使用蓝牙网状网络进行设计：设备要求

在本系列的前几篇文章中，我们讨论了蓝牙 Mesh 是什么（第 1 部分）、它的工作原理（第 2 部分）以及它的私密性和安全性（第 3 部分）。蓝牙 Mesh 提供的所有强大功能使其成为一个安全的低功耗网络，同时还提供出色的互操作性。

话虽如此，这些功能也使蓝牙网状网络的实现有点复杂。如果让系统设计人员来处理所有这些复杂性，那么推出产品将需要数百人年的努力。除此之外，物联网应用的基础非常广泛。这意味着每个应用程序需要一组略有不同的外设和 CPU 处理能力。例如，如果您正在设计智能家居产品，有些是电池供电的，有些是墙壁供电的，有些是模拟密集型的，而有些则需要大量的数字外围设备的强大处理能力。

固件开发通常是任何系统开发项目的最大投资。即使系统不同，如果使用的芯片系列保持不变，一些固件工作可以跨设计重复使用。因此，在尽职调查后为您的第一个产品选择设备/平台非常重要，这样您就可以最大限度地重复使用 IP 并利用现有固件。在本文中，我们将讨论为您的下一个蓝牙 Mesh 应用选择设备时必须考虑的一些要点。

概括地说，任何蓝牙网状网络应用程序的开发和部署都需要三个关键部分。这些部分是：

• 硬件
• 软件/固件
• 移动应用

硬件

在为您的蓝牙网状网络产品选择平台时，第一步也是最重要的一步是调查设备功能。在选择设备时考虑长期是很重要的。让我们举个例子来理解为什么。图 1 显示了一个智能家居系统示例。

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图 1：使用蓝牙 Mesh 的智能家居系统示例。 （来源：赛普拉斯）

如您所见，该网络中有各种设备，包括灯泡、风扇、恒温器和百叶窗控制器。实际的智能家居可能会使用更多种类的蓝牙 Mesh 产品，例如开关、调光器、占用传感器、洒水控制器等。如果您正在设计智能家居产品，您可能需要设计满足所有这些应用的产品。因此，即使您正在开发智能开关应用程序，也务必要考虑其他产品。

这些应用程序中的每一个都有不同的设计要求。对于楼宇自动化等其他领域也是如此。理想情况下，您的设计可以基于满足大部分应用需求的平台。此外，您应该能够根据应用程序升级或降级选项，而无需完全重新设计固件。

在为您的蓝牙网状网络应用开发选择设备之前，让我们看看一些应该考虑的芯片特性/规格。

发射功率和接收灵敏度 – 任何无线设备的重要规格之一是其发射功率和接收灵敏度。发射功率和接收灵敏度定义了设备的链路预算以及设备与网络中其他节点通信的距离。虽然蓝牙 Mesh 旨在扩展网络的范围，但发射功率和接收灵敏度限制了网络中各个节点之间的距离。

正如我们之前提到的，并非每个产品都是相同的，并且要求因应用程序而异。具有更高的发射功率也会消耗更多的电流。您可能需要限制电池供电应用的传输功率，以降低功耗并延长电池寿命。温度和湿度传感器、智能开关等应用通常由电池供电。在这些情况下使用较低的发射功率可能是有利的。另一方面，墙上供电的应用程序可以支持更高的传输功率以扩展网络范围。因此，对于壁挂式应用，选择可支持高达 10 dBm 发射功率的设备非常重要。

具有 Mesh 功能的设备应该能够支持电池供电应用的较低发射功率和壁式供电应用的较高发射功率。最好选择一个设备系列，该系列可在相似的占位面积和相似的资源中提供不同的发射功率选项。这使您只需更改 BOM，而无需对布局进行任何更改，从而简化新产品的设计并加快上市时间。

通常使用集成功率放大器 (IPA) 来支持更高的发射功率。但是，IPA 需要额外付费。为了降低 BOM 成本，开发人员可以在电池供电应用的相同占用空间中切换到具有较低传输功率的低成本设备（如果有这样的选项可用）。例如，为了满足这一要求，赛普拉斯在具有相同功能集的引脚兼容封装中提供了支持高达 +4 dBm 发射功率的 CYW20819 和另一个支持高达 10 dBm 发射功率的器件 CYW20820。

功耗 – 必须最仔细地调查每种应用的功耗，无论是壁式供电还是电池供电。为了使产品更加环保，监管机构不断施加压力，要求即使使用壁式供电设备也能降低功耗。如果您的产品不符合规定的功耗要求，您可能无法销售该产品。

