Projetando com Bluetooth Mesh:Requisitos do dispositivo

Em artigos anteriores desta série, discutimos o que é Bluetooth Mesh (Parte 1), como funciona (Parte 2) e o que o torna privado e seguro (Parte 3). Todos os recursos poderosos oferecidos pelo Bluetooth Mesh o tornam uma rede segura de baixo consumo de energia que também oferece grande interoperabilidade.

Com isso dito, esses recursos também tornam a implementação do Bluetooth Mesh um pouco complexa. Se um projetista de sistema fosse deixado para lidar com todas essas complexidades, seriam necessários centenas de esforços de homens e anos para lançar um produto. Além disso, os aplicativos IoT são muito amplos. Isso significa que cada aplicativo requer um conjunto ligeiramente diferente de periféricos e poder de processamento da CPU. Por exemplo, se você estiver projetando produtos domésticos inteligentes, alguns são alimentados por bateria, enquanto outros são alimentados por parede, alguns são analógicos enquanto outros precisam de grande capacidade de processamento com muitos periféricos digitais.

O desenvolvimento de firmware é geralmente o maior investimento para qualquer projeto de desenvolvimento de sistemas. Mesmo que os sistemas sejam diferentes, alguns dos esforços de firmware podem ser reutilizados em projetos se a família de silício usada permanecer inalterada. Portanto, é importante escolher um dispositivo / plataforma para seu primeiro produto após a devida diligência, de modo que você possa maximizar a reutilização de IP e aproveitar o firmware existente. Neste artigo, discutiremos alguns dos pontos que devem ser considerados ao selecionar um dispositivo para seu próximo aplicativo Bluetooth Mesh.

Em um alto nível, três peças-chave são necessárias para o desenvolvimento e implantação de qualquer aplicativo Bluetooth Mesh. Essas peças são:

• Hardware
• Software / Firmware
• Aplicativo móvel

Hardware

Ao selecionar uma plataforma para seus produtos Bluetooth Mesh, a primeira e mais importante etapa é investigar os recursos do dispositivo. É importante considerar o longo prazo ao selecionar o dispositivo. Vamos dar um exemplo para entender o porquê. A Figura 1 mostra um exemplo de sistema doméstico inteligente.

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Figura 1:Um exemplo de um sistema de casa inteligente usando Bluetooth Mesh. (Fonte:Cypress)

Como você pode ver aqui, existem vários dispositivos nesta rede, incluindo lâmpadas, um ventilador, um termostato e um controlador de cega. Uma casa inteligente real pode usar uma variedade maior de produtos Bluetooth Mesh, como interruptores, dimmers, sensores de ocupação, controladores de sprinklers, etc. Se você estiver projetando produtos domésticos inteligentes, pode ser necessário projetar produtos para todas essas aplicações. Portanto, mesmo se você estiver trabalhando em um aplicativo de switch inteligente, é importante definir o escopo de outros produtos também.

Cada um desses aplicativos possui diferentes requisitos de design. O mesmo se aplica a outros segmentos, como a automação predial. Idealmente, seus projetos podem ser baseados em uma plataforma que atenda à maioria dos requisitos de aplicativos. Além disso, você deve ter a capacidade de atualizar ou fazer downgrade das opções com base no aplicativo sem exigir uma reformulação completa do firmware.

Vamos dar uma olhada em alguns dos recursos / especificações de silício que devem ser considerados antes de escolher um dispositivo para o desenvolvimento de seu aplicativo Bluetooth Mesh.

Transmitir energia e receber sensibilidade - Uma das especificações importantes para qualquer dispositivo sem fio é sua potência de transmissão e sensibilidade de recepção. A potência de transmissão e a sensibilidade de recepção definem o orçamento de link do dispositivo e a distância na qual um dispositivo pode se comunicar com outros nós na rede. Embora o Bluetooth Mesh se destine a estender o alcance da rede, a potência de transmissão e a sensibilidade de recepção limitam a distância entre nós individuais na rede.

