Entwerfen mit Bluetooth Mesh:Chip oder Modul?

Bis zu diesem Punkt hat diese Artikelserie einen Überblick über Bluetooth Mesh und die Auswahl eines Geräts für eine Anwendung gegeben. In dieser letzten Folge werden wir diskutieren, ob diskrete Geräte oder ein Modul in einem Design verwendet werden sollten.

Die Entscheidung, ob diskrete Geräte oder ein Modul verwendet werden, hat einen sehr großen Einfluss auf den Erfolg des Produkts. Bluetooth Mesh ermöglicht IoT und verbindet unzählige Dinge drahtlos, die entweder zuvor kabelgebunden oder überhaupt nicht verbunden waren. Ein perfektes Beispiel wäre eine Glühbirne. Die meisten hergestellten Glühbirnen für Verbraucheranwendungen wurden über einen Wandschalter gesteuert. Das Hinzufügen von Bluetooth Mesh-Konnektivität zu diesen Geräten erfordert Fachwissen, das es intern nie gegeben hat.

Kurz gesagt, Hersteller, die mit der drahtlosen Konnektivität noch nicht vertraut sind, stehen vor der Entscheidung, ob sie stark in die Entwicklung ihres eigenen drahtlosen Know-hows investieren oder Bluetooth Mesh als eigenständiges Modul implementieren und ihre Ressourcen auf funktionale Kompetenz konzentrieren. In den folgenden Abschnitten werden die durch die drahtlose Konnektivität verursachten Komplexitäten erläutert und erläutert, wie Sie bei der Auswahl zwischen einem Modul und einer diskreten Lösung für Ihre Produkte die richtige Entscheidung treffen.

Beim Hinzufügen von Bluetooth Mesh zu einem Produkt werden die Kosten und die Komplexität des Endsystems durch Faktoren wie Komplexität des Platinendesigns, behördliche Zertifizierungen, Bluetooth-Qualifizierung, -Deklaration und -Auflistung beeinflusst. Lassen Sie uns diese einzeln durchgehen.

Bluetooth Mesh-fähige Produkte mit separaten Geräten entwickeln

Das Entwerfen eines Boards für Bluetooth Mesh erfordert Erfahrung im HF-Board-Design. Insbesondere erfordert Bluetooth Mesh eine Antenne und ein passendes Netzwerk. Diese erhöhen die Komplexität des Board-Designs. Um einen guten Antennengewinn zu erzielen, sind ein geeignetes Antennendesign und Bodenfreiheit erforderlich. Stromversorgungsbezogene Komponenten wie ein Entkopplungskondensator werden benötigt. Ein effizientes Routing ist für einen stabilen Systembetrieb von entscheidender Bedeutung, und es ist besondere Sorgfalt erforderlich, um sicherzustellen, dass diese Schaltkreise die Antennenleistung nicht beeinträchtigen. Auch Uhren/Kristalle brauchen besondere Aufmerksamkeit. Jede Frequenzabweichung kann zu Paketverlusten führen, die den Durchsatz und die Energieeffizienz beeinträchtigen.

Um all diese Komplexitäten zu bewältigen, werden erfahrene HF-Board-Designer benötigt. Es kann kostspielig sein, internes Know-how im Bereich HF-Design zu pflegen, da die erforderlichen Fähigkeiten sehr spezialisiert sind. Darüber hinaus kann das Board mehrere Drehungen erfordern, um die erforderliche Leistung zu erbringen.

Die nächste Herausforderung nach dem Board-Design besteht darin, behördliche Zertifizierungen zu erfüllen. Jedes Bluetooth Mesh-Produkt muss eine oder mehrere behördliche HF-Zertifizierungen erhalten, die auf den Ländern basieren, in denen es verkauft wird. Diese Zertifizierungen stellen sicher, dass die Strahlungspegel innerhalb akzeptabler Grenzen liegen und dass die Betriebsfrequenz nicht in ein verbotenes Frequenzband fällt.

Fast jedes Land hat seine eigene HF-Zertifizierungsstelle. Um ein Bluetooth Mesh-Produkt in den USA verkaufen zu können, muss das Produkt die Zertifizierung der Federal Communications Commission (FCC) erhalten. Für Europa muss das Produkt die CE-Zertifizierung (Conformité Européene) erhalten. Japan verlangt MIC (Ministerium für Innere Angelegenheiten und Kommunikation), während Kanada ISED (Innovation, Science and Economic Development) verlangt, früher bekannt als IC (Industry Canada)-Zertifizierung.

