemdesigner all diese Komplexitäten bewältigen muss, würde es Hunderte von Mannjahren dauern, um ein Produkt auf den Markt zu bringen. Darüber hinaus sind die IoT-Anwendungen sehr breit aufgestellt. Dies bedeutet, dass jede Anwendung einen etwas anderen Satz von Peripheriegeräten und CPU-Rechenleistung erfordert. Wenn Sie beispielsweise Smart-Home-Produkte entwerfen, sind einige batteriebetrieben, während andere über eine Steckdose mit Strom versorgt werden, einige sind analog intensiv, während andere eine hohe Rechenleistung mit vielen digitalen Peripheriegeräten benötigen.

Die Firmware-Entwicklung ist oft die größte Investition für jedes Systementwicklungsprojekt. Auch wenn die Systeme unterschiedlich sind, können einige der Firmware-Anstrengungen über Designs hinweg wiederverwendet werden, wenn die verwendete Siliziumfamilie unverändert bleibt. Daher ist es wichtig, nach sorgfältiger Prüfung ein Gerät/eine Plattform für Ihr erstes Produkt auszuwählen, damit Sie die Wiederverwendung von IP maximieren und vorhandene Firmware nutzen können. In diesem Artikel besprechen wir einige der Punkte, die bei der Auswahl eines Geräts für Ihre nächste Bluetooth-Mesh-Anwendung beachtet werden müssen.

Auf einer hohen Ebene werden drei Schlüsselelemente für die Entwicklung und Bereitstellung von Bluetooth Mesh-Anwendungen benötigt. Diese Stücke sind:

• Hardware
• Software/Firmware
• Mobile Anwendung

Hardware

Bei der Auswahl einer Plattform für Ihre Bluetooth Mesh-Produkte besteht der erste und wichtigste Schritt darin, die Gerätefunktionen zu untersuchen. Bei der Geräteauswahl ist es wichtig, die Langfristigkeit zu berücksichtigen. Nehmen wir ein Beispiel, um zu verstehen, warum. Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für ein Smart-Home-System.

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Abbildung 1:Ein Beispiel für ein Smart Home-System mit Bluetooth Mesh. (Quelle:Cypress)

Wie Sie hier sehen, gibt es in diesem Netzwerk verschiedene Geräte, darunter Glühbirnen, ein Lüfter, ein Thermostat und eine Jalousiesteuerung. Ein echtes Smart Home kann eine größere Vielfalt an Bluetooth Mesh-Produkten wie Schalter, Dimmer, Präsenzmelder, Sprinklersteuerungen usw. verwenden. Wenn Sie Smart Home-Produkte entwickeln, müssen Sie möglicherweise Produkte entwickeln, die all diesen Anwendungen gerecht werden. Auch wenn Sie an einer Smart-Switch-Anwendung arbeiten, ist es daher wichtig, auch andere Produkte zu prüfen.

Jede dieser Anwendungen hat unterschiedliche Designanforderungen. Gleiches gilt auch für andere Segmente wie die Gebäudeautomation. Idealerweise können Ihre Designs auf einer Plattform basieren, die die meisten dieser Anwendungsanforderungen erfüllt. Darüber hinaus sollten Sie die Möglichkeit haben, Optionen basierend auf der Anwendung zu aktualisieren oder herunterzustufen, ohne dass eine vollständige Neugestaltung der Firmware erforderlich ist.

Sehen wir uns einige der Siliziumfunktionen/-spezifikationen an, die berücksichtigt werden sollten, bevor Sie ein Gerät für die Entwicklung Ihrer Bluetooth-Mesh-Anwendung auswählen.

Sendeleistung und Empfangsempfindlichkeit – Eine der wichtigsten Spezifikationen für jedes drahtlose Gerät ist seine Sendeleistung und Empfangsempfindlichkeit. Sendeleistung und Empfangsempfindlichkeit definieren das Link-Budget des Geräts und die Entfernung, in der ein Gerät mit anderen Knoten im Netzwerk kommunizieren kann. Obwohl Bluetooth Mesh die Reichweite des Netzwerks erweitern soll, begrenzen Sendeleistung und Empfangsempfindlichkeit die Entfernung zwischen einzelnen Knoten im Netzwerk.

Wie bereits erwähnt, ist nicht jedes Produkt gleich und die Anforderungen variieren je nach Anwendung. Eine höhere Sendeleistung verbraucht auch mehr Strom. Möglicherweise müssen Sie die Sendeleistung für batteriebetriebene Anwendungen begrenzen, um den Stromverbrauch zu reduzieren und die Batterielebensdauer zu verlängern. Anwendungen wie Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren, intelligente Schalter usw. werden im Allgemeinen batteriebetrieben. In diesen Fällen kann es günstig sein, eine geringere Sendeleistung zu verwenden. Andererseits können wandbetriebene Anwendungen eine höhere Sendeleistung unterstützen, um die Netzwerkreichweite zu erweitern. Für wandbetriebene Anwendungen ist es daher wichtig, ein Gerät auszuwählen, das eine Sendeleistung von bis zu 10 dBm unterstützt.

