Bluetooth Mesh: Wybór sposobu implementacji – gotowy moduł czy własny chip?

Decyzja o konstruowaniu układu komunikacyjnego Bluetooth Mesh z wykorzystaniem elementów dyskretnych lub w oparciu o gotowe moduły ma bardzo duży wpływ na dalszy los całego projektu. Standard Bluetooth Mesh (jak również inne rozwiązania komunikacyjne z branży IoT) umożliwił dodanie całkowicie nowych funkcjonalności do wielu powszechnie używanych urządzeń domowych, jak również scalenie tych wcześniej niepołączonych elementów w jeden duży system. Bardzo dobrym tego przykładem może być zwyczajna żarówka. Większość klasycznych rozwiązań polegała na sterowaniu jej pracą za pomocą prostego włącznika naściennego. Wyposażenie jej w bezprzewodowy interfejs komunikacyjny otwiera całkiem nowe możliwości zarządzania oświetleniem, wymaga jednak od konstruktorów dodatkowych umiejętności oraz wiedzy.

Producenci, szczególni ci niemający zbyt wielu wcześniejszych doświadczeń w dziedzinie IoT oraz komunikacji bezprzewodowej, stają przed koniecznością dokonania wyboru pomiędzy opracowywaniem własnego układu komunikacyjnego a skorzystaniem z gotowych rozwiązań. Pierwsza opcja wymaga dodatkowego zaangażowania znacznych zasobów w proces projektowania, w drugim wypadku potencjał ten przeznaczony może zostać na rozwój innych funkcjonalności urządzenia.

Implementacja obsługi Bluetooth Mesh znacząco zwiększa koszt oraz złożoność projektu, m.in. poprzez wzrost skomplikowania projektu płytki PCB, konieczność uzyskania odpowiednich certyfikatów dla układów radiowych czy kwalifikację urządzenia jako kompatybilnego ze standardem Bluetooth.

Projektowanie układu Bluetooth z pomocą elementów dyskretnych

Opracowanie własnej implementacji protokołu Bluetooth Mesh wymaga rozległej wiedzy z dziedziny przetwarzania sygnałów radiowych. Konieczne jest dobranie (lub wykonanie) odpowiedniej anteny, jak również toru nadawczo-odbiorczego. Znacząco zwiększa to złożoność całego projektu, często może nawet stanowić jego najbardziej skomplikowany fragment. Dla uzyskania akceptowalnych parametrów transmisji ważne jest uwzględnienie wielu czynników, zarówno związanych z układem zasilania, izolacją oraz ekranowaniem sygnałów, jak i zapewnieniem odpowiedniej płaszczyzny masy. Krytyczne znaczenie może mieć właściwe poprowadzenie ścieżek sygnałowych, jak też zadbanie o odpowiednią jakość generowanego sygnału – stałość częstotliwości oraz parametrów elektrycznych. Nawet niewielki dryft częstotliwości może prowadzić do rozstrojenia komunikacji i w rezultacie utraty przesyłanych informacji.

Dla spełnienia wspomnianych wymagań konieczne jest znalezienie odpowiednio doświadczonych inżynierów. Nie każdy projektant układów elektronicznych ma niezbędną wiedzę oraz doświadczenie, zbudowanie oraz utrzymanie wystarczająco wykwalifikowanego zespołu wiązać się będzie zatem z dość dużymi nakładami finansowymi.

Kolejne wyzwanie związane jest z koniecznością spełnienia parametrów i uzyskania certyfikatów pozwalających na sprzedaż urządzenia w określonych krajach. Wiele państw (lub regionów) ma instytucje regulujące obrót produktami posiadającymi możliwość komunikacji radiowej (Federal Communications Commission [FCC] w USA, CE w Europie, MIC w Japonii, czy ISED w Kanadzie). Układ taki może być użytkowany tylko pod warunkiem spełnienia obostrzeń dotyczących maksymalnego poziomu mocy oraz dopuszczalnego pasma nadawanego sygnału. Badania muszą być przeprowadzone w akredytowanych laboratoriach, akceptowanych przez daną instytucję regulującą. Cała ta procedura może być dość kosztowna, szczególnie jeśli urządzeniu nie uda się przejść pozytywnie wszystkich badań, co będzie wymagało wprowadzenia zmian w projekcie i opłacenia kolejnej rundy testów. Koszt procesu certyfikacji jednego modelu urządzenia wyposażonego w Bluetooth Mesh może wynieść nawet kilkadziesiąt tysięcy dolarów. Przeprowadzenie tej procedury wymaga również dodatkowego czasu, przekładającego się na opóźnienie terminu wprowadzenia urządzenia na rynek.

Każde urządzenie obsługujące standard Bluetooth musi również uzyskać certyfikat interoperacyjności wydawany przez Bluetooth SIG (instytucji zarządzającej standardem), w innym przypadku nie może posługiwać się znakiem handlowym Bluetooth.

