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蓝牙Mesh设计讲座(五):自研还是选择模组?

时间:2020-02-25 作者:Cypress 阅读:
本系列讲座的前四篇文章,从总体上介绍了蓝牙Mesh及其应用选型。今天是本系列文章的最后一篇,我们将探讨产品设计中应使用自研方式还是模组方式。

本系列讲座的前四篇文章,从总体上介绍了蓝牙Mesh及其应用选型。今天是本系列文章的最后一篇,我们将探讨产品设计中应使用自研方式还是模组方式。kEbEETC-电子工程专辑

英文原文链接:https://www.embedded.com/designing-with-bluetooth-mesh-chip-or-module/ kEbEETC-电子工程专辑

使用自研还是模组,事关产品的设计周期和质量。蓝牙Mesh是采用无线连接技术把以前通过有线连接、或根本未联网的设备连接到物联网的技术。以电灯泡为例,在过去,大部分家居灯泡产品均采用墙壁开关进行控制,如果客户需要带有蓝牙Mesh的灯泡和家庭其他设备互联互通,传统灯泡制造商就需要掌握蓝牙Mesh以及与无线技术相关的专业知识,才能提供客户合格的产品。kEbEETC-电子工程专辑

对没有无线产品研发经验的制造商来说,将会面临着这样的抉择:要么加大研发投资,培养自己的无线技术研发实力;要么购买第三方蓝牙Mesh模组来配合灯泡,完成无线控制。下面的章节将探讨无线产品的复杂性,并针对应该选择模组还是自行研发进行讨论。kEbEETC-电子工程专辑

在为产品添加蓝牙Mesh功能时,产品的成本与复杂程度会受到电路板设计复杂性、产品认证、蓝牙认证等众多因素影响,下面逐一进行讲解。kEbEETC-电子工程专辑

使用自研方式设计蓝牙Mesh产品

设计蓝牙Mesh电路,需要RF(射频)电路设计的专业知识。具体而言,蓝牙Mesh需要设计天线,匹配天线网络,电路板设计的复杂性会增加。要实现良好的天线增益,需要专业的天线设计,并计算天线与地平面的间隙,还需要布置去耦电容,对电源进行滤波。kEbEETC-电子工程专辑

PCB布线对系统的稳定性也至关重要,务必要确保这些电路不会干扰天线性能。时钟/晶振也需要特别关注,任何频率漂移都可能导致无线通信丢包,影响无线数据传输的吞吐量,降低系统效率。kEbEETC-电子工程专辑

要处理所有这些复杂问题,需要经验丰富的RF电路设计工程师。由于对专业技能的要求很高,一个RF工程师成本不菲。此外,电路板可能需要反复进行设计测试,这也会加大研发费用。kEbEETC-电子工程专辑

电路板设计之后的下一个挑战是如何满足合规认证要求。根据销售地所在国家的无线电规范要求,每个蓝牙Mesh产品都需要通过一项或多项RF合规认证。这些认证的目的是确保该设备辐射水平在可接受的范围之内,同时其工作频率不会落入当地禁用频段内。kEbEETC-电子工程专辑

基本上每个国家都有自己的RF合规认证机构。要在美国销售蓝牙Mesh产品,产品需要通过联邦通信委员会(FCC)的认证。在欧洲,产品必须取得欧盟合规(CE)认证。日本需要获得总务省(MIC)认证,而加拿大则要求获得ISED(Innovation, Science and Economic Development)认证,即过去的Industry Canada(IC)认证。kEbEETC-电子工程专辑

如果产品符合这四个合规认证对RF的要求,就基本能符合其他国家的无线电合规要求。然而,这四项认证中的每一项都需要事先进行大量的测试和整改,测试将在这些合规机构批准的实验室中进行,无论是认证通过还是认证失败,实验室都会收取测试费用。如果电路板未通过认证,那么就需要对电路板或者元件进行改动,然后再进行测试。对于蓝牙Mesh产品而言,如果能一次性通过认证测试,认证成本在20,000美元以上。除了认证成本以外,每轮认证测试过程中所花费的时间都可能会影响产品发布时间。在竞争激烈的市场上,产品投放速度是成功的要诀。kEbEETC-电子工程专辑

蓝牙Mesh产品只有在通过蓝牙技术联盟认证后,才能使用蓝牙商标。产品认证是为了确保该产品能够与其他蓝牙Mesh产品进行互操作。此外,还需要对蓝牙Mesh产品做声明并进入产品列表,才可以确保产品能够合法使用蓝牙品牌名称、并可以作为蓝牙Mesh产品销售。kEbEETC-电子工程专辑

