Diseño con Bluetooth Mesh:requisitos del dispositivo

En artículos anteriores de esta serie, discutimos qué es Bluetooth Mesh (Parte 1), cómo funciona (Parte 2) y qué lo hace privado y seguro (Parte 3). Todas las potentes funciones que ofrece Bluetooth Mesh la convierten en una red segura de bajo consumo que también proporciona una gran interoperabilidad.

Dicho esto, estas características también hacen que la implementación de Bluetooth Mesh sea un poco compleja. Si se deja que un diseñador de sistemas maneje todas estas complejidades, se necesitarían cientos de años-hombre de esfuerzos para implementar un producto. Más allá de eso, las aplicaciones de IoT tienen una base muy amplia. Esto significa que cada aplicación requiere un conjunto ligeramente diferente de periféricos y potencia de procesamiento de CPU. Por ejemplo, si está diseñando productos para el hogar inteligente, algunos funcionan con baterías mientras que otros funcionan con la pared, algunos son analógicos intensivos mientras que otros necesitan una gran potencia de procesamiento con una gran cantidad de periféricos digitales.

El desarrollo de firmware es a menudo la mayor inversión para cualquier proyecto de desarrollo de sistemas. Aunque los sistemas son diferentes, algunos de los esfuerzos de firmware se pueden reutilizar en todos los diseños si la familia de silicio utilizada permanece sin cambios. Por lo tanto, es importante elegir un dispositivo / plataforma para su primer producto después de la debida diligencia, de modo que pueda maximizar la reutilización de IP y aprovechar el firmware existente. En este artículo, analizaremos algunos de los puntos que deben tenerse en cuenta al seleccionar un dispositivo para su próxima aplicación Bluetooth Mesh.

En un alto nivel, se necesitan tres piezas clave para el desarrollo e implementación de cualquier aplicación Bluetooth Mesh. Estas piezas son:

• Hardware
• Software / firmware
• Aplicación móvil

Hardware

Al seleccionar una plataforma para sus productos Bluetooth Mesh, el primer paso y el más importante es investigar las capacidades del dispositivo. Es importante considerar el largo plazo al seleccionar el dispositivo. Tomemos un ejemplo para entender por qué. La Figura 1 muestra un ejemplo de un sistema de hogar inteligente.

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Figura 1:Un ejemplo de un sistema de hogar inteligente que usa Bluetooth Mesh. (Fuente:Cypress)

Como puede ver aquí, hay varios dispositivos en esta red, que incluyen bombillas, un ventilador, un termostato y un controlador de persianas. Una casa inteligente real puede usar una mayor variedad de productos Bluetooth Mesh como interruptores, atenuadores, sensores de presencia, controladores de rociadores, etc. Si está diseñando productos para el hogar inteligente, es posible que deba diseñar productos que se adapten a todas estas aplicaciones. Por lo tanto, incluso si está trabajando en una aplicación de conmutador inteligente, también es importante analizar otros productos.

Cada una de estas aplicaciones tiene diferentes requisitos de diseño. Lo mismo ocurre con otros segmentos, como la automatización de edificios. Idealmente, sus diseños pueden basarse en una plataforma que aborde la mayoría de los requisitos de la aplicación. Además, debe tener la capacidad de actualizar o degradar las opciones según la aplicación sin requerir un rediseño completo del firmware.

Analicemos algunas de las características / especificaciones de silicio que deben tenerse en cuenta antes de elegir un dispositivo para el desarrollo de su aplicación Bluetooth Mesh.

Transmitir potencia y recibir sensibilidad - Una de las especificaciones importantes para cualquier dispositivo inalámbrico es su potencia de transmisión y sensibilidad de recepción. La potencia de transmisión y la sensibilidad de recepción definen el presupuesto de enlace del dispositivo y la distancia a la que un dispositivo puede hablar con otros nodos de la red. Aunque Bluetooth Mesh está destinado a ampliar el alcance de la red, la potencia de transmisión y la sensibilidad de recepción limitan la distancia entre los nodos individuales de la red.

