蓝牙Mesh设计讲座（四）：器件要求-电子工程专辑

 在本系列的前几篇文章中，我们讨论了什么是蓝牙Mesh（第1部分）、Mesh工作方式（第2部分）以及如何保障Mesh网络的隐私与安全（第3部分）。蓝牙Mesh的各项功能使其成为一种具有互操作性的安全低功耗网络。

在本系列的前几篇文章中，我们讨论了什么是蓝牙Mesh（第1部分）、Mesh工作方式（第2部分）以及如何保障Mesh网络的隐私与安全（第3部分）。蓝牙Mesh的各项功能使其成为一种具有互操作性的安全低功耗网络。

英文原文链接：https://www.embedded.com/designing-with-bluetooth-mesh-device-requirements/

不可否认，这些特性使蓝牙Mesh方案的实现略显复杂。如果让系统设计人员从头处理所有这些复杂问题，那么推出一款产品需要耗费数百人年的工作量。除此之外，物联网应用类型极为丰富多样，针对每种应用需要不同的外设功能与CPU处理能力，例如，如果您在设计智能家居产品，有些可能采用电池供电，有些采用交流电源供电，有些需要处理模拟信号，有些需要强大的处理能力和大量数字外设接口。

对于系统开发来说，固件开发需要的时间最长，工作量最大。尽管工程师设计的系统各不相同，如果使用同一芯片，那么其中一些固件还是可以重复使用的。基于此，工程师为首款产品评估选择器件/平台时，往往非常谨慎和严格，以便后续产品能最大限度地重复使用IP和现有固件。在本文中我们将讨论，在为蓝牙Mesh应用选择芯片平台时，必须考虑的几个关键因素。

整体来说，蓝牙Mesh应用开发和部署需要三个关键组成部分：

硬件

软件/固件

移动设备APP

硬件

在选择蓝牙Mesh产品平台时，首要的步骤是了解平台器件的现在和未来，在选择器件时应做长期考虑。举个例子，图1是智能家居系统的示例。

图1 使用蓝牙Mesh的智能家居系统示例。

正如您所看到的，这个网络中有各种设备，包括灯泡、风扇、温控器和百叶窗控制器。现实中的智能家居系统可以使用类型更丰富的蓝牙Mesh产品，如开关、调光器、人体感应器、喷灌控制器等。如果您正在设计智能家居产品，您需要设计出符合所有这些用途的系统平台。因此，即使您只是在开发智能开关应用，您仍然需要审视其他产品，为其他产品设计留有余量。

每种这样的应用都有不同的设计要求，楼宇自动化等其他领域也存在相同的情况。所以，您的设计应采用一种能够满足大多数应用需求的平台。此外，您应该能够根据应用需求调整或裁剪原有固件，而不必从头开始新的设计。

在选择蓝牙Mesh平台芯片前，首先应该深入了解芯片的规格与特性。

发射功率与接收灵敏度。对于无线设备而言，最重要的指标之一是发射功率与接收灵敏度。发射功率与接收灵敏度决定了设备的链路预算，以及设备与网络中其他节点间的通信距离。虽然蓝牙Mesh旨在拓展网络的覆盖范围，但发射功率与接收灵敏度决定了网络中各节点间的通信距离。

正如我们前文提到的，不同的产品功能需求都不同，因此芯片的需求会随着应用的变化而改变。此外，提供较高的发射功率也会增大电流消耗。对于电池供电的应用场景，可能需要限制发射功率，才能降低功耗、延长电池续航时间。例如，温度和湿度传感器、智能开关等应用通常采用电池供电，使用较低发射功率会更加理想。另一方面，交流电源供电应用能够支持更高的发射功率，从而拓展网络覆盖范围。因此，对于交流电源供电应用而言，能够支持高达10dBm发射功率的器件是一个不错的选择。

具备Mesh功能的器件应该既要能够支持电池供电应用所要求的较低发射功率，也要支持交流电源供电应用所要求的较高发射功率，能够提供不同的发射功率选项的同系列芯片是明智的做法。这样您只需对BOM进行修改，而无需对电路板布局进行任何更改，便于简化新产品设计，加快产品上市进程。

