1. A adoção do Bluetooth continua amplamente nos mercados finais, com o modo de baixa energia assumindo um papel cada vez mais proeminente ao longo do tempo. (Fonte: Bluetooth SIG)

Considerações de projeto para a malha Bluetooth em ambientes domésticos industriais

cupom com desconto - o melhor site de cupom de desconto cupomcomdesconto.com.br


Faça o download deste artigo em formato PDF.

O Bluetooth é um protocolo de comunicação onipresente com inúmeras aplicações em eletrônicos de consumo, assistência médica, automação industrial e rastreamento de ativos. Com o Bluetooth Low Energy (BLE) Mesh adicionado agora como uma camada de rede, há ainda maiores oportunidades para controle e monitoramento simultâneos de centenas – até milhares – de dispositivos. Esses novos recursos vêm com uma complexidade adicional para os desenvolvedores.

As muitas vantagens do Bluetooth deram origem a sua presença agora onipresente. Os padrões de Bluetooth são mantidos e avançados pelo Bluetooth Special Interest Group (SIG), que até o presente momento possui cerca de 33.000 membros em 150 países. Os padrões originais especificavam conexões ponto a ponto (1: 1), com multiponto (um para muitos ou 1: m) e malha (muitos para muitos ou m: m) adicionados posteriormente. O Bluetooth clássico suporta comunicações 1: 1 e 1: m com uma taxa básica (BR) e uma taxa de dados aprimorada (EDR). O Bluetooth Low Energy (BLE) é o único modo que suporta redes m: m mesh.

O advento das redes BLE Mesh expandiu ainda mais a escala e o escopo de aplicativos em potencial para Bluetooth. Com suporte para mais de 30.000 nós de rede, o BLE Mesh pode lidar com aplicativos que abrangem grandes edifícios, empresas de assistência médica e campi.

A adoção do Bluetooth cresceu rapidamente e está previsto que continue em ritmo acelerado (Figura 1). Esse uso generalizado tornou a rede Bluetooth onipresente em praticamente todas as plataformas, incluindo smartphones e tablets, relógios inteligentes, laptops e periféricos, variando de teclados e mouses a alto-falantes e fones de ouvido. Essa onipresença nas interfaces e a interoperabilidade generalizada nas marcas estabelecem uma base instalada e a familiaridade desenvolvedor / usuário que faz do Bluetooth uma escolha óbvia para muitos aplicativos novos.

1. A adoção do Bluetooth continua amplamente nos mercados finais, com o modo de baixa energia assumindo um papel cada vez mais proeminente ao longo do tempo. (Fonte: Bluetooth SIG) 1. A adoção do Bluetooth continua amplamente nos mercados finais, com o modo de baixa energia assumindo um papel cada vez mais proeminente ao longo do tempo. (Fonte: Bluetooth SIG)

Visão geral da malha BLE

Todo dispositivo em uma rede BLE Mesh deve atender aos requisitos fundamentais identificados nas especificações. Esta seção fornece uma visão geral desses requisitos usando a terminologia adotada pelo Bluetooth SIG.

Topologia de rede de malha

Uma topologia de rede de malha possui duas vantagens significativas: escalabilidade praticamente ilimitada e alta resiliência, as quais contribuíram para a popularidade do protocolo entre os engenheiros de design de produtos. Essas vantagens derivam das comunicações muitos-para-muitos que formam vários caminhos pela rede, da origem ao destino (Figura 2).

2. A escalabilidade praticamente ilimitada e a alta resiliência do BLE Mesh o tornam adequado para uma ampla variedade de casos de uso novos e exigentes.2. A escalabilidade praticamente ilimitada e a alta resiliência do BLE Mesh o tornam adequado para uma ampla variedade de casos de uso novos e exigentes.

As conexões m: m garantem comunicações bem-sucedidas, mesmo quando vários nós falham ou são retirados de serviço, temporária ou permanentemente. Em outras palavras: as redes BLE Mesh podem se expandir amplamente sem pontos únicos de falha.

