Bluetoothメッシュを使用した設計：デバイス要件

このシリーズの以前の記事では、Bluetoothメッシュとは何か（パート1）、Bluetoothメッシュがどのように機能するか（パート2）、およびBluetoothメッシュをプライベートで安全にする理由（パート3）について説明しました。 Bluetooth Meshが提供するすべての強力な機能により、Bluetooth Meshは安全な低電力ネットワークになり、優れた相互運用性も提供します。

そうは言っても、これらの機能により、Bluetoothメッシュの実装も少し複雑になります。システム設計者がこれらすべての複雑さを処理することを任されている場合、製品を展開するのに数百人年の努力が必要になります。それを超えて、IoTアプリケーションは非常に広範囲に渡っています。これは、各アプリケーションがわずかに異なる周辺機器のセットとCPU処理能力を必要とすることを意味します。たとえば、スマートホーム製品を設計している場合、バッテリー駆動のものもあれば、壁駆動型のものもあります。アナログを多用するものもあれば、多くのデジタル周辺機器を備えた大規模な処理能力を必要とするものもあります。

多くの場合、ファームウェア開発は、システム開発プロジェクトにとって最大の投資です。システムは異なりますが、使用されているシリコンファミリが変更されていない場合は、ファームウェアの取り組みの一部を設計間で再利用できます。したがって、IPの再利用を最大化し、既存のファームウェアを活用できるように、デューデリジェンスの後に最初の製品のデバイス/プラットフォームを選択することが重要です。この記事では、次のBluetoothメッシュアプ​​リケーション用のデバイスを選択する際に考慮しなければならないいくつかのポイントについて説明します。

大まかに言えば、Bluetoothメッシュアプ​​リケーションの開発と展開には3つの重要な要素が必要です。これらの部分は次のとおりです。

• ハードウェア
• ソフトウェア/ファームウェア
• モバイルアプリケーション

ハードウェア

Bluetoothメッシュ製品のプラットフォームを選択する際、最初の最も重要なステップは、デバイスの機能を調査することです。デバイスを選択する際には、長期的な考慮が重要です。例を挙げて、その理由を理解しましょう。図1は、スマートホームシステムの例を示しています。

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図1：Bluetoothメッシュを使用したスマートホームシステムの例。 （出典：サイプレス）

ここに表示されているように、このネットワークには、電球、ファン、サーモスタット、ブラインドコントローラーなどのさまざまなデバイスがあります。実際のスマートホームでは、スイッチ、調光器、占有センサー、スプリンクラーコントローラーなど、さまざまなBluetoothメッシュ製品を使用できます。スマートホーム製品を設計する場合は、これらすべてのアプリケーションに対応する製品を設計する必要があります。したがって、スマートスイッチアプリケーションで作業している場合でも、他の製品のスコープを設定することも重要です。

これらのアプリケーションにはそれぞれ、異なる設計要件があります。同じことが、ビルディングオートメーションなどの他のセグメントにも当てはまります。理想的には、これらのアプリケーション要件の大部分に対応するプラットフォームに基づいて設計を行うことができます。さらに、ファームウェアを完全に再設計することなく、アプリケーションに基づいてオプションをアップグレードまたはダウングレードできる必要があります。

Bluetoothメッシュアプ​​リケーション開発用のデバイスを選択する前に考慮すべきシリコンの機能/仕様のいくつかを調べてみましょう。

送信電力と受信感度 –ワイヤレスデバイスの重要な仕様の1つは、送信電力と受信感度です。送信電力と受信感度は、デバイスのリンクバジェットと、デバイスがネットワーク内の他のノードと通信できる距離を定義します。 Bluetoothメッシュはネットワークの範囲を拡張することを目的としていますが、送信電力と受信感度により、ネットワーク内の個々のノード間の距離が制限されます。