Wenn das Produkt die HF-Anforderungen für diese vier behördlichen Zertifizierungen erfüllt, wird es wahrscheinlich auch die behördlichen Anforderungen für alle anderen Länder erfüllen. Jede dieser Zertifizierungen erfordert jedoch einen erheblichen Testaufwand. Die Tests werden in Labors durchgeführt, die von diesen Aufsichtsbehörden zugelassen sind, was bedeutet, dass nicht nur die Zertifizierung, sondern auch das Versagen ihren Preis hat. Wenn beispielsweise die Platine ausfällt, müssen Änderungen am Platinendesign/den Komponenten vorgenommen werden, und dann erneut ins Labor gebracht werden. Für jedes Bluetooth Mesh-Produkt kann diese Zertifizierung mehr als 20.000 US-Dollar kosten, wenn sie beim ersten Mal richtig durchgeführt wird. Über die Zertifizierungskosten hinaus wird die Produkteinführung aufgrund der zusätzlichen Zeit, die für jede Zertifizierungsrunde aufgewendet wird, verzögert. In diesem wettbewerbsintensiven Markt ist Time-to-Market für den Erfolg unerlässlich.

Bluetooth-Mesh-Produkte müssen in einer von Bluetooth SIG qualifizierten Testeinrichtung getestet werden, um die Bluetooth-Marke verwenden zu können. Die Produktqualifizierung stellt sicher, dass Produkte mit anderen Bluetooth-Mesh-Geräten kompatibel sind. Außerdem sind eine Erklärung und Auflistung erforderlich, um die gesetzlichen Rechte zur Verwendung des Bluetooth-Markennamens auf dem Produkt zu sichern und es als Bluetooth-Mesh-Produkt zu vermarkten.

Bluetooth Mesh-fähige Produkte mit einem Modul entwickeln

Bevor wir auf die Vor- und Nachteile der Verwendung eines Moduls in einem Design eingehen, lassen Sie uns kurz überprüfen, was ein Modul ist und was es bietet. Module werden im Allgemeinen in Bezug auf Größe, Antennentyp und Kosten angeboten. Module integrieren die meisten oder alle Schlüsselkomponenten, die für den Betrieb des Bluetooth-Mesh-Geräts erforderlich sind, und erreichen gleichzeitig die für die Anwendung erforderliche Leistung. Die Verwendung eines Moduls eliminiert die Komplexität des HF-Layout-Designs. Die Verwendung eines Moduls kostet im Vergleich zum Aufbau einer diskreten Lösung zusätzliche Kosten, aber Module sind die schnellste und einfachste Möglichkeit, einem Produkt eine Bluetooth-Mesh-Konnektivität hinzuzufügen, wenn es an internem Know-how mangelt.

Der größte Vorteil bei der Verwendung eines Moduls besteht darin, dass der Systemdesigner das Know-how nutzen kann, das der Modulhersteller über Jahre erworben und erworben hat. Dieses Fachwissen kann umfangreich sein, da Module in mehreren Produkten in mehreren Branchen verwendet werden. Kurz gesagt, Systemdesigner können auf das gesamte Know-how des Herstellers zugreifen, ohne Vorabinvestitionen in die Entwicklung interner HF-Expertise tätigen zu müssen.

Beachten Sie, dass einige Module vollständig zertifiziert sind, und vermeiden Sie den Aufwand und die Kosten, die mit der Beschaffung der erforderlichen behördlichen Zertifizierungen verbunden sind. Bei einigen Designs bedeutet eine kleine Änderung des Platinenlayouts oder der Komponente eine vollständige Neuzertifizierung.

Auswahl zwischen Modul und diskreter Lösung

Module sind für alle Anwendungen aus F&E- und Zertifizierungssicht attraktiv. Der Nachteil besteht darin, dass sie im Vergleich zu diskreten Geräten mit zusätzlichen Kosten verbunden sind. Traditionell verwenden OEMs den Break-Even-Punkt, um zu entscheiden, ob sie kaufen oder bauen. Diese Zahl gleicht die erhöhten Kosten pro Board im Vergleich zu den Investitionen in Zeit und Geld aus, um internes Know-how aufzubauen.