Como mencionamos anteriormente, nem todos os produtos são iguais e os requisitos variam de acordo com a aplicação. Ter uma potência de transmissão maior também consome mais corrente. Pode ser necessário limitar a potência de transmissão para aplicativos alimentados por bateria para reduzir o consumo de energia e aumentar a vida útil da bateria. Aplicativos como sensores de temperatura e umidade, interruptores inteligentes, etc. geralmente são alimentados por bateria. Pode ser favorável usar uma potência de transmissão mais baixa nesses casos. Por outro lado, os aplicativos alimentados por parede podem suportar uma potência de transmissão mais alta para estender o alcance da rede. Portanto, para aplicações alimentadas por parede, é importante escolher um dispositivo que possa suportar até 10 dBm de potência de transmissão.

Um dispositivo com capacidade de malha deve ser capaz de suportar potência de transmissão inferior para aplicativos alimentados por bateria e potência de transmissão superior para aplicativos alimentados por parede. É uma boa ideia escolher uma família de dispositivos que ofereça diferentes opções de energia de transmissão em uma base semelhante e com recursos semelhantes. Isso permite que você altere apenas a lista de materiais sem ter que fazer alterações no layout, simplificando o design de novos produtos e agilizando o tempo de colocação no mercado.

Potência de transmissão mais alta geralmente é suportada usando um amplificador de potência integrado (IPA). Um IPA, no entanto, tem um custo adicional. Para reduzir o custo de BOM, o desenvolvedor pode mudar para um dispositivo de baixo custo com menor potência de transmissão na mesma área para aplicativos alimentados por bateria, se tal opção estiver disponível. Por exemplo, para atender a esse requisito, a Cypress fornece o CYW20819 que suporta até +4 dBm de potência de transmissão e outro dispositivo CYW20820 que suporta até 10 dBm de potência de transmissão em um pacote compatível com pinos com o mesmo conjunto de recursos.

Consumo de energia - O consumo de energia deve ser investigado com mais cuidado para cada aplicação, seja ela alimentada por parede ou por bateria. Para tornar os produtos ecológicos, existe uma pressão constante das agências reguladoras para reduzir o consumo de energia, mesmo com dispositivos alimentados por parede. Se o seu produto não atender aos requisitos de consumo de energia especificados, você não conseguirá vendê-lo.

Existem vários fatores que devem ser examinados ao observar o consumo de energia de um dispositivo. O primeiro é o consumo de energia do rádio durante a transmissão e recepção. A maioria dos nós do Bluetooth Mesh verifica continuamente os pacotes. Assim, esses dispositivos ficam em modo de recepção quase 100% do tempo, tornando o consumo de energia do receptor um dos parâmetros mais importantes a se considerar na escolha de um dispositivo para aplicações Mesh.

O consumo de energia de transmissão é outra especificação importante, visto que os dispositivos Mesh que atuam como um relé devem encaminhar as mensagens recebidas. O consumo de energia de transmissão deve ser examinado na potência de transmissão máxima suportada do dispositivo. Alguns dispositivos tendem a funcionar melhor com uma potência de transmissão mais baixa, em comparação com quando são usados ​​com uma potência de transmissão mais alta.

Os fornecedores oferecem suporte a diferentes modos de baixo consumo de energia em seus dispositivos. É importante entender o que é necessário para sua aplicação para que você possa estimar com precisão o consumo médio de energia com base no tempo que o dispositivo provavelmente passará no modo ativo e em outros modos de baixo consumo.

Poder de processamento - Geralmente, é uma boa ideia selecionar um dispositivo com bom poder de processamento. Algumas aplicações, como lâmpadas LED, podem exigir processamento rápido e modificação no status do LED (ligado / desligado ou colorido) com base nas solicitações do usuário. Como os dispositivos consomem menos energia em seus modos de baixa energia, o uso de uma CPU mais rápida permite que as tarefas sejam concluídas rapidamente. Assim, o dispositivo pode entrar em hibernação por um período mais longo, o que reduz o consumo médio geral de energia.

Memória - Os requisitos de tamanho de Flash e RAM variam de acordo com o aplicativo escolhido. É importante encontrar uma família de produtos que ofereça uma pegada de memória flexível. A implementação do Mesh deve permitir que o código do aplicativo seja transferido entre dispositivos com uma pegada de memória diferente sem nenhum esforço adicional. Isso permite que você selecione um dispositivo de menor custo para seus aplicativos que precisam de menos memória. Além disso, alguns dispositivos possuem ROM para armazenar a pilha Bluetooth e drivers periféricos. Isso libera o Flash para uso do aplicativo. Isso significa que dispositivos com ROM e Flash internos são normalmente mais adequados para produtos Bluetooth Mesh.