芯片可以集成功率放大器（IPA）达到更远的传输距离。但采用IPA会产生额外的成本。为了降低BOM成本，针对电池供电应用，可以采用pin to pin引脚兼容、但发射功率较低的低成本器件（如果有这种器件可供选择）。例如，为满足这一需求，赛普拉斯同时提供支持+4dBm发射功率的 CYW20819和支持最高达+10dBm发射功率的 CYW20820。两者采用引脚兼容的封装，并提供相同的功能集。

功耗。无论是交流电源供电还是电池供电，任何产品必须仔细考虑功耗问题。为了提高产品的环保性，监管机构不断施压，要求降低功耗，甚至对交流电源供电设备也不例外。如果产品不符合规定的功耗要求，就可能无法出售。

在考虑设备功耗时，必须考量多种因素。首先是收发过程中产生的无线电功耗。大多数蓝牙Mesh节点持续地扫描数据包。因此，这些设备几乎全部时间处于接收模式下，接收器功耗成为最重要的考量参数之一。

对于用作中继器、对收到的消息进行转发的Mesh设备来说，发射功耗是另一大重要指标。我们必须在器件的最大发射功率下考量发射功耗，有些器件在较低的发射功率下性能更佳，但在较高的发射功率下则不然。

芯片厂商的产品会支持不同的低功耗模式，我们需要理解哪种模式是自己的应用所需要的，这样才能根据器件处于常规工作模式和低功耗模式的时间，准确估算系统的平均功耗。

处理能力。一般来说，选择处理能力强的器件是正确做法。例如，LED灯泡之类的应用可能需要根据用户需求快速处理和改变LED状态（开/关或改变颜色）。由于设备在低功耗模式下功耗最低，使用速度较快的CPU能迅速完成处理工作。这样，设备处于休眠模式的时间就更长，从而降低总体平均功耗。

存储。可根据特定的应用选择闪存和RAM容量。找到能灵活使用存储器空间的产品系列十分关键。Mesh设计方案应该能够在使用不同存储器空间的设备之间移植应用代码，无需花费额外的精力，这样便于为存储器需求较低的应用选择较低成本的器件。此外，部分器件使用ROM来存储蓝牙协议栈和外设驱动程序，这样可以将闪存释放给应用程序使用。总起来看，同时拥有内部ROM和闪存的器件更加适合蓝牙Mesh产品。

外设。正如前文所提及的，不同应用可能需要不同的外设。例如，智能灯泡可能需要三、四个脉冲宽度调制器（PWM）用于RGB/RGBW LED的控制，一个数模转换器（ADC）用于温度测量（使用热敏电阻器），以及一个I2C接口用作无源红外（PIR）传感器控制器接口；自动调温器需要ADC和电源管理模块，以支持低功耗模式。在选择平台时，要针对所有应用列出可能的外设需求，以便找出最符合要求的器件。

芯片温度范围。因为LED和AC-DC子系统的高功率热耗散，照明之类的应用需要支持宽温度范围（最高+105°C），因此，应选择能够为产品同时提供工业温度级别和宽温度范围的芯片。

软件/固件

软件极其重要，必须认真考虑。这里的软件不仅仅指IDE和工具链，也包括底层的软件开发套件（SDK）。IDE必须易于使用，比如基于Eclipse的IDE。

需要特别关注SDK。蓝牙Mesh有多种模式和节点类型。具体使用哪种模式和节点类型取决于具体应用。要使终端产品通过蓝牙技术联盟(Bluetooth Special Interest Group，SIG)的蓝牙Mesh认证，底层的模式和节点类型也必须通过认证（一些器件厂商并未通过所有的蓝牙Mesh模式认证和节点类型认证）。如果应用所需的模式未经认证，终端产品开发者需要负责完成整个认证流程。这就要求开发者必须深入了解蓝牙Mesh技术规范，并投入额外的资金与时间通过SIG认证流程。Mesh芯片厂商理应负责解决这一复杂问题，并提供完全通过蓝牙Mesh认证的解决方案。因此，在为您的蓝牙Mesh应用选择芯片平台前，应查阅蓝牙SIG网站，了解准备选用的芯片通过了哪些Mesh模式认证和节点认证。

在确认器件支持所有Mesh模式和节点类型后，应尽量找出可用的参考示例代码。示例代码可让您事半功倍。