工業(yè)，家庭環(huán)境的藍牙網(wǎng)格的設計注意事項

2020-05-12

藍牙是一種無(wú)處不在的通信協(xié)議，在消費電子，醫療保健，工業(yè)自動(dòng)化和資產(chǎn)跟蹤中有無(wú)數的應用。現在，通過(guò)添加低功耗藍牙（BLE）網(wǎng)格作為網(wǎng)絡(luò )層，甚至可以同時(shí)控制和監視數百個(gè)（甚至數千個(gè)）設備。但是，這些新功能為開(kāi)發(fā)人員增加了復雜性。

藍牙的眾多優(yōu)勢已使其無(wú)處不在。藍牙標準由專(zhuān)業(yè)小組（SIG）維護和改進(jìn)，該小組在撰寫(xiě)本文時(shí)在150個(gè)國家/地區擁有約33,000個(gè)成員。原始標準指定了點(diǎn)對點(diǎn)（1：1）連接，后來(lái)又添加了多點(diǎn)（一對多或1：m）和網(wǎng)格（許多對多或m：m）。經(jīng)典藍牙支持基本速率（BR）和增強數據速率（EDR）的1：1和1：m通信。低功耗藍牙（BLE）是唯一支持m：m網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的模式。

BLE Mesh網(wǎng)絡(luò )的出現進(jìn)一步擴大了藍牙潛在應用的規模和范圍。BLE Mesh支持超過(guò)30,000個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，可以處理跨越大型建筑物，醫療保健企業(yè)和校園的應用程序。

藍牙的采用已迅速增長(cháng)，并預計將繼續快速發(fā)展（圖1）。如此普遍的使用使藍牙網(wǎng)絡(luò )幾乎遍及所有平臺，包括智能手機和平板電腦，智能手表，筆記本電腦以及從鍵盤(pán)和鼠標到揚聲器和耳機的外圍設備。這種跨接口的普遍性和各個(gè)品牌之間普遍的互操作性建立了已安裝的基礎和開(kāi)發(fā)人員/用戶(hù)的熟悉度，這使藍牙成為許多新應用程序的明顯選擇。

1.藍牙在整個(gè)終端市場(chǎng)中繼續普遍使用，隨著(zhù)時(shí)間的推移，低功耗模式將扮演越來(lái)越重要的角色

BLE網(wǎng)格概述

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )拓撲具有兩個(gè)顯著(zhù)優(yōu)勢：幾乎無(wú)限的可擴展性和高彈性，這兩者都促使該協(xié)議在產(chǎn)品設計工程師中廣受歡迎。這些優(yōu)勢源于多對多通信，這些通信形成了整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中從源到目的地的多條路徑（圖2）。

2. BLE Mesh幾乎無(wú)限的可擴展性和高彈性使其適用于各種新的和苛刻的用例

m：m連接可確保成功進(jìn)行通信，即使多個(gè)節點(diǎn)發(fā)生故障或暫時(shí)或退出服務(wù)也是如此。換種說(shuō)法：BLE Mesh網(wǎng)絡(luò )可以擴展到很遠而沒(méi)有任何單點(diǎn)故障。

網(wǎng)格節點(diǎn)類(lèi)型

可擴展拓撲使BLE Mesh網(wǎng)絡(luò )理論上最多支持32,767個(gè)節點(diǎn)，這個(gè)數目對實(shí)際應用沒(méi)有實(shí)際限制。該標準定義了四種類(lèi)型的節點(diǎn)，并且可以將任何單個(gè)節點(diǎn)配置為支持多種類(lèi)型：

中繼節點(diǎn)重新傳輸或中繼接收到的消息，以在整個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )中傳播它們。僅當消息的生存時(shí)間（TTL）值大于零時(shí)，才會(huì )中繼消息。除低功耗節點(diǎn)外，所有BLE Mesh設備均應支持此功能。

低功耗節點(diǎn)（LPN）主要用于電池供電的低占空比傳感器。為了較大程度地降低功耗，通常會(huì )為LPN分配一個(gè)伴隨的“節點(diǎn)”，以充當消息的中介。

節點(diǎn)代表其分配的LPN接收消息，并將消息存儲在隊列中以備以后傳遞。每個(gè)LPN都會(huì )定期“喚醒”并輪詢(xún)其Friend Node以接收可能在其隊列中的任何新消息。

代理節點(diǎn)在BLE Mesh網(wǎng)絡(luò )中的面向連接的通用屬性（GATT）承載和廣告承載之間中繼消息。此功能使支持BLE（但不支持BLE Mesh堆棧）的設備能夠與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )通信，而無(wú)需專(zhuān)用網(wǎng)關(guān)或其他特殊要求。

網(wǎng)格節點(diǎn)元素

每個(gè)節點(diǎn)都必須具有定義其基本功能的主要標識元素。它們還可以可選地具有一個(gè)或多個(gè)輔助元素以定義其他功能。例如，開(kāi)關(guān)（主要元件）也可能具有占用傳感器作為次要元件?；蛘?，占用傳感器（主要元素）也可能具有照明級別傳感器作為次要元素。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )地址

BLE Mesh網(wǎng)絡(luò )中有四種類(lèi)型的地址，所有這些地址都是在安全設置過(guò)程中分配的。請注意，地址已分配給元素，這意味著(zhù)具有多個(gè)元素的節點(diǎn)將具有多個(gè)地址。

