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Bluetooth-5.0-Mesh-Modul, entwickelt nach Kundenwunsch

| Autor / Redakteur: Joachim Strohschenk * / Margit Kuther

Entwickler können nur dann wirklich pfiffige Produkte kreieren, wenn sie die Wünsche der Anwender kennen. Distributor CODICO weiß um diese und entwickelte mit OSB ein flexibles Bluetooth-5.0-Mesh-Modul.

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OSB DA14585: Winzling für batteriebetriebene Anwendungen.
OSB DA14585: Winzling für batteriebetriebene Anwendungen.
(Bild: OSB AG)

Seit Sommer 2017 ist für Bluetooth Low Energy (BLE 4.x) eine Mesh-Option verfügbar. Im Gegensatz zum gängigen, für Datenstreaming ausgelegten Bluetooth Classic (BL 1-3), wurde Bluetooth Low Energy auf eine unregelmäßige, paketierte Kommunikation bei geringen Bandbreiten optimiert und ist daher ideal für die Übertragung von Mess- und Kontrollinformationen. Bluetooth Low Energy ist nicht rückwärtskompatibel zu BL Classic (BL 1-3).

Die meisten Bluetooth-LE-Geräte kommunizieren in einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung, die eine direkte Kommunikation von einem Gerät zu einem anderen Gerät ermöglicht. Master-Slave-Verbindungen kommen bei einer BLE-Verbindung am häufigsten vor. In einer Master-Slave-Topologie kann sich ein BLE-Master mit mehreren Slave-Geräten vernetzen (One to Many), wogegen ein Slave sich nur mit einem Master verbinden kann. Dies eignet sich gut für kleine, asymmetrische Netzwerke, aber weniger für die Vernetzung vieler Geräte in einem lokalen Netzwerk.

Many-to-Many-Kommunikation im Bluetooth Mesh

Im Gegensatz zu einer One-to-Many-Verbindung bei Bluetooth Low Energy kann in einem BLE-Mesh-Netzwerk jedes Gerät mit jedem anderen Gerät im Netzwerk kommunizieren (Many-to-Many). Die wichtigsten zwei Funktionen im BLE-Mesh-Netzwerk sind ein Nachrichtenspeicher in den Knoten (Nodes) und ein Zähler für die „Lebenszeit“ der Nachricht. Jeder Funkknoten im BLE-Netzwerk speichert empfangene Nachrichten in einer Liste. Wird eine Nachricht empfangen, so wird diese im Knoten mit denen in der Liste gespeicherten Nachrichten verglichen. Nur wenn ein Knoten die Nachricht nicht in seinem Speicher findet, wird die Nachricht auch gesendet und somit weitergeleitet. Dadurch wird ein wiederholtes Senden der Nachricht vermieden.

Mit dem Lebenszeit-Zähler, im Bluetooth-Mesh-Standard als „time to live“ (TTL) bezeichnet, kann man die Anzahl der Weiterleitungen limitieren. Der Wert des Zählers kann vom Erzeuger der Nachricht auf maximal 127 eingestellt werden und wird von jedem BLE-Knoten, durch den sie weitergereicht wird, um den Wert 1 reduziert, wenn er die Nachricht sendet. In der Vergangenheit gab es nur reine BLE-Radio-Module oder BLE-Module, für die der Kunde die Basisfunktionen noch selber schreiben musste.

Was Nutzer von einem BLE-5.0-Modul erwarten

Nicht alle Kunden von CODICO wollen einen zusätzlichen Controller für ihre Applikationen verwenden, sondern, wenn möglich, den Mikrocontroller aus dem BLE-Modul mitbenutzen. Doch dies scheiterte oft an der Speichergröße. Weitere Kundenwünsche waren: Die Modul-Bauform sollte äußerst kompakt sein, aber immer noch handhabbar für eine optimale und komfortable Integration in die Hardware. Desweiteren sollte die Modul-Firmware „Plug and Play“ beherrschen, also ohne aufwendige Software-Entwicklungsaktivitäten einen schnellen Zugriff auf alle Bluetooth-5.0-Mesh-Funktionen ermöglichen. Die Modul-Firmware sollte jederzeit ein schnelles „Software Update Over-the-Air“ ermöglichen.

