Bluetoothメッシュを使用した設計：チップまたはモジュール？

これまで、このシリーズの記事では、Bluetoothメッシュの概要と、アプリケーションのデバイスを選択する方法について説明してきました。この最終回では、ディスクリートデバイスとモジュールのどちらを設計に使用するかについて説明します。

ディスクリートデバイスを使用するかモジュールを使用するかの決定は、製品の成功に非常に大きな影響を与えます。 Bluetooth Meshは、IoTを可能にし、以前は有線であったか、まったく接続されていなかった無数のモノをワイヤレスで接続します。完璧な例は電球です。民生用に製造されたほとんどの球根は、壁のスイッチを使用して制御されていました。これらのデバイスにBluetoothメッシュ接続を追加するには、社内には存在しなかった専門知識が必要です。

つまり、ワイヤレス接続に不慣れなメーカーは、独自のワイヤレスの専門知識の開発に多額の投資を行うか、スタンドアロンモジュールとしてBluetoothメッシュを実装し、機能の専門知識にリソースを集中するかという決定に直面しています。次のセクションでは、ワイヤレス接続によってもたらされる複雑さと、製品のモジュールとディスクリートソリューションのどちらかを選択する際に正しい決定を下す方法について説明します。

Bluetoothメッシュを製品に追加する際、エンドシステムのコストと複雑さは、ボードデザインの複雑さ、規制認証、Bluetooth認定、宣言、リストなどの要因の影響を受けます。これらを1つずつ見ていきましょう。

ディスクリートデバイスを使用したBluetoothメッシュ対応製品の設計

Bluetoothメッシュ用のボードを設計するには、RFボード設計の専門知識が必要です。具体的には、Bluetoothメッシュにはアンテナとマッチングネットワークが必要です。これらはボード設計を複雑にします。良好なアンテナゲインを実現するには、適切なアンテナ設計と最低地上高が必要です。デカップリングコンデンサなどの電源関連部品が必要です。効率的なルーティングは安定したシステム動作にとって重要であり、これらの回路がアンテナの性能に干渉しないように特別な注意が必要です。時計/水晶も特別な注意が必要です。周波数のドリフトは、パケット損失を引き起こし、スループットと電力効率に影響を与える可能性があります。

これらすべての複雑さを処理するには、経験豊富なRFボード設計者が必要です。必要なスキルは非常に専門的であるため、社内のRF設計の専門知識を維持するにはコストがかかる可能性があります。さらに、ボードは必要なパフォーマンスを提供できるため、数回のスピンが必要になる場合があります。

ボード設計後の次の課題は、規制認証を満たすことです。すべてのBluetoothメッシュ製品は、販売される国に基づいて1つ以上のRF規制認証を取得する必要があります。これらの認証は、放射線レベルが許容範囲内にあり、動作周波数が禁止周波数帯域内にないことを保証します。

ほぼすべての国に独自のRF規制認証機関があります。米国でBluetoothメッシュ製品を販売するには、製品は連邦通信委員会（FCC）の認証を取得する必要があります。ヨーロッパの場合、製品はCE（ConformitéEuropéene）認証を取得する必要があります。日本は総務省（Ministry of Internal Affairs and Communications）を必要とし、カナダは以前はIC（Industry Canada）認証として知られていたISED（Innovation、Science and Economic Development）を必要とします。

製品がこれら4つの規制認証のRF要件を満たしている場合、他のすべての国の規制要件も満たしている可能性があります。ただし、これらの各認定には、かなりの量のテストが必要です。テストは、これらの規制機関によって承認されたラボで実行されます。つまり、認証だけでなく、失敗も代償を伴います。たとえば、ボードに障害が発生した場合は、ボードの設計/コンポーネントに変更を加えてから、ラボに再度持ち込む必要があります。 Bluetoothメッシュ製品ごとに、この認定は、最初に正しく行われた場合、20,000ドル以上かかる可能性があります。認定コストを超えると、認定の各ラウンドで費やされた余分な時間に基づいて、製品の展開が遅れます。この競争の激しい市場では、市場投入までの時間が成功に不可欠です。

Bluetoothメッシュ製品は、Bluetooth商標を使用できるようにするために、BluetoothSIG認定テスト施設でテストを受ける必要があります。製品認定により、製品が他のBluetoothメッシュデバイスと相互運用可能であることが保証されます。また、製品にBluetoothブランド名を使用し、Bluetoothメッシュ製品として販売する法的権利を確保するには、宣言とリストが必要です。

モジュールを使用したBluetoothメッシュ対応製品の設計

デザインでモジュールを使用することの長所と短所に入る前に、モジュールとは何か、モジュールが何を提供するかを簡単に確認しましょう。モジュールは通常、サイズ、アンテナタイプ、およびコストの点で幅広いものとして提供されます。モジュールは、アプリケーションに必要なパフォーマンスを実現しながら、Bluetoothメッシュデバイスの動作に必要なほとんどまたはすべての主要コンポーネントを統合します。モジュールを使用すると、RFレイアウト設計の複雑さが解消されます。個別のソリューションを構築する場合と比較して、モジュールの使用には追加のコストがかかりますが、社内の専門知識が不足している場合、モジュールは製品にBluetoothメッシュ接続を追加するための最も速くて簡単な方法です。