Aufgrund der Komplexität und der verschiedenen damit verbundenen Kosten können Bluetooth-Mesh-Module bis zu Mengen im Bereich von 250.000 Einheiten effektiv sein. Bei höheren Stückzahlen ist ein auf diskreten Geräten basierender Ansatz in der Regel wirtschaftlicher. Für viele OEMs ist der Preis jedoch nicht das einzige Kriterium. Insgesamt ist das Hinzufügen von Konnektivität in Systemen, die komplex sind oder einige anwendungsspezifische Zertifizierungen erfordern, möglicherweise nicht so wichtig. Der OEM würde es vorziehen, die Engineering-Ressourcen auf den wahren Mehrwert des Unternehmens zu konzentrieren. Es gibt auch die zusätzliche Überlegung, was erforderlich ist, um die zukünftige Aufrüstbarkeit der Konnektivität und der folgenden Board-Respins und Zertifizierungen zu gewährleisten.

Für jedes neue Produkt, dessen Anfangsmengen nicht vorhersehbar sind, ist es normalerweise eine gute Idee, mit einem Modul zu beginnen. Dies hält die Investitionen gering. Wenn das Produktvolumen steigt, kann das Produkt zu einer Lösung migriert werden, die auf einzelnen Geräten basiert. Wenn dies die Strategie ist, ist es wichtig, ein Modul auszuwählen, das einen einfachen Übergang zu diskreten Geräten bietet.

Wenn Bluetooth-Mesh-IC und -Modul von verschiedenen Anbietern bereitgestellt werden, kann die Migration unterschiedliche Entwicklungstools erfordern, was die Komplexität erhöht, die erforderlich ist, um Änderungen an der Firmware vorzunehmen. Die Auswahl eines Anbieters, der sowohl IC als auch das Modul herstellt, bietet einen erheblichen Vorteil. In den meisten Fällen stellen sie auch sicher, dass sowohl auf diskreten Geräten basierende Lösungen als auch Module dieselben Entwicklungstools und Softwareentwicklungskits verwenden. Daher sind möglicherweise keine Änderungen an der Firmware erforderlich, um diese Migration abzuschließen. Dies bedeutet, dass Sie nur einen Board-Respin und eine Zertifizierung benötigen, um die Produktkosten zu senken.

Cypress bietet beispielsweise IC sowie Module in verschiedenen Größen und Antennenoptionen an. diskrete Lösungen und auf diesem IC basierende Module werden im selben Entwicklungstool unterstützt und bieten einen nahtlosen Migrationspfad. Die folgende Tabelle zeigt beispielsweise das Beispiel von CYW20819, einem Bluetooth-Mesh-Gerät von Cypress und wie es im Vergleich zu seinem jeweiligen Modul abschneidet.

CYW20819CYBT213043-02 (CYW20819-basiertes Modul)Software Development Kit (SDK)BT SDKBT SDKIntegrated Development Environment (IDE)ModusToolbox ^TM ModusToolboxSendeleistung4 dBm4 dBmAntenneNeinPCB24-MHz-KristallNeinJaBehördliche ZertifizierungenNeinFCC, ISED, MIC, CE

Wie in der Tabelle gezeigt, werden sowohl der IC als auch das Modul von demselben SDK und derselben IDE unterstützt, was den Wechsel zwischen Modulen und diskreten Geräten ohne zusätzliche Investitionen in die Firmware erleichtert. Gleichzeitig unterstützt das Modul alle Gerätefunktionen und bietet alle Vorteile wie integrierten Quarz und Antenne sowie behördliche Zertifizierungen.

Vollständig zertifizierte Module können ein Ausgangspunkt für jedes Bluetooth Mesh-Produkt sein. Bei <250K-Einheiten ist die modulbasierte Lösung wahrscheinlich wirtschaftlicher im Vergleich zu einem auf diskreten Geräten basierenden Design. Bei höheren Stückzahlen kann das auf diskreten Geräten basierende Design kosteneffektiver sein, erfordert jedoch erhebliches Fachwissen, um interne oder externe Kosten zu entwickeln. Wenn Sie mit einem Modul beginnen, ist es wichtig, ein Modul auszuwählen, das bei steigendem Volumen einen einfachen Migrationspfad zu diskreten Geräten bietet.

Lesen Sie die vorherigen Artikel in der Serie „Designing with Bluetooth Mesh“:
Teil 1:Knoten und Funktionstypen
Teil 2:Knotenkommunikation
Teil 3:Datenschutz und Sicherheit
Teil 4:Geräteanforderungen