In enger Zusammenarbeit des internationalen Design-In-Distributionsunternehmens CODICO und OSB Innovations & Products, einem Engineering- und IT-Dienstleister für maßgeschneiderte Kundenlösungen, wurde ein Modul entwickelt, das alle zuvor genannten Anforderungen erfüllt und eine Vielzahl zusätzlicher Funktionen mitbringt. Herausgekommen ist das Funkmodul OSB DA14585, welches in Übereinstimmung mit der Bluetooth-Spezifikation 5.0 LE entwickelt und auf dem „System on Chip“-Baustein DA14585 von Dialog basiert.

Das Modul wird mit dem Bluetooth 5.0 LE-Stack, einem „Embedded KI OS“ und einer umfassenden Demo App geliefert, so dass es „Plug and Play“ verwendet werden kann. Das Funkmodul OSB DA14585 ermöglicht eine Datenrate von bis zu 2 MBit/s Master zu Slave (1 MBit/s Slave zu Slave), mit einer Reichweite von 90 m im freien Feld. Durch die Mesh-Topologie der Module lassen sich beliebig große Entfernungen überwinden.

OSB DA14585 integriert bis 4000 Knoten in ein Mesh-Netz

Der Modul-Algorithmus verbessert die Verbindungsstabilität des Moduls in Umgebungen, in denen schon eine Vielzahl von Produkten im 2,4-GHz-Band senden. Darüber hinaus ermöglichen neue „Low Energy Extensions“ das Versenden wesentlich größerer Datenmengen, was es besonders für Beacon- und Mesh-Anwendungen prädestiniert. Im Gegensatz zu den meisten am Markt befindlichen Bluetooth-5.0-Modulen, die nicht mehr als 64-Mesh-Knoten verbinden, kann das OSB DA14585 mehr als 4000 Knoten in ein Mesh-Netzwerk integrieren.

Das BLE-Modul mit der „Embedded KI OS“ aus der Produktreihe „Swarm Intelligent Network“ von OSB Innovations & Products ermöglicht den Zugriff auf neue Technologien, die bislang in diesem Preissegment nicht denkbar erschienen. So kann das „Embedded KI OS“ die Rechenleistung und die Speicher der im BLE-Mesh verbunden Module zusammenfassen.

Bei einem Netzwerk von zum Beispiel zwölf „Smart BLE 5.0 Mesh“-Modulen entsteht so ein virtuelles System mit einer Rechenleistung von zwölf ARM-Cortex-M0-Prozessoren mit 12 MB Flash. Eine Verbindung zwischen einem Modul und Android oder iOS-Gerät kann mit einer Datenrate von 2 MBit aufgebaut werden, bei einem Mesh-Netzwerk mit 4000 Knoten werden 1 MBit von Slave to Slave erreicht. Eine Mesh-Networking-Background-Repeater-Funktion für andere Module ist integriert, ebenso eine nicht alltägliche Funktion, die die Module im Mesh-Netzwerk versteckt (Hidden-Mesh-Netzwerkfunktion).