Periféricos - Como mencionamos anteriormente, diferentes periféricos podem ser necessários para diferentes aplicações. Por exemplo, uma lâmpada inteligente pode precisar de três ou quatro moduladores de largura de pulso (PWMs) para controle de LED RGB / RGBW, um conversor analógico-digital (ADC) para medição de temperatura usando um termistor e uma interface I2C para servir como um interface do controlador do sensor infravermelho passivo (PIR). Por outro lado, um themostat requer um ADC e um bloco de gerenciamento de energia para suportar modos de baixo consumo de energia. Ao selecionar uma plataforma para seus produtos, é útil listar as necessidades potenciais de periféricos para todos os aplicativos e identificar um dispositivo que se adapte melhor a elas.

Temperatura estendida e suporte de temperatura industrial - Algumas aplicações, como iluminação, precisam de suporte para temperatura estendida (até + 105 ° C) devido à alta dissipação de energia nos LEDs e no subsistema AC-DC. Por esse motivo, é importante escolher uma família de dispositivos que ofereça o produto tanto em graus industriais quanto de temperatura estendida.

Software

Software é uma peça realmente importante que deve ser investigada. Por software, não queremos dizer apenas um IDE e conjuntos de ferramentas, mas também o Software Development Kit (SDK) subjacente. O IDE deve ser fácil de usar, como os IDEs baseados em Eclipse comumente usados.

O SDK precisa de atenção especial. O Bluetooth Mesh possui vários modelos e tipos de nós. O uso de um determinado modelo e tipo de nó depende do aplicativo. Para que um produto seja qualificado como Bluetooth Mesh, o modelo subjacente e o tipo de nó também devem ser qualificados. Alguns fornecedores não possuem todos os modelos de malha Bluetooth e tipos de nós qualificados. Se o aplicativo exigir um modelo não qualificado, a responsabilidade recai sobre o desenvolvedor para passar por todo o processo de qualificação. Isso requer que o desenvolvedor entenda completamente a especificação do Bluetooth Mesh e invista dinheiro e tempo adicionais no processo de qualificação. É responsabilidade do fornecedor de silício Mesh abstrair essa complexidade e fornecer uma solução que seja totalmente qualificada para Bluetooth Mesh. Portanto, antes de selecionar um dispositivo para seu aplicativo Bluetooth Mesh, consulte o site da Bluetooth SIG para descobrir quais modelos de malha e nós são qualificados para um determinado dispositivo.

Depois de identificar um dispositivo que suporte todos os modelos de malha e tipos de nó, é uma boa ideia descobrir quais exemplos de código de referência estão disponíveis. Os exemplos de código dão início ao desenvolvimento com uma nova tecnologia que você nunca usou antes.

Aplicativos para celular

A ideia da IoT é conectar as coisas de forma que possam ser acessadas pelos usuários facilmente. Quase todos os aplicativos IoT requerem um aplicativo móvel, assim como os aplicativos IoT baseados em malha Bluetooth. Quer seja o controle de uma lâmpada ou a leitura da temperatura de uma estação de monitoramento do clima, os usuários desejam acessar e controlar os dispositivos usando seus telefones. Para facilitar isso, os fornecedores de silício devem fornecer aplicativos móveis iOS e Android para seu produto Bluetooth Mesh.

Idealmente, o código-fonte é fornecido para esses aplicativos para que você possa fazer personalizações para acomodar sua marca e modificações específicas do produto. Se o fornecedor de silício não fornecer esses aplicativos, você precisará desenvolvê-los do zero. Os custos de desenvolvimento de aplicativos podem chegar a US $ 200.000 + para cada aplicativo, sem incluir o impacto no tempo de colocação no mercado de seu produto.

Você também pode assistir ao vídeo Aprendendo mais sobre Bluetooth Mesh para aprender a criar uma rede Bluetooth Mesh e se comunicar com ela.

No próximo e último artigo desta série, discutiremos se um dispositivo de silício ou um módulo deve ser usado para seu aplicativo Bluetooth Mesh e descreveremos os fatores que afetam a decisão na escolha entre essas duas alternativas.