Tipos de nó de malha

A topologia escalável permite que as redes BLE Mesh suportem um máximo teórico de 32.767 nós – um número que não impõe limites práticos para aplicativos do mundo real. Os padrões definem quatro tipos de nós e qualquer nó único pode ser configurado para suportar vários tipos:

  • Nós de retransmissão retransmitir ou retransmitir mensagens recebidas para propagá-las pela rede mesh. As mensagens são retransmitidas apenas quando seu valor de tempo de vida (TTL) é maior que zero. Exceto para nós de baixa potência, todos os dispositivos BLE Mesh devem suportar esse recurso.
  • Nós de baixa potência (LPNs) são usados ​​principalmente para sensores de ciclo de baixa carga, alimentados por bateria. Para minimizar o consumo de energia, normalmente é atribuído aos LPNs um “Nó Amigo” complementar para servir como intermediário para mensagens.
  • Nós amigos receber mensagens em nome do (s) LPN (s) atribuído (s), armazenando-os em uma fila para entrega posterior. Cada LPN periodicamente “acorda” e pesquisa seu Nó Amigo para receber novas mensagens que possam estar em sua fila.
  • Nós de proxy retransmitir mensagens entre o Portador General ATTribute (GATT) orientado a conexão e o Portador de publicidade na rede BLE Mesh. Esse recurso permite que os dispositivos que suportam o BLE (mas não a pilha do BLE Mesh) se comuniquem com a rede de malha sem a necessidade de um gateway dedicado ou outra provisão especial.

Elemento (s) do nó de malha

É necessário que cada nó tenha um elemento de identificação primário que defina sua funcionalidade básica. Eles também podem opcionalmente ter um ou mais elementos secundários para definir funcionalidades adicionais. Por exemplo, um comutador (o elemento primário) também pode ter um sensor de ocupação como elemento secundário. Ou, um sensor de ocupação (o elemento primário) também pode ter um sensor de nível de luz como elemento secundário.

Endereços de rede de malha

Existem quatro tipos de endereços em uma rede BLE Mesh, todos eles atribuídos durante o processo de provisionamento seguro. Observe que os endereços são atribuídos a elementos, o que significa que um nó com vários elementos terá vários endereços.

  • Endereços Unicast identifique exclusivamente cada elemento individual para permitir comunicações ponto a ponto.
  • Endereços de grupo representam vários elementos para ativar as comunicações multicast. O Bluetooth SIG definiu quatro endereços de grupo fixo: todos os proxies, todos os amigos, todos os relés e todos os nós.
  • Endereços virtuais crie grupos virtuais de elementos ou nós para habilitar recursos de comunicação multicast dinâmicos adicionais.
  • Endereços não atribuídos identifique elementos que ainda precisam ser provisionados com seus endereços Unicast, Grupo e / ou Virtual.
Leia Também  O pebolim inteligente está mantendo a pontuação - Open Electronics

Modelos de nó de malha

Os nós do BLE Mesh empregam um dos três tipos diferentes de modelos: Cliente, Servidor ou Controle. Esses modelos são determinados pela função ou funções básicas de um nó, pois é possível implementar mais de um modelo em um único nó.

  • Modelos de servidor conter e expor o estado de um elemento; por exemplo, uma luminária ligada ou desligada ou com algum nível de brilho intermediário.
  • Modelos de clientes interagir com modelos de servidor enviando e recebendo mensagens; por exemplo, quando um interruptor é usado para desligar ou escurecer uma luminária.
  • Modelos de controle combine modelos de cliente e servidor em um único nó e geralmente inclua lógica de controle (ou seja, regras e comportamentos). Por exemplo, uma luminária externa com um sensor de luz ambiente pode ser configurada para ligar ao entardecer e desligar ao amanhecer e para ligar e desligar uma luminária de entrada interna.