在查看设备的功耗时，必须检查各种因素。首先是发射和接收过程中的无线电功耗。大多数蓝牙网状网络节点会持续扫描数据包。因此，这些设备几乎 100% 的时间都处于接收模式，因此在为 Mesh 应用选择设备时，接收器功耗是最重要的参数之一。

考虑到充当中继的 Mesh 设备必须转发接收到的消息，传输功耗是另一个重要规范。必须在设备支持的最大传输功率下检查传输功耗。与在较高发射功率下使用时相比，某些设备在较低发射功率下的性能往往更好。

供应商在其设备中支持不同的低功耗模式。了解您的应用需要什么非常重要，这样您就可以根据设备可能在活动和其他低功耗模式下花费的时间准确估计平均功耗。

处理能力 – 选择具有良好处理能力的设备通常是个好主意。某些应用（如 LED 灯泡）可能需要根据用户要求快速处理和修改 LED 状态（开/关或颜色）。由于设备在低功耗模式下功耗最低，因此使用更快的 CPU 可以快速完成任务。因此，设备可以进入更长时间的休眠状态，从而降低平均总功耗。

内存 – 闪存和 RAM 大小要求因所选应用而异。找到提供灵活内存占用的产品系列非常重要。 Mesh 实现应该允许应用程序代码在具有不同内存占用的设备之间移植，而无需任何额外的工作。这允许您为需要较少内存的应用程序选择成本较低的设备。此外，一些设备有 ROM 来存储蓝牙堆栈和外围驱动程序。这将释放 Flash 以供应用程序使用。这意味着具有内部 ROM 和闪存的设备通常更适合蓝牙 Mesh 产品。

外围设备 – 正如我们之前提到的，不同的应用可能需要不同的外设。例如，一个智能灯泡可能需要三个或四个脉冲宽度调制器 (PWM) 来控制 RGB/RGBW LED，一个模数转换器 (ADC) 用于使用热敏电阻进行温度测量，以及一个 I2C 接口作为被动红外 (PIR) 传感器控制器接口。另一方面，恒温器需要一个 ADC 和一个电源管理模块来支持低功耗模式。在为您的产品选择平台时，它有助于列出所有应用程序的潜在外围需求并确定最适合它们的设备。

扩展温度和工业温度支持 – 考虑到 LED 和 AC-DC 子系统的高功耗，某些应用（例如照明）需要支持扩展温度（高达 +105°C）。出于这个原因，选择一个能够提供工业级和扩展温度级产品的器件系列非常重要。

软件

软件是一个非常重要的部分，必须进行研究。对于软件，我们不仅指 IDE 和工具链，还指底层软件开发工具包 (SDK)。 IDE必须易于使用，例如常用的基于Eclipse的IDE。

SDK 需要特别注意。蓝牙 Mesh 有多种模型和节点类型。特定模型和节点类型的使用取决于应用程序。对于符合蓝牙 Mesh 资格的产品，底层模型和节点类型也必须符合条件。某些供应商并未对所有蓝牙网状网络模型和节点类型进行认证。如果应用程序需要一个不合格的模型，则开发人员有责任完成整个合格过程。这需要开发人员彻底了解蓝牙网状网络规范，并在资格认证过程中投入额外的金钱和时间。 Mesh 芯片供应商有责任抽象出这种复杂性并提供完全符合蓝牙 Mesh 标准的解决方案。因此，在为您的蓝牙 Mesh 应用选择设备之前，请参阅蓝牙 SIG 网站以了解哪些 Mesh 模型和节点适合特定设备。

一旦您确定了支持所有网格模型和节点类型的设备，最好找出可用的参考代码示例。代码示例使用您以前从未使用过的新技术启动开发。

移动应用

物联网的想法是将事物连接起来，以便用户可以轻松访问它们。几乎所有物联网应用都需要移动应用，基于蓝牙Mesh的物联网应用也是如此。无论是灯泡控制还是从气象监测站读取温度，用户都希望使用手机访问和控制设备。为此，芯片供应商必须为其蓝牙网状网络产品提供 iOS 和 Android 移动应用程序。

理想情况下，为这些应用程序提供了源代码，以便您可以进行自定义以适应您的品牌和产品特定的修改。如果芯片供应商不提供这些应用程序，您将需要从头开始开发这些应用程序。每个应用的应用开发成本可能超过 20 万美元，这还不包括对产品上市时间的影响。

您还可以观看了解更多关于蓝牙 Mesh 的视频，学习创建蓝牙 Mesh 网络并与之通信。

在本系列的下一篇也是最后一篇文章中，我们将讨论是否应将硅器件或模块用于您的蓝牙网状网络应用，我们将描述影响在这两种替代方案之间进行选择的决定的因素。