前述したように、すべての製品が同じであるとは限らず、要件はアプリケーションによって異なります。送信電力が高いほど、消費電流も多くなります。消費電力を削減し、バッテリ寿命を延ばすために、バッテリ駆動のアプリケーションの送信電力を制限する必要がある場合があります。温度および湿度センサー、スマートスイッチなどのアプリケーションは、通常、バッテリー駆動です。これらの場合、より低い送信電力を使用することが好ましい場合があります。一方、壁を利用したアプリケーションは、より高い送信電力をサポートしてネットワーク範囲を拡張できます。したがって、壁電源のアプリケーションでは、最大10dBmの送信電力をサポートできるデバイスを選択することが重要です。

メッシュ対応デバイスは、バッテリ駆動のアプリケーションではより低い送信電力をサポートし、壁で駆動されるアプリケーションではより高い送信電力をサポートできる必要があります。同様のフットプリントと同様のリソースでさまざまな送信電力オプションを提供するデバイスファミリを選択することをお勧めします。これにより、レイアウトを変更せずにBOMのみを変更できるため、新製品の設計が簡素化され、市場投入までの時間が短縮されます。

より高い送信電力は、通常、統合パワーアンプ（IPA）を使用してサポートされます。ただし、IPAには追加料金がかかります。 BOMコストを削減するために、開発者は、バッテリー駆動のアプリケーションで同じフットプリントの送信電力が低い低コストのデバイスに切り替えることができます（そのようなオプションが利用可能な場合）。たとえば、この要件に対応するために、サイプレスは最大+4 dBmの送信電力をサポートするCYW20819と、最大10dBmの送信電力をサポートする別のデバイスCYW20820を、同じ機能セットを備えたピン互換パッケージで提供しています。

消費電力 –消費電力は、壁電源かバッテリー電源かに関係なく、すべてのアプリケーションについて最も注意深く調査する必要があります。製品を環境にやさしいものにするために、規制当局からは、壁掛け式のデバイスでも消費電力を削減するよう常に圧力がかかっています。製品が指定された消費電力要件を満たしていない場合、製品を販売できない可能性があります。

デバイスの消費電力を確認する際に検討する必要のあるさまざまな要因があります。 1つは、送受信中の無線電力消費です。ほとんどのBluetoothメッシュノードは継続的にパケットをスキャンします。したがって、これらのデバイスはほぼ100％の時間受信モードにあり、受信機の消費電力はメッシュアプ​​リケーション用のデバイスを選択する際に考慮すべき最も重要なパラメータの1つになっています。

リレーとして機能するメッシュデバイスが受信したメッセージを転送する必要があることを考えると、送信電力消費はもう1つの重要な仕様です。送信電力消費量は、デバイスでサポートされている最大送信電力で調べる必要があります。一部のデバイスは、高い送信電力で使用される場合と比較して、低い送信電力でパフォーマンスが向上する傾向があります。

ベンダーは、デバイスでさまざまな低電力モードをサポートしています。デバイスがアクティブモードやその他の低電力モードで費やす可能性のある時間に基づいて平均消費電力を正確に見積もることができるように、アプリケーションに何が必要かを理解することが重要です。

処理能力 –一般に、処理能力の高いデバイスを選択することをお勧めします。 LED電球などの一部のアプリケーションでは、ユーザーの要求に基づいて、LEDステータス（オン/オフまたは色）の迅速な処理と変更が必要になる場合があります。デバイスは低電力モードで消費電力が最も低いため、より高速なCPUを使用すると、タスクを迅速に完了することができます。したがって、デバイスはより長い時間スリープ状態になり、全体の平均消費電力を削減できます。

メモリ –フラッシュとRAMのサイズ要件は、選択したアプリケーションによって異なります。柔軟なメモリフットプリントを提供する製品ファミリを見つけることが重要です。メッシュの実装では、追加の作業を行うことなく、メモリフットプリントが異なるデバイス間でアプリケーションコードを移植できるようにする必要があります。これにより、必要なメモリが少ないアプリケーション向けに、より低コストのデバイスを選択できます。また、一部のデバイスには、Bluetoothスタックと周辺機器ドライバーを格納するためのROMがあります。これにより、Flashがアプリケーションで使用できるようになります。これは、内部ROMとフラッシュを備えたデバイスが通常Bluetoothメッシュ製品に適していることを意味します。

