Bluetooth® trae su red de malla a la Internet de las cosas

La red de malla es una arquitectura clave para la Internet de las cosas (IoT). Los estándares como el IEEE804.15 ZigBee han implementado con éxito la red de malla durante los últimos veinte años en la automatización industrial. Esto significa que cada nodo de la red puede aceptar y reenviar datos a un nodo adyacente, lo cual le permite a una red escalar más fácilmente, simplemente al agregar nodos nuevos. Esto es más económico y fácil de implementar que tener que usar dispositivos de puerta de enlace o puntos de acceso adicionales que generalmente necesitan planificación más extensa para evitar las frecuencias de choque.

Bluetooth^® por comparación ha sido básicamente una conexión de punto a punto vinculada a un terminal, tal como un teléfono inteligente o un punto de acceso, como un iBeacon o Eddystone. Como tal, ha tenido mucho éxito en las tecnologías ponibles al proporcionar un vínculo de regreso a un teléfono inteligente y desde allí hacia Internet en general. Esto permitió utilizar la tecnología Bluetooth en una variedad de aplicaciones que están cada vez más conectadas directamente con Internet y está impulsando la demanda de red de malla.

Figura 1: Tener nodos conectados al nodo adyacente más cercano le permite a una red de malla extender fácilmente la variedad de dispositivos Bluetooth de una habitación a la otra.

Las versiones de Bluetooth Smart más recientes, de 4.0 en adelante, han reducido el consumo de energía radicalmente, además del tiempo de establecimiento de conexión, y también la velocidad de transmisión de datos. Esto tiene consecuencias para una red de malla, ya que la velocidad de transmisión de datos se reduce a la mitad por cada paso adicional en la red.

Sin embargo, algunos especialistas en Bluetooth, como Cambridge Silicon Radio, han estado trabajando en su propia versión de red de malla que utiliza Bluetooth. CSRmesh es una plantilla de software para dispositivos Bluetooth de baja energía que les permite no solo recibir y actuar al recibir mensajes, si no también repetir esos mensajes en los dispositivos cercanos. Esto extiende la gama de Bluetooth Smart y proporciona una red de malla ad-hoc simple para la Internet de las cosas (IoT).

Uno de los primeros despliegues principales de CSRmesh es con SK Telecom en Corea, que ha desarrollado la primera variedad en el mundo de bombillas LED, que además funcionan como señales de Bluetooth Smart en el ambiente de venta minorista. Esto permite controlar e interconectar una cantidad casi ilimitada de bombillas inteligentes juntas en una tienda y, al mismo tiempo, se pueden dirigir a los usuarios de teléfonos inteligentes ofertas especiales basadas en la ubicación.

Figura 2: El panel de desarrollo CSRmesh para aplicaciones de control de iluminación inteligente.

Los sistemas de señal en el punto de venta actuales requieren la instalación de muchos sensores inalámbricos alrededor del piso de la tienda, un proceso que generalmente es prolongado, costoso y requiere mantenimiento constante. El uso del enfoque CSRmesh proporciona un sistema de señales sin la necesidad de reparar la infraestructura de un edificio. Con las señales LED inteligentes, los accesorios de iluminación existentes en un edificio ofrecen una cobertura completa porque se extienden de manera uniforme en toda la tienda. La señal LED también depende de una fuente de alimentación principal, lo cual significa que el proveedor del servicio ya no necesita administrar cientos de dispositivos con alimentación a batería.

El sistema utiliza bombillas LED que caben dentro de los accesorios de iluminación existentes con cada bombilla comunicada con la de al lado en una malla. Las bombillas inteligentes se adaptan con un módulo precertificado basado en la capa de protocolo del microcircuito CSR1010 y CSRmesh v1.2 con capacidad de señal y soporte móvil de iOS y Android.

El panel de desarrollo CSRmesh (figura 2) ayuda a los diseñadores a implementar el protocolo de malla sobre el software Bluetooth estándar. Esto permite que los mensajes se transmitan a varios dispositivos Bluetooth Smart a través de una plataforma simplificada para diseñadores de productos que desean realizar rápidamente el prototipo de la red de productos Bluetooth Smart y probar las capacidades de una implementación de malla.

Para hacer esto, el kit proporciona un conjunto completo de herramientas para la evaluación y el desarrollo de software, desde el panel de desarrollo, el entorno de desarrollo de software CSR xIDE, el programador USB y los cables de la interfaz, aplicaciones CSRmesh de ejemplo para el panel de desarrollo y aplicaciones huésped de ejemplo, y código fuente para teléfonos inteligentes Android y Apple iOS.

Los paneles de desarrollo normalmente están alimentados desde dos baterías AA pero también se pueden ejecutar desde la conexión USB del huésped y se pueden usar paneles adicionales fácilmente para hacer una red mayor.

Todo esto forma parte de resolver el desafío de administrar miles de señales habilitadas para Bluetooth Smart en un espacio grande, tal como un estadio con señales de iluminación basadas en una malla.

Otro fabricante de chips, Nordic Semiconductor, también ha estado trabajando para permitir la creación de red de mallas en sus dispositivos Bluetooth Smart de energía ultrabaja, para proporcionar una solución de red de malla inalámbrica ULP totalmente desarrollada y de bajo costo para apuntar a las aplicaciones de la Internet de las cosas.