Mensagens e Mensagens

Existem duas categorias de mensagens em uma rede BLE Mesh: acesse mensagens para implementar um aplicativo e controla mensagens para gerenciar a operação da rede mesh. As mensagens de acesso são particularmente importantes para os engenheiros de design de produtos, pois são os meios para solicitar, enviar ou alterar os valores de estado dos elementos; por exemplo, ligar ou desligar uma luminária.

Os três tipos de mensagens do Access são GET, SET e STATUS. As mensagens GET são enviadas para solicitar valores de estado de elementos ou grupos de elementos, que enviam mensagens STATUS em resposta. As mensagens SET são enviadas para alterar os valores do estado em elementos ou grupos de elementos, que normalmente reconhecem a alteração enviando uma mensagem STATUS. Os SETs também podem não ser reconhecidos; nesse caso, nenhuma mensagem STATUS é enviada em resposta à alteração. Além das respostas GET e SET, as mensagens STATUS podem ser iniciadas por elementos para relatar periodicamente seus valores de estado.

As comunicações ocorrem dentro de uma rede BLE Mesh como um fluxo gerenciado de mensagens. O “Flood” transmite como as mensagens fluem por toda a topologia de malha enquanto é “gerenciado” para garantir o uso eficiente e eficaz da largura de banda disponível. A chave para uma inundação gerenciada é o sistema de mensagens do grupo de publicação / assinatura usado. Qualquer nó pode publicar ou enviar uma mensagem e cada nó está configurado para assinar ou agir apenas em determinadas mensagens que recebe, com todos os outros sendo retransmitidos conforme necessário. A combinação desses dois aspectos ajuda a fornecer à rede BLE Mesh seu preço / desempenho, escalabilidade e confiabilidade líderes do setor.

Provisionamento de dispositivos

Todos os dispositivos instalados devem ser provisionados antes de poderem ingressar em uma rede BLE Mesh. O provisionamento é normalmente realizado por um aplicativo em execução em um smartphone, tablet ou PC. Essa é uma vantagem distinta do BLE Mesh, porque um Aplicativo Provisionador e, opcionalmente, Código de Aplicativo de Usuário de Malha (Fig. 3) pode ser executado a partir de um participante de malha. O provisionamento é um processo determinístico e seguro que envolve a troca de chaves para autenticação mútua.

3. A arquitetura em camadas permite que os engenheiros de software concentrem seus esforços de desenvolvimento exclusivamente nos aplicativos Mesh User and Provisioner e não na rede BLE Mesh3. A arquitetura em camadas permite que os engenheiros de software concentrem seus esforços de desenvolvimento exclusivamente nos aplicativos Mesh User and Provisioner e não na rede BLE Mesh

Segurança de rede de malha

Os protocolos BLE Mesh foram projetados com provisões de segurança robustas. O provisionamento, a autenticação e as mensagens estão sujeitos a criptografia forte. A segurança da rede, aplicativos e dispositivos pode ser aplicada separadamente, usando chaves diferentes, o que fornece os meios para que várias entidades gerenciem os diferentes elementos. Essas disposições protegem contra um espectro completo de ataques físicos e virtuais, incluindo força bruta, reprodução, man-in-the-middle e lixeira, além de garantir a privacidade dos dados do usuário.

Arquitetura de software

Figura 3 descreve as camadas de software nos nós do BLE Mesh. Observe como os aplicativos de usuário e fornecedor de malha estão localizados na parte superior da arquitetura, acima das bibliotecas e das funções principais, para torná-los independentes da rede BLE Mesh subjacente. Observe também como a Mesh Vendor Model Library possibilita adicionar recursos proprietários avançados, mantendo a compatibilidade com os padrões Bluetooth.

cupom com desconto - o melhor site de cupom de desconto cupomcomdesconto.com.br

Desenvolvimento de produtos de malha BLE

Esta seção destaca o processo de desenvolvimento do BLE Mesh, incluindo as ferramentas usadas, e explora as principais considerações de design. Embora as redes BLE Mesh sejam adequadas para inúmeras aplicações e casos de uso, a iluminação inteligente é usada aqui como exemplo por dois motivos. Uma é que os padrões foram estabelecidos com a iluminação como um caso de uso básico. A outra é a popularidade desses aplicativos de “construção inteligente”, cuja previsão é de uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) de 46% em remessas unitárias até 2023, de acordo com pesquisa realizada pelo Bluetooth SIG.