モジュールを使用する最大の利点は、システム設計者がモジュールメーカーが長年にわたって学んだ専門知識を活用できることです。モジュールが複数の業界の複数の製品で使用されていることを考えると、この専門知識は広範に及ぶ可能性があります。つまり、システム設計者は、社内のRF専門家の開発に先行投資を行うことなく、メーカーのすべての専門知識にアクセスできます。

一部のモジュールは完全に認証されており、必要な規制認証を確保するための手間とコストが不要であることに注意してください。一部の設計では、ボードレイアウトまたはコンポーネントの小さな変更は、完全な再認証を意味します。

モジュールとディスクリートソリューションの選択

モジュールは、研究開発と認証の観点から、すべてのアプリケーションにとって魅力的です。トレードオフは、ディスクリートデバイスと比較して追加コストがかかることです。従来、OEMは損益分岐点を使用して、購入するか構築するかを決定していました。この数値は、社内の専門知識を開発するための時間とお金への投資と比較して、ボードあたりのコストの増加と釣り合っています。

複雑さと関連するさまざまなコストのために、Bluetoothメッシュモジュールは25万ユニットの範囲のボリュームまで効果的です。ボリュームが大きい場合は、通常、ディスクリートデバイスベースのアプローチの方が経済的です。ただし、多くのOEMにとって、考慮事項は価格だけではありません。全体として、接続の追加は、複雑なシステムやアプリケーション固有の認定が必要なシステムではそれほど重要ではない場合があります。 OEMは、エンジニアリングリソースを会社の真の付加価値に集中させ続けることを望んでいます。また、接続の将来のアップグレード可能性を維持するために何が必要か、それに続くボードの再スピンと認証についての追加の考慮事項もあります。

初期ボリュームが予測できない新製品の場合、通常はモジュールから始めることをお勧めします。これにより、投資を低く抑えることができます。製品の量が増えると、製品はディスクリートデバイスに基づくソリューションに移行できます。これが戦略である場合、ディスクリートデバイスへの簡単な移行パスを提供するモジュールを選択することが重要です。

BluetoothメッシュICとモジュールが異なるベンダーによって提供されている場合、移行には異なる開発ツールが必要になる可能性があり、ファームウェアの変更に必要な複雑さが増します。 ICとモジュールの両方を製造するベンダーを選択すると、大きな利点が得られます。ほとんどの場合、ディスクリートデバイスベースのソリューションとモジュールの両方が同じ開発ツールとソフトウェア開発キットを使用することも保証されます。したがって、この移行を完了するためにファームウェアを変更する必要がない場合があります。つまり、製品のコストを下げるために必要なのは、ボードの再スピンと認証だけです。

たとえば、サイプレスは、さまざまなサイズとアンテナオプションのICとモジュールを提供しています。そのICに基づくディスクリートソリューションとモジュールは、移行のためのシームレスなパスを提供する同じ開発ツールでサポートされます。たとえば、次の表は、サイプレスのBluetoothメッシュデバイスであるCYW20819の例と、それぞれのモジュールとの比較を示しています。

CYW20819CYBT213043-02（CYW20819ベースのモジュール）ソフトウェア開発キット（SDK）BT SDKBT SDK統合開発環境（IDE）ModusToolbox ^TM ModusToolboxTransmit Power4 dBm4 dBmAntennaNoPCB24-MHzクリスタルNoYes規制認定NoFCC、ISED、MIC、CE

表に示すように、ICとモジュールの両方が同じSDKとIDEでサポートされているため、ファームウェアに追加の投資をすることなく、モジュールとディスクリートデバイスを簡単に切り替えることができます。同時に、このモジュールはすべてのデバイス機能をサポートし、水晶とアンテナの統合および規制認証としてすべての利点を提供します。

完全に認定されたモジュールは、すべてのBluetoothメッシュ製品の出発点になります。 250K未満のユニットの場合、モジュールベースのソリューションは、ディスクリートデバイスベースの設計と比較してより経済的である可能性があります。ボリュームが大きい場合、ディスクリートデバイスベースの設計は費用効果が高くなりますが、社内またはアウトソーシングのコストを開発するにはかなりの専門知識が必要です。モジュールから始める場合は、ボリュームが増加するにつれてディスクリートデバイスへの簡単な移行パスを提供するモジュールを選択することが重要です。

「Bluetoothメッシュを使用した設計」シリーズの以前の記事を読む：
パート1：ノードと機能の種類
パート2：ノード通信
パート3：プライバシーとセキュリティ
パート4：デバイスの要件