Wirepas Pino es una pila de protocolo de red de malla, totalmente automática, autooptimizable y de reflexiones múltiples desarrollada por Wirepas para ejecutarse en el chip Bluetooth nRF51822 de Nordic. Admite altas densidades de nodos y un tamaño de red teóricamente ilimitado (cantidad de nodos) con una topología de red que se autooptimiza continuamente para equilibrar el tráfico de datos de la red entre los nodos y adaptarse a los cambios en su entorno operativo como, por ejemplo, al experimentar inferencia de RF.

Esto puede mejorar radicalmente la fiabilidad de la red de modo que cuando un nodo falla, la red "se sanará" al redirigir las comunicaciones a través de otros nodos de alrededor. Esto también permite una eficiencia mayor de la red y una energía menor para todos los nodos, ya que la red puede configurarse a sí misma automática y continuamente para mantener el rendimiento óptimo de red mientras se agregan nodos nuevos.

Figura 3: La empresa finlandesa emergente Wirepas incluye la red de malla inalámbrica conectada a Bluetooth a lo largo de grandes edificios.

Como resultado de todo este interés, El grupo con especial interés en Bluetooth (The Bluetooth Special Interest Group, SIG) ha estado incorporando red de malla a la especificación de Bluetooth para permitir este tipo de capacidad en el estándar de modo que todos los dispositivos certificados de Bluetooth se puedan agregar a una red de malla. A medida que se multipliquen los sensores Bluetooth Smart en el hogar, la red de malla se volverá un componente integral para asegurar que los bloqueos, las luces, los sistemas HVAC e incluso los aparatos inteligentes habilitados para Bluetooth trabajen en conjunto para ofrecer una experiencia inteligente en el hogar de manera continua.

Bluetooth Smart Mesh Working Group está desarrollando la arquitectura para la capacidad de red de malla estandarizada para la tecnología Bluetooth Smart. El movimiento es extremadamente popular, con más de ochenta empresas socias que ya sirven de manera voluntaria en el grupo, entre las más altas de cualquier grupo de trabajo de SIG.

El grupo incorpora empresas de una amplia variedad de industrias, incluidas la automotriz, teléfono móvil/movilidad, automatización industrial, automatización doméstica, productos electrónicos de consumo y computación. Más que concentrarse en un caso de uso específico, el objetivo del grupo es construir una plataforma en común para la que todos los miembros puedan desarrollar. El grupo está evaluando muchos escenarios del usuario que se beneficiarían de la malla, incluidas la iluminación, el control HVAC, el seguimiento de activos y la seguridad.

Una forma de implementar fácilmente este tipo de capacidad es a través de un módulo como el BLE113 de Silicon Labs. Este módulo está pensado para sensores y accesorios pequeños y de baja energía, e integra todas las funciones requeridas para una aplicación de Bluetooth Smart, desde el transceptor de radio, la pila de software y los perfiles, hasta la gestión de la batería y la antena monopolo. Esto facilita la inclusión de un diseño existente a través de sus interfaces de hardware flexibles y les permitirá a estos diseños acceder fácilmente a una red de malla. Se puede alimentar directamente desde una batería tipo botón estándar de 3 V o un par de baterías AAA. En el modo de reposo con más baja potencia, solo consume 500 nA y se reactivará en unos cuantos cientos de microsegundos.

Figura 4: El módulo Bluetooth BLE113 desde Silicon Labs

Parte de la ventaja del enfoque de malla es que puede hacer el Bluetooth casi invisible al usuario. Con una integración del diseño más concisa, los transceptores de Bluetooth Smart tal como el DA14580 de Dialog Semiconductor se podrían integrar al equipo y conectar automáticamente a otro nodo cercano en la malla. Esto traería una forma muy fácil de establecer y ejecutar aplicaciones inteligentes domésticas y de la Internet de las cosas.

El DA14580 ofrece un transceptor de radio totalmente integrado y un procesador de banda base para Bluetooth Smart 4.1 que se puede utilizar como un procesador de aplicaciones autónomo o un bombeo de datos en sistemas alojados. El transceptor admite la arquitectura de memoria flexible para almacenar perfiles de Bluetooth y personalizar el código de la aplicación, que se puede actualizar por aire (OTA) y por lo tanto en una fecha posterior se puede implementar potencialmente un protocolo de malla. La pila de protocolo de Bluetooth Smart calificada se almacena en una ROM específica y todo el software se ejecuta en el procesador de 16 MHz ARM Cortex-M0 mediante un programador simple. El dispositivo se ha optimizado para la baja energía y el tamaño pequeño para encajar discretamente en los diseños.

El firmware de Bluetooth Smart incluye los protocolos de capa L2CAP, administración de seguridad (SM), protocolo de atributo (ATT), el perfil de atributo genérico (GATT) y el perfil de acceso genérico (GAP), además de los perfiles personalizados, que podrían incluir la implementación de la malla.

La proposición de valor para la tecnología Bluetooth en la Internet de las cosas es incomparable, dice el SIG, al consumir la menor cantidad de energía, es actualmente la solución inalámbrica que habilita la Internet de las cosas de menor costo y que está más disponible. La clave es que traer la red de malla a la especificación de Bluetooth impulsará la tecnología en segmentos del mercado totalmente nuevos.

Smart Mesh Working Group espera tener la especificación lista para la prueba de prototipos a fines de 2015 y el SIG considerará adoptar de manera oficial los perfiles en 2016.