Leia Também  Transmita e visualize dados do sensor do criador MATRIX com Swim.ai - Open Electronics

O processo básico de desenvolvimento começa definindo a configuração do dispositivo, que deve incluir, no mínimo, seu tipo de nó, elemento (s), modelo e todos os estados e funções específicos de hardware e / ou aplicativo e funções de retorno de chamada. A próxima etapa envolve a implementação das funções de retorno de chamada para o aplicativo e a rede BLE Mesh.

Várias ferramentas de código-fonte aberto e específicas do produto são normalmente usadas durante o processo de desenvolvimento do começo ao fim. Um exemplo específico e mais detalhado do esforço envolvido está disponível na nota do aplicativo Introdução ao Bluetooth Mesh, publicada pela Cypress Semiconductor.

Para produtos que suportam redes BLE Mesh, as considerações de design envolvem, no mínimo, funções (ou elementos) do dispositivo, tamanho da rede mesh, alcance da antena, requisitos de memória, consumo de energia e custo. Uma consideração de projeto separada deve ser dada ao provisionamento, gerenciamento e outro software executado em um smartphone, tablet ou PC.

Como é comum em todos os esforços de desenvolvimento de produtos, muitas vezes são necessárias trocas entre as várias considerações de design. A necessidade de tais compensações será abordada aqui no contexto de três produtos comumente usados ​​em aplicações de iluminação inteligente: interruptores, sensores e luminárias. Como será mostrado, a consideração do projeto no centro da maioria das compensações é o consumo de energia.

Para maximizar a versatilidade e, portanto, o benefício da iluminação inteligente, os usuários desejam implantar comutadores e sensores praticamente em qualquer lugar. Como alguns dispositivos podem ser implantados em locais que não são facilmente acessíveis, o uso da coleta de energia com baterias recarregáveis ​​pode ser um recurso desejável. Isto é especialmente verdade para sensores que medem a iluminação ou detectam a presença / ausência de ocupantes. Os interruptores físicos, por outro lado, são facilmente acessíveis e, portanto, podem ser projetados com baterias primárias substituíveis quando localizadas onde a energia CA não está disponível.

Para redes BLE Mesh, é vantajoso que os dispositivos movidos a bateria sejam projetados como nós de baixa energia, que dependem da disponibilidade da funcionalidade do nó amigo. Esse requisito pode ser observado na documentação do produto e / ou fornecido em outro produto em uma família, como uma luminária, que possui uma fonte de energia externa garantida.

Como uma grande vantagem das redes BLE Mesh é sua escalabilidade, elas podem crescer bastante. Embora o número máximo de nós e um alto número de saltos raramente sejam fatores limitantes, os produtos devem ser projetados para funcionar em implementações de pequena escala que precisam abranger uma área grande, potencialmente ao ar livre, com relativamente poucos nós. Nesses casos de uso, pode ser necessário facilitar o aumento do alcance da antena de um produto e / ou fornecer a funcionalidade do Nó de retransmissão em um produto separado (e opcionalmente dedicado).

O consumo de energia está inextricavelmente vinculado à faixa de transmissão, e os padrões BLE Mesh oferecem aos engenheiros de design alguns recursos poderosos (trocadilhos) para fazer as compensações desejadas que possam ser necessárias. Um desses recursos é poder expandir o alcance sem aumentar o consumo de energia, diminuindo a largura de banda. A capacidade de conversar também é possível; isto é, aumentando a largura de banda diminuindo o intervalo, novamente sem aumentar o consumo de energia.

