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Diseño de referencia de conexión inteligente Bluetooth®

Simplificando el desarrollo de la tecnología Smart Home con una solución de conexión inteligente lista para el Mercado.

Los productos para Smart Home utilizan una amplia gama de tecnologías de radio de banda ISM de baja potencia, muchas de las cuales dependen de una solución de pasarela o gateway para darles acceso a Internet. Sin la pasarela no es posible el soporte para el acceso y control a través de aplicaciones para teléfonos inteligentes y tablets. Los recientes cambios en el estándar Bluetooth® han aumentado el alcance radio de la tecnología, a la vez que incorporan funcionalidad de malla, haciendo que esta tecnología de radio nativa para teléfonos inteligentes sea atractiva para los desarrolladores de aplicaciones Smart Home. Una buena interoperabilidad, junto con un excelente conocimiento del consumidor para la marca Bluetooth®, garantiza que los productos habilitados para Bluetooth® tendrán una aceptación positiva en el mercado. Sin embargo, esto también exige que los consumidores tengan una forma fácil de desarrollar una red de malla Bluetooth® dentro de su hogar que garantice la cobertura necesaria para que el sistema sea útil. En este artículo técnico, veremos un diseño de referencia para una conexión Smart Plug habilitada para malla Bluetooth® que se puede usar para adaptar la funcionalidad Smart Home a los electrodomésticos existentes. También proporciona a los consumidores un método para crear una red troncal de comunicaciones Smart Home.

Una tecnología bien conocida por los consumidores

De sobra conocida por su uso en aplicaciones de audio, como auriculares o kits de manos libres para automóvil, el protocolo inalámbrico Bluetooth® es una función bien establecida entre los consumidores. Las incorporaciones recientes al estándar, como las redes en malla, tienen capacidades adicionales que la llevarán más allá del dominio típico PAN (red de área personal), lo que la hace ideal para aplicaciones Smart Home. Los gobiernos de todo el mundo están buscando concienciar a sus ciudadanos sobre su consumo personal de energía. Este esfuerzo es paralelo a guiar a los consumidores a comprar electrodomésticos que sean más eficientes desde el punto de vista energético. El siguiente paso es permitirles controlar y mejorar fácilmente su consumo de energía. Según un informe de la AIE en 2014, los edificios representan actualmente el 40% del consumo de energía primaria en la mayoría de los países.

En una simulación realizada por Siemens, en asociación con la Universidad de Ciencias Aplicadas y Artes de Lucerna, concluyeron que se podía lograr un ahorro de energía de hasta un 30% sin una reducción de la comodidad. Los productos Smart Home permitirán la supervisión y el control necesarios. Para que cualquier plataforma Smart Home sea útil, requiere una masa crítica de nodos alrededor del hogar para proporcionar suficiente cobertura. Idealmente, la tecnología de radio debe proporcionar una vida útil prolongada de la batería junto con un rango suficiente por nodo, de modo que no se necesiten dispositivos repetidores simplemente para llenar áreas de baja cobertura. Smart Home ya tiene una amplia gama de aplicaciones que podrían utilizar Bluetooth como su tecnología radio, que incluye:

  • Monitorización de energía: mida el consumo de energía de los electrodomésticos e incluso contrólelos a distancia manualmente o mediante un temporizador.
  • Calefacción, aire acondicionado y ventilación: monitorice la temperatura y configure los ajustes de manera remota para calentar y enfriar la casa de manera óptima.
  • Iluminación: controle la intensidad e incluso el color de la iluminación individual y las lámparas.
  • Estado de los consumibles: verifique el estado de la sal del lavavajillas y del líquido limpiador, o el depósito de agua y el recipiente de café de una cafetera.

Requisitos para un chipset adecuado

La funcionalidad de red de malla de Bluetooth se basa en la tecnología Bluetooth Low Energy (BLE) disponible en cada dispositivo móvil comercializado desde 2012. Mientras que muchos electrodomésticos están conectados a una fuente de alimentación, hay otros productos Smart Home, como sensores y termostatos, que tiene una batería como fuente de energía. Esta idoneidad para aplicaciones tanto auto-alimentadas como a batería, contribuirá al éxito de las redes de malla basadas en Bluetooth en el hogar. Muchas soluciones System-on- Chip (SoC) en este espacio se centrarán únicamente en el rendimiento de bajo consumo de su conjunto de chips, pero hay muchos factores adicionales a considerar cuando se elige un dispositivo apropiado como plataforma alrededor de la cual girarán varias aplicaciones Smart Home que deben desarrollarse, tanto auto-alimentadas como a baterías. Estas incluyen soporte para el PHY codificado más reciente, que ofrece áreas de línea de visión (LoS) de más de 1 km y Bluetooth Mesh 1.0. Con el fin de admitir una amplia gama de aplicaciones y sus características, una solución programable ocupa un lugar destacado en la lista de necesidades. Esto permite que el dispositivo Bluetooth se personalice para satisfacer las necesidades de la mayoría de los productos Smart Home con algunas demandas básicas de detección y control. También es importante el diseño del circuito alrededor de la antena. Un bajo número de componentes de la lista de materiales (BOM) es esencial para la producción masiva, ahorrando espacio en la PCB.