Ein Mesh-fähiges Gerät sollte in der Lage sein, eine geringere Sendeleistung für batteriebetriebene Anwendungen und eine höhere Sendeleistung für wandbetriebene Anwendungen zu unterstützen. Es ist eine gute Idee, eine Gerätefamilie zu wählen, die verschiedene Sendeleistungsoptionen bei ähnlicher Grundfläche und mit ähnlichen Ressourcen bietet. Auf diese Weise können Sie nur die Stückliste ändern, ohne das Layout ändern zu müssen, wodurch das Design neuer Produkte vereinfacht und die Markteinführungszeit verkürzt wird.

Eine höhere Sendeleistung wird im Allgemeinen mit einem integrierten Leistungsverstärker (IPA) unterstützt. Ein IPA ist jedoch mit zusätzlichen Kosten verbunden. Um die Stücklistenkosten zu senken, können Entwickler bei batteriebetriebenen Anwendungen auf ein kostengünstiges Gerät mit geringerer Sendeleistung bei gleicher Stellfläche umsteigen, sofern eine solche Option verfügbar ist. Um diese Anforderung zu erfüllen, bietet Cypress beispielsweise den CYW20819 an, der bis zu +4 dBm Sendeleistung unterstützt, und ein weiteres Gerät CYW20820, das bis zu 10 dBm Sendeleistung in einem pinkompatiblen Gehäuse mit demselben Funktionsumfang unterstützt.

Stromverbrauch – Der Stromverbrauch muss für jede Anwendung, egal ob netzbetrieben oder batteriebetrieben, genauestens untersucht werden. Um Produkte umweltfreundlich zu machen, gibt es ständigen Druck von Regulierungsbehörden, den Stromverbrauch selbst bei Geräten mit Stromanschluss zu reduzieren. Wenn Ihr Produkt die angegebenen Stromverbrauchsanforderungen nicht erfüllt, können Sie das Produkt möglicherweise nicht verkaufen.

Bei der Betrachtung des Stromverbrauchs eines Geräts müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden. Der erste ist der Energieverbrauch des Funkgeräts während des Sendens und Empfangens. Die meisten Bluetooth Mesh-Knoten scannen kontinuierlich nach Paketen. Daher befinden sich diese Geräte zu fast 100 % der Zeit im Empfangsmodus, was den Stromverbrauch des Empfängers zu einem der wichtigsten Parameter macht, die bei der Auswahl eines Geräts für Mesh-Anwendungen zu berücksichtigen sind.

Der Sendestromverbrauch ist eine weitere wichtige Spezifikation, da Mesh-Geräte, die als Relais fungieren, empfangene Nachrichten weiterleiten müssen. Die Sendeleistungsaufnahme muss bei der maximal unterstützten Sendeleistung des Geräts untersucht werden. Einige Geräte bieten tendenziell eine bessere Leistung bei niedrigerer Sendeleistung als bei Verwendung mit höherer Sendeleistung.

Anbieter unterstützen verschiedene Energiesparmodi in ihren Geräten. Es ist wichtig zu verstehen, was für Ihre Anwendung benötigt wird, damit Sie den durchschnittlichen Stromverbrauch basierend auf der Zeit, die das Gerät wahrscheinlich im aktiven und anderen Energiesparmodus verbringen wird, genau abschätzen können.

Rechenleistung – Generell empfiehlt es sich, ein Gerät mit guter Rechenleistung zu wählen. Einige Anwendungen wie LED-Lampen erfordern möglicherweise eine schnelle Verarbeitung und Änderung des LED-Status (Ein/Aus oder Farbe) basierend auf Benutzeranforderungen. Da Geräte im Energiesparmodus am wenigsten Strom verbrauchen, können Aufgaben durch die Verwendung einer schnelleren CPU schnell abgeschlossen werden. Dadurch kann das Gerät länger schlafen gehen, was den durchschnittlichen Gesamtstromverbrauch reduziert.

Speicher – Die Anforderungen an die Flash- und RAM-Größe variieren je nach gewählter Anwendung. Es ist wichtig, eine Produktfamilie zu finden, die einen flexiblen Speicherbedarf bietet. Die Mesh-Implementierung soll es ermöglichen, den Anwendungscode ohne zusätzlichen Aufwand zwischen Geräten mit unterschiedlichem Speicherbedarf zu portieren. Auf diese Weise können Sie ein kostengünstigeres Gerät für Ihre Anwendungen auswählen, das weniger Speicher benötigt. Außerdem verfügen einige Geräte über ROM zum Speichern von Bluetooth-Stack- und Peripherietreibern. Dadurch wird Flash für die Anwendungsnutzung frei. Dies bedeutet, dass Geräte mit internem ROM und Flash normalerweise besser für Bluetooth Mesh-Produkte geeignet sind.