Outros aspectos de um produto podem elevar a importância de seu consumo de energia. Por exemplo, qual a sensibilidade de um sensor e com que frequência ele precisa pesquisar mudanças de status? Comunicação mais frequente significa maior consumo de energia, aumentando a necessidade de uma bateria principal maior ou a coleta de energia para uma bateria recarregável.

Figura 4 mostra um exemplo de uma placa de avaliação que pode ser usada para prototipagem e desenvolvimento de produtos. Observe a inclusão de três recursos comumente necessários em aplicações de iluminação inteligente: LEDs para luminárias, interruptores e um detector de movimento PIR para uso em um sensor de ocupação. O módulo no centro da borda inferior da placa contém a CPU, memória e antena necessárias para a rede BLE Mesh, bem como para executar o software aplicativo.

4. Mostrado é um painel de avaliação usado para prototipar e desenvolver produtos de iluminação inteligente. Não é mostrado o compartimento da bateria na parte traseira. (Fonte: Cypress Semiconductor)4. Mostrado é um painel de avaliação usado para prototipar e desenvolver produtos de iluminação inteligente. Não é mostrado o compartimento da bateria na parte traseira. (Fonte: Cypress Semiconductor)

Dada a onipresença do Bluetooth em smartphones, tablets e PCs, esses sistemas são normalmente usados ​​para provisionar, configurar e gerenciar produtos BLE Mesh, como comutadores, sensores e luminárias utilizados em aplicativos de iluminação inteligente. Como observado acima, como os aplicativos Mesh User e Provisioner estão em camadas acima das bibliotecas BLE Mesh e das principais funções, os desenvolvedores de software podem concentrar seus esforços exclusivamente no aplicativo e não na rede. Aqui está uma amostra de algumas das funções que os aplicativos de usuário e provisionador de malha podem precisar oferecer suporte:

  • Criar e excluir redes e grupos do BLE Mesh
  • Provisionar e remover nós individuais
  • Configurar publicações e assinaturas
  • Publique mensagens GET para consultar os estados dos elementos
  • Publique mensagens SET, que para aplicativos de iluminação podem incluir On / Off, Nível, Luminosidade e matiz da luminosidade, Saturação, Temperatura da cor da luminosidade e UV Delta
  • Publicar mensagens SET para dados e modelos de fornecedores
  • Execute atualizações de firmware over-the-air (OTA)
Leia Também  Seja Tudo o Que Você Pode XBee - Notícias

Escolhendo componentes de malha BLE

Uma consideração adicional de design não abordada na seção anterior é o custo, que é sempre um fator importante no desenvolvimento de qualquer produto. O custo sempre tem duas dimensões: projetar o produto e fabricá-lo. A escolha dos componentes BLE Mesh mais econômicos também possui duas dimensões: o silício e seu software. O silício é o módulo sistema no chip (SoC) ou sistema no pacote (SiP), e o software são as ferramentas de desenvolvimento que os acompanham.

Com a interoperabilidade como a razão de ser Para os padrões, o requisito fundamental ao selecionar os componentes BLE Mesh é a conformidade certificada com os padrões Bluetooth SIG. Isso se aplica igualmente ao silício e ao software, incluindo as pilhas completas do protocolo Bluetooth BR / EDR e BLE Mesh e todas as bibliotecas pertinentes. O uso de SoCs, SiPs e outros componentes certificados pelo Bluetooth SIG elimina a necessidade de engenheiros de projeto realizarem testes rigorosos de qualificação e interoperabilidade.

No momento da redação deste documento, a certificação está disponível para a versão 5.0 das especificações principais do Bluetooth e para a versão 1.0 das especificações do BLE Mesh. A versão 2.0 das especificações do BLE Mesh deve ser publicada em 2020.