Como mencionamos anteriormente, no todos los productos son iguales y los requisitos varían según la aplicación. Tener una potencia de transmisión más alta también consume más corriente. Es posible que deba limitar la potencia de transmisión para aplicaciones que funcionan con batería para reducir el consumo de energía y aumentar la vida útil de la batería. Las aplicaciones como sensores de temperatura y humedad, interruptores inteligentes, etc. generalmente funcionan con baterías. Puede resultar favorable utilizar una potencia de transmisión menor en estos casos. Por otro lado, las aplicaciones de pared pueden admitir una mayor potencia de transmisión para ampliar el alcance de la red. Por lo tanto, para aplicaciones con alimentación de pared, es importante elegir un dispositivo que admita una potencia de transmisión de hasta 10 dBm.

Un dispositivo con capacidad de malla debe ser capaz de soportar una potencia de transmisión más baja para aplicaciones que funcionan con batería y una potencia de transmisión más alta para aplicaciones con alimentación de pared. Es una buena idea elegir una familia de dispositivos que ofrezca diferentes opciones de potencia de transmisión en un espacio similar y con recursos similares. Esto le permite cambiar solo la lista de materiales sin tener que realizar ningún cambio en el diseño, lo que simplifica el diseño de nuevos productos y acelera el tiempo de comercialización.

Generalmente, se admite una mayor potencia de transmisión mediante un amplificador de potencia integrado (IPA). Sin embargo, una IPA tiene un costo adicional. Para reducir el costo de la lista de materiales, el desarrollador puede cambiar a un dispositivo de bajo costo con menor potencia de transmisión en el mismo espacio para aplicaciones alimentadas por batería, si tal opción está disponible. Por ejemplo, para abordar este requisito, Cypress proporciona el CYW20819 que admite hasta +4 dBm de potencia de transmisión y otro dispositivo CYW20820 que admite hasta 10 dBm de potencia de transmisión en un paquete compatible con pines con el mismo conjunto de funciones.

Consumo de energía - El consumo de energía debe investigarse con más cuidado para cada aplicación, ya sea de pared o de batería. Para que los productos sean respetuosos con el medio ambiente, las agencias reguladoras ejercen una presión constante para reducir el consumo de energía incluso con dispositivos de pared. Si su producto no cumple con los requisitos de consumo de energía especificados, es posible que no pueda vender el producto.

Hay varios factores que deben examinarse al observar el consumo de energía de un dispositivo. En primer lugar, se encuentra el consumo de energía de la radio durante la transmisión y la recepción. La mayoría de los nodos de Bluetooth Mesh escanean continuamente los paquetes. Por lo tanto, estos dispositivos están en modo de recepción cerca del 100% del tiempo, lo que hace que el consumo de energía del receptor sea uno de los parámetros más importantes a considerar al elegir un dispositivo para aplicaciones Mesh.

El consumo de energía de transmisión es otra especificación importante dado que los dispositivos Mesh que actúan como relé tienen que reenviar los mensajes recibidos. El consumo de energía de transmisión debe examinarse a la potencia de transmisión máxima admitida del dispositivo. Algunos dispositivos tienden a funcionar mejor con una potencia de transmisión más baja en comparación con cuando se utilizan con una potencia de transmisión más alta.

Los proveedores admiten diferentes modos de bajo consumo en sus dispositivos. Es importante comprender lo que se necesita para su aplicación, de modo que pueda estimar con precisión el consumo de energía promedio en función del tiempo que es probable que el dispositivo pase en modo activo y en otros modos de bajo consumo.

Poder de procesamiento - En general, es una buena idea seleccionar un dispositivo con buena potencia de procesamiento. Algunas aplicaciones, como las bombillas LED, pueden requerir un procesamiento rápido y una modificación en el estado del LED (encendido / apagado o color) según las solicitudes del usuario. Dado que los dispositivos consumen la menor cantidad de energía en sus modos de bajo consumo, el uso de una CPU más rápida permite completar las tareas rápidamente. Por lo tanto, el dispositivo puede dormirse durante más tiempo, lo que reduce el consumo de energía general promedio.

Memoria - Los requisitos de tamaño de memoria flash y RAM varían según la aplicación elegida. Es importante encontrar una familia de productos que ofrezca una huella de memoria flexible. La implementación de Mesh debería permitir que el código de la aplicación se transfiera entre dispositivos con una huella de memoria diferente sin ningún esfuerzo adicional. Esto le permite seleccionar un dispositivo de menor costo para sus aplicaciones que necesitan menos memoria. Además, algunos dispositivos tienen ROM para almacenar la pila Bluetooth y los controladores periféricos. Esto libera Flash para el uso de la aplicación. Esto significa que los dispositivos con ROM y Flash internos suelen ser más adecuados para los productos Bluetooth Mesh.