使用模组来设计蓝牙Mesh产品

在我们深入探讨在系统设计中使用模组的优劣之前,让我们先快速回顾一下什么是模组以及模组的作用。模组一般按大小、天线类型和成本划分,以电路板形式提供。模组集成了大部分或者全部蓝牙Mesh产品运行所需的关键元件,同时实现应用所需的性能。使用模组可避免RF设计的复杂性。相对于COB自研的解决方案,使用模组会产生额外费用。但如果缺乏RF专业能力,使用模组是让原有产品添加蓝牙Mesh功能最快速简单的方式。kEbEETC-电子工程专辑

使用模组的最大优势在于,系统设计人员不了解RF的知识也可以设计出满足无线需求的终端产品,无线模组在很多行业内非常普遍。简言之,使用模组的好处是不必前期投资RF研发,系统设计人员就能充分利用模组制造商的专业产品研发带无线功能产品的系统。kEbEETC-电子工程专辑

值得一提的是,有些模组是已经通过各国认证的产品,免去了获得所需合规认证的麻烦和成本。对于某些设计而言,电路板布局或元件的改动就需要从头开始再进行认证。kEbEETC-电子工程专辑

在模组与自研方式间抉择

从研发和认证的角度来看,模组对于所有应用都富有吸引力。不足之处在于,相对于自研而言,模组的成本较高。传统上,制造商通常使用盈亏平衡分析法来选择是外购还是自研。这个指标是将模组电路板及元器件之外的成本增加与内部培养专业工程师所需的时间和资金投入做比较。kEbEETC-电子工程专辑

鉴于内部培养专业工程师的难度以及各种成本上的考量,产量在25万件的范围内,使用蓝牙Mesh模组优势会非常显著。对于更高产量的产品来说,培养专业人才自研的方式性价比会更高。kEbEETC-电子工程专辑

然而,对于众多制造商而言,价格并不是唯一的衡量标准。总体而言,在较复杂或需要某些专业认证的系统中,他们更倾向于使用模组。制造商倾向于将工程资源集中用于实现本公司主营产品系统研发上。此外,在产品设计当中需要考虑未来产品升级到无线连接的功能需求,以及如何推进电路板后续继承问题与再认证问题等。kEbEETC-电子工程专辑

对于一个新产品,或者产量难以估计的产品,使用模组是一个不错的选择。这样可以降低前期研发投入,如果产量上升,则可以转而采用自研方式。如果您就有未来转为自研的打算,在系统设计时,要考虑模组的尺寸、位置等利于自研的相关因素。kEbEETC-电子工程专辑

如果蓝牙Mesh IC和模组是由不同厂商提供的,那么自研替代就可能需要不同的开发工具及固件,这会增大软件开发的复杂程度。选择能够同时制造IC和模组的厂家是明智的做法。在大多数情况下,这样做也有利于保证自研方案与模组方案使用相同的开发工具和软件开发套件。因此,无需对固件进行任何修改就可完成模组替代。这样做之后,只需要对电路板进行微调和重新认证即可,从而降低产品成本。kEbEETC-电子工程专辑

赛普拉斯可提供多种PCB尺寸和天线的IC与模组,支持使用同一开发工具进行自研开发和模组配合开发,这有利于后期进行模组替代。以赛普拉斯的蓝牙Mesh器件CYW20819为例,下表所示为该器件与其对应模组的对比。kEbEETC-电子工程专辑

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如表中所示,IC和模组都由相同的SDK和IDE支持,不必对固件进行额外研发,就能轻松地在模组和自研模块之间进行切换。与此同时,该模组支持所有IC的所有功能,并可提供集成晶振与天线,以及合规认证。kEbEETC-电子工程专辑

认证模组可以作为每个蓝牙Mesh产品的起点,在产量不足25万件时,与自研设计相比,模组解决方案有望拥有更高性价比。在大产量下,自研的设计成本效益更优,但需要具备高水平的工程师技术人员或付出高昂的外包成本。如果从模组起步,则应该选择可被自研替代pin to pin兼容的模组。kEbEETC-电子工程专辑

本系列设计讲座今天就介绍完了。kEbEETC-电子工程专辑

系列讲座的其它内容,可以访问以下链接

蓝牙Mesh设计讲座(一):节点与功能类型kEbEETC-电子工程专辑

蓝牙Mesh设计讲座(二):节点通信kEbEETC-电子工程专辑

蓝牙Mesh设计讲座(三):隐私与安全kEbEETC-电子工程专辑

蓝牙Mesh设计讲座(四):器件要求kEbEETC-电子工程专辑

蓝牙Mesh设计讲座(五):自研还是选择模组? kEbEETC-电子工程专辑

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