Ao escolher uma plataforma BLE Mesh, os engenheiros de design devem procurar uma solução que atenda a maioria ou todos os seguintes critérios:

  • Uma família de módulos para acomodar diferentes necessidades – desde o sensor básico alimentado por bateria até os dispositivos mais sofisticados que podem ser necessários agora e no futuro próximo.
  • Módulos totalmente integrados que minimizam a necessidade de componentes externos, aceleram o tempo de colocação no mercado e reduzem os custos de desenvolvimento e fabricação.
  • Projetos de potência ultra baixa com os tipos de antenas e potências de transmissão necessárias para acomodar todas as distâncias previstas de nó a nó.
  • CPU, memória (flash e RAM) e E / S adequadas para todos os aplicativos e atualizações previsíveis.

Para aplicativos em que a rede BLE Mesh pode precisar se comunicar com uma rede Wi-Fi, será necessária alguma forma de funcionalidade de gateway. Por exemplo, um sistema de segurança doméstica pode ser usado para ligar ou desligar determinadas luzes para simular pessoas que estão em casa ou ser desativado com um código autorizado. Nessas situações, um módulo combinado SoC ou SiP que suporta redes Wi-Fi e BLE simplifica o esforço de design.

Como o ambiente de desenvolvimento de software, as ferramentas e as bibliotecas são tão importantes quanto o silício, procure encontrar uma solução que atenda à maioria ou a todos os seguintes critérios:

  • Um ambiente de desenvolvimento integrado (IDE) fácil de usar que abstrai a complexidade dos protocolos subjacentes
  • Kits de desenvolvimento de software (SDKs), software de amostra, hardware de prototipagem e uma comunidade de desenvolvedores para ajudar nos esforços de desenvolvimento e teste de software
  • Projetos de software de referência para aplicativos de controle em execução nos sistemas operacionais Android, iOS, Linux e Windows

O Bluetooth já é onipresente em aplicativos de “rede de área pessoal”, e o advento do BLE Mesh expande significativamente a escala e o escopo dos possíveis casos de uso desse protocolo popular. A combinação de escalabilidade praticamente ilimitada e alta resiliência oferecida pela rede BLE Mesh agora permite que os aplicativos Bluetooth abranjam edifícios, campi e até cidades inteiras. Embora o aplicativo de iluminação inteligente usado aqui sirva como um bom exemplo, os possíveis casos de uso do BLE Mesh são limitados apenas pela imaginação.

Sua onipresença também oferece ao Bluetooth outra vantagem importante: a disponibilidade de técnicas, ferramentas e software comprovados necessários para o desenvolvimento de novos produtos. Os engenheiros de hardware e software interessados ​​em aprender mais sobre esses recursos são incentivados a revisar os documentos e links listados na seção Referências abaixo.

Os muitos recursos disponíveis agora facilitam o início do BLE Mesh. Projetos de prova de conceito podem ser criados de forma rápida e acessível, usando placas de avaliação, IDEs e SDKs de baixo custo. Um avanço sólido também pode estar disponível no software de aplicativo de amostra de código aberto ou fornecido pelo fornecedor. Como fornecedora líder de silício e software com certificação Bluetooth, a Cypress Semiconductor fornece uma variedade de recursos em www.cypress.com/products/ble-bluetooth.

Ao oferecer um enorme potencial positivo com risco mínimo negativo e um curto tempo de colocação no mercado, o BLE Mesh está destinado a se tornar a rede de escolha para um número crescente de aplicações residenciais, comerciais e industriais.

Brian Bedrosian é vice-presidente de marketing da unidade de negócios de computação e sem fio da IoT da Cypress Semiconductor.

Referências

Rede de malha Bluetooth – Uma introdução para desenvolvedores

Bluetooth-Mesh-pavimentando o caminho para a iluminação inteligente

Especificações do BLE Mesh: https://www.bluetooth.com/specifications/mesh-specifications

Introdução ao Bluetooth Mesh (AppNote AN227069)

cupom com desconto - o melhor site de cupom de desconto cupomcomdesconto.com.br