Periféricos - Como mencionamos anteriormente, es posible que se necesiten diferentes periféricos para diferentes aplicaciones. Por ejemplo, una bombilla inteligente puede necesitar tres o cuatro moduladores de ancho de pulso (PWM) para el control de LED RGB / RGBW, un convertidor de analógico a digital (ADC) para medir la temperatura usando un termistor y una interfaz I2C para servir como un Interfaz de controlador de sensor de infrarrojos pasivos (PIR). Por otro lado, un termostato requiere un ADC y un bloque de administración de energía para admitir modos de bajo consumo. Al seleccionar una plataforma para sus productos, es útil enumerar las posibles necesidades de periféricos para todas las aplicaciones e identificar el dispositivo que mejor se adapte a ellas.

Soporte ampliado de temperatura y temperatura industrial - Algunas aplicaciones, como la iluminación, necesitan soporte para temperaturas extendidas (hasta + 105 ° C) dada la alta disipación de energía entre los LED y el subsistema AC-DC. Por esta razón, es importante elegir una familia de dispositivos que ofrezca el producto en grados industriales y de temperatura extendida.

Software

El software es una pieza realmente importante que debe investigarse. Por software, no solo nos referimos a un IDE y cadenas de herramientas, sino también al Kit de desarrollo de software (SDK) subyacente. El IDE debe ser fácil de usar, como los IDE basados ​​en Eclipse de uso común.

El SDK necesita una atención especial. Bluetooth Mesh tiene varios modelos y tipos de nodos. El uso de un modelo y tipo de nodo en particular depende de la aplicación. Para que un producto califique como Bluetooth Mesh, el modelo subyacente y el tipo de nodo también deben calificar. Algunos proveedores no tienen todos los modelos y tipos de nodos de Bluetooth Mesh calificados. Si la aplicación requiere un modelo que no está calificado, el desarrollador tiene la responsabilidad de pasar por todo el proceso de calificación. Eso requiere que el desarrollador comprenda a fondo la especificación de Bluetooth Mesh e invierta dinero y tiempo adicionales en el proceso de calificación. Es responsabilidad del proveedor de silicio Mesh abstraer esa complejidad y proporcionar una solución que esté completamente calificada para Bluetooth Mesh. Por lo tanto, antes de seleccionar un dispositivo para su aplicación Bluetooth Mesh, consulte el sitio web de Bluetooth SIG para averiguar qué modelos y nodos de malla están calificados para un dispositivo en particular.

Una vez que haya identificado un dispositivo que admita todos los modelos de malla y tipos de nodos, es una buena idea averiguar qué ejemplos de códigos de referencia están disponibles. Los ejemplos de código inician el desarrollo con una nueva tecnología que no ha utilizado antes.

Aplicaciones móviles

La idea de IoT es conectar cosas de modo que los usuarios puedan acceder a ellas fácilmente. Casi todas las aplicaciones de IoT requieren una aplicación móvil, al igual que las aplicaciones de IoT basadas en Bluetooth Mesh. Ya sea que se trate del control de la bombilla o de la lectura de la temperatura de una estación de monitoreo del clima, los usuarios desean acceder y controlar los dispositivos usando su teléfono. Para facilitar esto, los proveedores de silicio deben proporcionar aplicaciones móviles iOS y Android para su producto Bluetooth Mesh.

Idealmente, el código fuente se proporciona para estas aplicaciones para que pueda realizar personalizaciones que se adapten a las modificaciones específicas de su marca y producto. Si el proveedor de silicio no proporciona estas aplicaciones, deberá desarrollarlas desde cero. Los costos de desarrollo de aplicaciones pueden ascender a más de 200.000 dólares por cada aplicación, sin incluir el impacto en el tiempo de comercialización de su producto.

También puede ver el video Aprender más sobre Bluetooth Mesh para aprender a crear una red Bluetooth Mesh y comunicarse con ella.

En el próximo y último artículo de esta serie, discutiremos si se debe usar un dispositivo de silicio o un módulo para su aplicación Bluetooth Mesh, y describiremos los factores que impactan la decisión al elegir entre estas dos alternativas.