周辺機器 –前述したように、アプリケーションごとに異なる周辺機器が必要になる場合があります。たとえば、スマートバルブには、RGB / RGBW LED制御用の3つまたは4つのパルス幅変調器（PWM）、サーミスタを使用した温度測定用のアナログ-デジタルコンバータ（ADC）、およびI2Cインターフェイスが必要な場合があります。パッシブ赤外線（PIR）センサーコントローラーインターフェース。一方、themostatは、低電力モードをサポートするためにADCと電力管理ブロックを必要とします。製品のプラットフォームを選択する際に、すべてのアプリケーションの潜在的な周辺機器のニーズを一覧表示し、それらに最適なデバイスを特定するのに役立ちます。

拡張温度および工業用温度のサポート –照明などの一部のアプリケーションでは、LEDとAC-DCサブシステム全体の消費電力が高いため、高温（最大+ 105°C）のサポートが必要です。このため、工業用と拡張温度の両方のグレードで製品を提供するデバイスファミリを選択することが重要です。

ソフトウェア

ソフトウェアは、調査する必要のある非常に重要な部分です。ソフトウェアとは、IDEとツールチェーンだけでなく、基盤となるソフトウェア開発キット（SDK）も意味します。 IDEは、一般的に使用されるEclipseベースのIDEなど、使いやすいものでなければなりません。

SDKには特別な注意が必要です。 Bluetoothメッシュにはいくつかのモデルとノードタイプがあります。特定のモデルとノードタイプの使用は、アプリケーションによって異なります。製品がBluetoothメッシュとして認定されるには、基盤となるモデルとノードタイプも認定される必要があります。一部のベンダーは、すべてのBluetoothメッシュモデルとノードタイプが認定されているわけではありません。アプリケーションが認定されていないモデルを必要とする場合、認定プロセス全体を実行するのは開発者の負担です。そのためには、開発者はBluetoothメッシュの仕様を完全に理解し、認定プロセスに追加の費用と時間を投資する必要があります。その複雑さを抽象化し、完全にBluetoothメッシュ認定されたソリューションを提供するのはメッシュシリコンベンダーの責任です。したがって、Bluetoothメッシュアプ​​リケーション用のデバイスを選択する前に、Bluetooth SIG Webサイトを参照して、特定のデバイスに適したメッシュモデルとノードを確認してください。

すべてのメッシュモデルとノードタイプをサポートするデバイスを特定したら、利用可能な参照コードの例を確認することをお勧めします。コード例は、これまで使用したことのない新しいテクノロジーを使用して開発を開始します。

モバイルアプリケーション

IoTの考え方は、ユーザーが簡単にアクセスできるようにモノを接続することです。ほとんどすべてのIoTアプリケーションにはモバイルアプリケーションが必要であり、BluetoothメッシュベースのIoTアプリケーションも同様です。電球の制御であろうと、気象監視ステーションからの温度の読み取りであろうと、ユーザーは自分の電話を使用してデバイスにアクセスして制御したいと考えています。これを容易にするために、シリコンベンダーは、Bluetoothメッシュ製品用のiOSおよびAndroidモバイルアプリケーションを提供する必要があります。

理想的には、これらのアプリケーションにソースコードが提供されているため、ブランドや製品固有の変更に対応するようにカスタマイズできます。シリコンベンダーがこれらのアプリケーションを提供していない場合は、これらのアプリケーションを最初から開発する必要があります。アプリの開発コストは、製品の市場投入までの時間への影響を除いて、アプリケーションごとに20万ドル以上かかる可能性があります。

また、Bluetoothメッシュネットワークの作成と通信の方法を学ぶために、Bluetoothメッシュの詳細を学ぶビデオを見ることができます。

このシリーズの次の最後の記事では、Bluetoothメッシュアプ​​リケーションにシリコンデバイスとモジュールのどちらを使用するかについて説明し、これら2つの選択肢のどちらを選択するかを決定する際に影響を与える要因について説明します。