Korzystanie z gotowych modułów Bluetooth

Przed omówieniem wad i zalet związanych z wykorzystaniem gotowych rozwiązań, implementujących Bluetooth Mesh, warto przyjrzeć się głównych cechom i możliwościom tego typu układów. Oferta modułów komunikacyjnych Bluetooth zawiera układy o różnych kształtach, rozmiarach, typie anteny oraz koszcie. Układy te implementują większość lub wszystkie kluczowe komponenty protokołu Bluetooth Mesh. Mają zintegrowany tor nadawczo-odbiorczy, przez co eliminują z projektu wszystkie (lub przynajmniej zdecydowaną większość) złożonych problemów związanych z obsługą i przetwarzaniem sygnałów radiowych. Cena modułu jest oczywiście wyższa od kosztu elementów dyskretnych, za pomocą których można opracować własny odpowiednik tego rozwiązania, pozwalają jednak znacząco uprościć i skrócić prace nad projektem, szczególnie w przypadku braku wcześniejszych doświadczeń w tej dziedzinie.

 

Rys. 1. Moduły komunikacyjne mogą mieć różne rozmiary i kształty

Zdecydowanie największą zaletą gotowych modułów jest właśnie brak konieczności posiadania zaawansowanej wiedzy eksperckiej z dziedziny projektowania układów RF – w zamian za to czerpie się korzyści z doświadczeń oraz umiejętności producenta modułu. Producentami tymi są zazwyczaj firmy mocno osadzone w branży, z dużym zapleczem eksperckim i bogatym portfolio podobnych układów, co przekłada się na wysoką jakość oraz niezawodność oferowanych produktów. Korzystanie z gotowego modułu daje nadzieję znaczącej minimalizacji ryzyka powstania błędów związanych z obsługą komunikacji bezprzewodowej. Niektóre z modeli układów posiadają ponadto certyfikaty wymagane do wprowadzenia produktu do sprzedaży, co przekłada się na dalsze obniżenie czasu oraz kosztów projektu.

Wybór pomiędzy modułem a własną implementacją

Gotowe moduły stanowią atrakcyjną propozycję dla wszystkich rodzajów aplikacji, znacząco skracając czas oraz złożoność procesu projektowania oraz wprowadzenia urządzenia na rynek. Ceną tego jest koszt zakupu modułu, wyższy niż w przypadku samodzielnego konstruowania podobnego układu z elementów dyskretnych. Dla każdego projektu określić można tzw. punkt rentowności, czyli minimalny wolumen produkowanych egzemplarzy urządzenia, dla którego wdrożenie własnego rozwiązania będzie bardziej opłacalne od korzystania z gotowych modułów. Powyżej tej wartości zysk związany z oszczędnościami w cenie podzespołów równoważy dodatkowe nakłady związane z bardziej skomplikowanym procesem projektowania oraz certyfikacji układu.

W większości sytuacji okazuje się, że samodzielna implementacja komunikacji Bluetooth Mesh staje się opłacalna w przypadku urządzeń produkowanych w liczbie co najmniej 250 tysięcy egzemplarzy. Poniżej tego progu moduły Bluetooth mogą być atrakcyjniejszym rozwiązaniem. Dla wielu producentów cena nie jest jednak jedynym czynnikiem uwzględnianym w procesie decyzyjnym Decydujący okazać się może czas do wprowadzenia urządzenia na rynek lub prostota i niezawodność układu czy maksymalne skrócenie łańcucha dostaw.

Gotowe moduły wydają się ponadto korzystne dla wszystkich nowych projektów, niemających jeszcze jednoznacznie określonego wolumenu produkcji. W przypadku sukcesu przedsięwzięcia i wzrostu zapotrzebowania na urządzenie rozpocząć można prace nad migracją w kierunku własnego rozwiązania. W takiej sytuacji dobrym pomysłem może być ponadto wybór takiego modelu modułu, który umożliwia łatwe przejście na własne dyskretne rozwiązanie, bez konieczności wprowadzania wielu dodatkowych modyfikacji do architektury projektu. Niektórzy z producentów mają w swojej ofercie zarówno moduły komunikacyjne, jak i układy scalone dedykowane do konstrukcji własnego rozwiązania – z reguły tego typu produkty umożliwiają opracowanie własnej implementacji w możliwie najprostszy sposób.

Podsumowanie

Protokół Bluetooth Mesh jest powszechnie stosowanym sposobem na zapewnienie bezprzewodowej komunikacji w sieciach IoT. Rozwiązanie to można zaimplementować w projekcie na jeden z dwóch sposobów – korzystając z gotowych modułów komunikacyjnych lub tworząc własny układ z elementów dyskretnych. Obie propozycje mają swoje wady i zalety, przez co mniej lub bardziej nadają się do określonych zastosowań. Korzystanie z gotowych modułów pozwala oszczędzić czas, znacząco uprościć projektowanie oraz zminimalizować ryzyko powstania błędów. Z drugiej strony, koszt elementów dyskretnych niezbędnych do konstrukcji układu komunikacyjnego jest niższy niż cena modułu, co może mieć decydujące znaczenie w przypadku dużych serii produkcyjnych.

Damian Tomaszewski