Peripheriegeräte – Wie bereits erwähnt, können für verschiedene Anwendungen unterschiedliche Peripheriegeräte erforderlich sein. Beispielsweise benötigt eine intelligente Glühbirne möglicherweise drei oder vier Pulsweitenmodulatoren (PWMs) für die RGB/RGBW-LED-Steuerung, einen Analog-Digital-Wandler (ADC) für die Temperaturmessung mit einem Thermistor und eine I2C-Schnittstelle als Passiv-Infrarot-(PIR)-Sensor-Controller-Schnittstelle. Andererseits erfordert ein Thermostat einen ADC und einen Energieverwaltungsblock, um Niedrigenergiemodi zu unterstützen. Bei der Auswahl einer Plattform für Ihre Produkte hilft es, die potenziellen Peripherieanforderungen für alle Anwendungen aufzulisten und ein Gerät zu identifizieren, das am besten zu ihnen passt.

Erweiterte Temperatur- und Industrietemperaturunterstützung – Einige Anwendungen wie Beleuchtung benötigen aufgrund der hohen Verlustleistung über LEDs und AC-DC-Subsystem Unterstützung für erweiterte Temperaturen (bis zu +105° C). Aus diesem Grund ist es wichtig, eine Gerätefamilie auszuwählen, die das Produkt sowohl in industriellen als auch in erweiterten Temperaturbereichen anbietet.

Software

Software ist ein wirklich wichtiges Stück, das untersucht werden muss. Mit Software meinen wir nicht nur eine IDE und Toolchains, sondern auch das zugrunde liegende Software Development Kit (SDK). Die IDE muss einfach zu verwenden sein, wie z. B. häufig verwendete Eclipse-basierte IDEs.

Das SDK benötigt besondere Aufmerksamkeit. Bluetooth Mesh hat mehrere Modelle und Knotentypen. Die Verwendung eines bestimmten Modells und Knotentyps hängt von der Anwendung ab. Damit ein Produkt als Bluetooth Mesh qualifiziert wird, müssen sich auch das zugrunde liegende Modell und der Knotentyp qualifizieren. Einige Anbieter haben nicht alle Bluetooth-Mesh-Modelle und -Knotentypen qualifiziert. Wenn die Anwendung ein nicht qualifiziertes Modell erfordert, muss der Entwickler den gesamten Qualifizierungsprozess durchlaufen. Dies erfordert, dass der Entwickler die Bluetooth Mesh-Spezifikation gründlich versteht und zusätzliches Geld und Zeit in den Qualifizierungsprozess investiert. Es liegt in der Verantwortung des Mesh-Silizium-Anbieters, diese Komplexität zu abstrahieren und eine Lösung bereitzustellen, die vollständig für Bluetooth Mesh qualifiziert ist. Bevor Sie also ein Gerät für Ihre Bluetooth Mesh-Anwendung auswählen, lesen Sie auf der Bluetooth SIG-Website nach, welche Mesh-Modelle und -Knoten für ein bestimmtes Gerät geeignet sind.

Nachdem Sie ein Gerät identifiziert haben, das alle Mesh-Modelle und Knotentypen unterstützt, ist es eine gute Idee herauszufinden, welche Referenzcodebeispiele verfügbar sind. Codebeispiele starten die Entwicklung mit einer neuen Technologie, die Sie noch nie zuvor verwendet haben.

Mobile Anwendungen

Die Idee von IoT besteht darin, Dinge so zu verbinden, dass sie für Benutzer leicht zugänglich sind. Fast alle IoT-Anwendungen erfordern eine mobile Anwendung, ebenso wie Bluetooth-Mesh-basierte IoT-Anwendungen. Ob Glühbirnensteuerung oder das Ablesen der Temperatur von einer Wettermessstation – Benutzer möchten mit ihrem Telefon auf Geräte zugreifen und diese steuern. Um dies zu ermöglichen, müssen Silikonhersteller mobile iOS- und Android-Anwendungen für ihr Bluetooth-Mesh-Produkt bereitstellen.

Im Idealfall wird Quellcode für diese Anwendungen bereitgestellt, damit Sie Anpassungen vornehmen können, um Ihre marken- und produktspezifischen Modifikationen zu berücksichtigen. Wenn der Siliziumhersteller diese Anwendungen nicht bereitstellt, müssen Sie diese Anwendungen von Grund auf neu entwickeln. Die Kosten für die App-Entwicklung können für jede Anwendung über 200.000 USD betragen, ohne die Auswirkungen auf die Markteinführungszeit Ihres Produkts.

Sie können sich auch das Video Learning More about Bluetooth Mesh ansehen, um zu erfahren, wie Sie ein Bluetooth Mesh-Netzwerk erstellen und damit kommunizieren.

Im nächsten und letzten Artikel dieser Serie besprechen wir, ob für Ihre Bluetooth-Mesh-Anwendung ein Siliziumgerät oder ein Modul verwendet werden sollte, und beschreiben die Faktoren, die die Entscheidung zwischen diesen beiden Alternativen beeinflussen.