OSB DA14585 eignet sich für batteriebetriebene Geräte

Bluetooth-5.0-Funkmodul : Die integrierte KI-Software ermöglicht Plug-&-Play-Funktionen wie 2 MBit Vollduplex-Telnet-Verbindung.
Bluetooth-5.0-Funkmodul : Die integrierte KI-Software ermöglicht Plug-&-Play-Funktionen wie 2 MBit Vollduplex-Telnet-Verbindung.
(Bild: OSB AG)

Der Encrypted Communication Stack und die Echtzeit-Audioübertragungsfunktion sind in der aktuellen Firmware integriert, wie die Möglichkeit der genauen Positionsortung über die „OSB Mesh Antenna Grid“ Funktion der „Embedded KI OS“. Auf dem ARM Cortex-M0 Controller (16 MHz, 32 Bit) und dem zusätzlichen 1 MB Flash kann der Kunde seine Applikation laufen lassen und/oder die Funktionen der integrierten Firmware nutzen, die weiter ausgebaut werden und per Over-the-Air Funktion auf das Modul gespielt werden kann.

Die Ausgangsleistung von bis zu 0 dBm und die hohe Empfindlichkeit -93 dBM des Moduls sowie die Möglichkeit der Nachrichtenweiterleitung über 4000 Knoten, macht dieses sehr attraktiv für Anwendungen, bei denen eine große Reichweite erforderlich ist. Die gleichzeitig extrem niedrige Stromaufnahme des Smart-Bluetooth-5.0-LE-Mesh-Moduls OSB DA14585 prädestiniert dieses für batteriebetriebene Geräte. Verschiedene Sleep-Modi können verwendet werden, um den Stromverbrauch zu minimieren und die Lebensdauer der Batterie zu verlängern.

Flexibilität dank gehosteter und Standalone-Betriebsart

Um maximale Flexibilität zu gewährleisten, kann das Modul sowohl im gehosteten (mit einem externen Mikrocontroller) als auch im Standalone-Modus betrieben werden. Im Standalone-Modus ist kein externer Prozessor erforderlich, was Komplexität, Platz und Kosten spart. Einfache Funktionen wie das Schalten oder Abfragen von IOs, die Wiedergabe von Audiosignalen aus dem Flash-Speicher, die Mesh-Funktion inklusive der „Hidden Mesh“-Netzwerkfunktion sind in der Firmware bereits integriert. Die ansonsten gängigen Funktionen wie verschlüsselte Kommunikation, Over-the-Air Software und Applikations-Update sowie Schnittstellen wie I2C, SPI+, UART, 14 GPIOs, 4 ADC (10 Bit), PWM-Audio-Ausgang sind beim Modul OSB DA14585 selbstverständlich verfügbar – genauso wie Audioübertragung in Echtzeit oder verzögert und eine 2D-relative-Geo-Positionierungsfunktion sowie die Möglichkeit, das Modul als Beacon zu verwenden.

Qualität: Die Module entsprechen ETSI EN 300 328 und EN 300 440 Klasse 2 (Europa), FCC CFR47 Teil 15 (USA) und ARIB STDT66 (Japan).
Qualität: Die Module entsprechen ETSI EN 300 328 und EN 300 440 Klasse 2 (Europa), FCC CFR47 Teil 15 (USA) und ARIB STDT66 (Japan).
(Bild: OSB AG)

Das Smart-Bluetooth-5.0-LE-Mesh-Modul OSB DA14585 eignet sich bestens für Anwendungen wie Fernbedienungen, medizinische Geräte, Smart Home Applikationen oder Virtual Reality Controller – Applikationen mit extrem geringem Stromverbrauch und hoher Datenrate.

Das Modul entspricht den Vorgaben von Bluetooth 5.0, ETSI EN 300 328 und EN 300 440 Klasse 2 (Europa), FCC CFR47 Teil 15 (USA) und ARIB STDT66 (Japan). Es verfügt über eine SWD-Schnittstelle sowie eine integrierte PCB-Antenne. Das OSB-DA1458- Modul ist ebenso wie ein Evaluation-Board, das Kunden das Testen des Moduls und seiner Funktionen erleichtern soll, bei CODICO ab Lager verfügbar.

Dieser Beitrag ist erschienen im Sonderheft Embedded Systems Development und Internet of Things I der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF)

* Joachim Strohschenk ist Product Manager bei CODICO

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