Para simplificar el diseño de los productos Bluetooth Smart Home, Toshiba ha desarrollado su diseño de referencia Smart Plug, un diseño listo para el mercado que también se puede adaptar y personalizar a las necesidades de otras aplicaciones. Diseñado para adaptarse al factor de forma de un conector Schuko, el diseño de referencia demuestra cómo de compacta puede ser una solución de medición de energía y control de potencia con Bluetooth. El núcleo del diseño es el TC35678, un avanzado dispositivo de tecnología RFCMOS de 65nm creado con aplicaciones de baja potencia en mente. El consumo máximo de corriente, que se produce durante el intercambio de datos, se sitúa en solo 3,3 mA, mientras que la corriente en reposo máxima es de solo 50 nA. El dispositivo presenta un ARM® Cortex®-M0 que permite a los desarrolladores agregar su propia personalización a la aplicación de demostración si es necesario. El diseño de referencia también brinda soporte completo para todas las funciones opcionales Bluetooth LE 4.2 e incluye una de las primeras implementaciones Bluetooth® Mesh 1.0 de la industria.

Para simplificar el diseño del transceptor de RF y la antena, el circuito de adaptación completo ya está integrado en el dispositivo, lo que permite a los diseñadores reducir el número de componentes externos necesarios para completar un diseño. De hecho, la BoM generalmente se limita a solo siete componentes externos, lo que reduce el área de la placa en un 20% en comparación con las soluciones anteriores. La medición de potencia se implementa mediante un dispositivo de medición de energía de dos canales, al que se accede a través de una interfaz en serie. Las mediciones de voltaje y corriente se realizan a través de una resistencia en derivación usando un convertidor analógico a digital (ADC) Delta Sigma de 24 bits y 4º orden. Esto proporciona precisiones de medición de energía activa y reactiva de 0.1% en un rango dinámico de 4000: 1.

Si es necesario, también se admite una interfaz de usuario simple en forma de una sola entrada de botón y tres salidas que se conectan a un LED RGB. Finalmente, el relé integrado permite el control de la potencia al dispositivo conectado. También está disponible una sencilla aplicación de teléfono inteligente, donde se pueden probar varias características esperadas de Smart Home en combinación con el diseño de referencia Smart Plug. Estos incluyen el control del relé integrado, la programación de sobrecorriente y sobrecarga y la configuración del temporizador incorporado. La aplicación también puede mostrar el estado del LED. El diseño de referencia de Smart Plug ofrece varias medidas a la aplicación, como potencia activa y reactiva, voltaje y corriente RMS y factor de potencia.

Punto de partida para una línea de productos Smart Home

El diseño de referencia de Smart Plug es un punto de partida ideal para aquellos que buscan establecer rápidamente una línea de productos Smart Home en red de malla a través de una toma de conexión alimentada inteligente para los consumidores. Los archivos BoM y Gerber del diseño están disponibles y sus componentes se seleccionaron para garantizar un bajo coste para la producción en serie. El diseño también se adapta para la integración en otros electrodomésticos, como máquinas de café y dispositivos de cocina, y es fácil de integrar en aplicaciones de iluminación inteligente. En comparación con otras tecnologías inalámbricas, una malla Bluetooth no exige un control central para funcionar. En cambio, ofrece control distribuido, lo que significa que los nodos individuales pueden comunicarse entre sí de forma autónoma. Esto puede conducir a efectos de sinergia donde los sensores y los dispositivos de potencia inteligentes, como el diseño de referencia Smart Plug, pueden comunicarse directamente entre sí cuando se producen eventos de activación.

Resumen

a clave del éxito radica en la amplia aceptación de los dispositivos compatibles con la malla Bluetooth, ya que la calidad de la experiencia del consumidor mejora una vez que se establece una masa crítica de nodos en un hogar. La malla Bluetooth, basada en Bluetooth LE, simplifica la instalación y el funcionamiento de las aplicaciones Smart Home para el consumidor. Bluetooth ya es ampliamente reconocido y utilizado por los consumidores, y, según un estudio realizado por Lux Insights en 2016, el 62% de las consultas a los consumidores expresaron una preferencia por invertir en productos habilitados para Bluetooth. Las recientes mejoras adicionales a Bluetooth PHY aseguran que la cobertura dentro del hogar no sea un problema. Al decidir que Bluetooth sea la tecnología de comunicación para una gama de productos Smart Home, tanto los productos autoalimentados como los que funcionan con baterías pueden ser compatibles con una sola solución SoC. El diseño de referencia Smart Plug proporciona un punto de partida, ya sea como un producto en sí mismo, o como la base para la integración en una amplia gama de electrodomésticos, sensores y sistemas de control.

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