單播地址唯一地標識每個(gè)單獨的元素，以實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)通信。

組地址代表啟用多播通信的多個(gè)元素。藍牙SIG定義了四個(gè)固定組地址：全代理，全友，全中繼和全節點(diǎn)。

虛擬地址創(chuàng )建元素或節點(diǎn)的虛擬組，以啟用其他動(dòng)態(tài)多播通信功能。

未分配的地址標識尚未配置其單播，組和/或虛擬地址的元素。

網(wǎng)格節點(diǎn)模型

BLE Mesh節點(diǎn)采用三種不同類(lèi)型的模型之一：客戶(hù)端，服務(wù)器或控制。這些模型由節點(diǎn)的一個(gè)或多個(gè)基本功能決定，因為可以在單個(gè)節點(diǎn)中實(shí)現多個(gè)模型。

服務(wù)器模型包含并公開(kāi)元素的狀態(tài)；例如，照明器打開(kāi)或關(guān)閉或處于某個(gè)中間亮度水平。

客戶(hù)端模型通過(guò)發(fā)送和接收消息與服務(wù)器模型進(jìn)行交互。例如，當使用開(kāi)關(guān)關(guān)閉或調暗燈具時(shí)。

控制模型在單個(gè)節點(diǎn)中結合了客戶(hù)端和服務(wù)器模型，并且通常包括控制邏輯（即規則和行為）。例如，具有環(huán)境光傳感器的室外照明器可以被配置為在黃昏時(shí)打開(kāi)并且在黎明時(shí)關(guān)閉并且可以打開(kāi)和關(guān)閉室內入口照明器。

消息和消息

BLE Mesh網(wǎng)絡(luò )中的消息分為兩類(lèi)：用于實(shí)現應用程序的訪(fǎng)問(wèn)消息和用于管理Mesh網(wǎng)絡(luò )操作的控制消息。訪(fǎng)問(wèn)消息對產(chǎn)品設計工程師尤其重要，因為訪(fǎng)問(wèn)消息是請求，發(fā)送或更改元素狀態(tài)值的方法。例如，打開(kāi)或關(guān)閉照明器。

訪(fǎng)問(wèn)消息的三種類(lèi)型是GET，SET和STATUS。發(fā)送GET消息以從元素或元素組中請求狀態(tài)值，然后發(fā)送STATUS消息作為響應。發(fā)送SET消息以更改元素或元素組中的狀態(tài)值，這些狀態(tài)值通常通過(guò)發(fā)送STATUS消息來(lái)確認更改。也可以不確認SET，在這種情況下，不會(huì )發(fā)送STATUS消息來(lái)響應更改。除了GET和SET響應外，STATUS消息還可以由元素發(fā)起，以定期報告其狀態(tài)值。

通信作為可管理的消息泛濫在BLE Mesh網(wǎng)絡(luò )中進(jìn)行。“泛洪”傳達了消息在整個(gè)網(wǎng)狀拓撲中的流動(dòng)方式，同時(shí)進(jìn)行“管理”以確保有效有效地利用可用帶寬。托管洪水的關(guān)鍵是所使用的發(fā)布/訂閱組消息傳遞。任何節點(diǎn)都可以發(fā)布或發(fā)送消息，并且每個(gè)節點(diǎn)都配置為僅訂閱或處理其收到的某些消息，而其他所有消息則根據需要進(jìn)行中繼。這兩個(gè)方面的結合有助于使BLE Mesh網(wǎng)絡(luò )具有行業(yè)領(lǐng)先的價(jià)格/性能，可伸縮性和可靠性。

設備配置

必須先配置所有已安裝的設備，然后才能加入BLE Mesh網(wǎng)絡(luò )。設置通常由智能手機，平板電腦或PC上運行的應用程序執行。這是BLE Mesh的顯著(zhù)優(yōu)勢，因為可以從Mesh參與者運行Provisioner應用程序和（可選）Mesh User Application代碼（圖3）。調配是確定性和安全的過(guò)程，涉及交換密鑰以進(jìn)行相互認證。

3.分層架構使軟件工程師可以將開(kāi)發(fā)工作完全集中在Mesh用戶(hù)和Provisioner應用程序上，而不是BLE Mesh網(wǎng)絡(luò )上

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )安全

BLE Mesh協(xié)議的設計具有強大的安全性。設置，身份驗證和消息傳遞必須經(jīng)過(guò)高度加密。網(wǎng)絡(luò )，應用程序和設備安全性都可以使用不同的密鑰分別應用，這提供了讓多個(gè)實(shí)體管理不同元素的方法。這些規定可防止各種形式的物理和虛擬攻擊，包括蠻力，重放，中間人和垃圾桶，并提供用戶(hù)數據隱私。

軟件架構

圖3描繪了BLE Mesh節點(diǎn)中的軟件層。請注意，Mesh用戶(hù)和Provisioner應用程序如何位于體系結構的頂部，庫和核心功能的上方，以使它們獨立于底層BLE Mesh網(wǎng)絡(luò )。還請注意，網(wǎng)格供應商模型庫如何使添加專(zhuān)有功能，同時(shí)保持與藍牙標準的兼容性成為可能。

開(kāi)發(fā)BLE Mesh產(chǎn)品

本節重點(diǎn)介紹BLE Mesh開(kāi)發(fā)過(guò)程，包括使用的工具，并探討關(guān)鍵的設計注意事項。盡管BLE Mesh網(wǎng)絡(luò )適用于多種應用和用例，但出于兩個(gè)原因，此處以智能照明為例。其中之一是建立了以照明為基本用例的標準。另一個(gè)是這種“智能建筑”應用程序的普及，根據針對藍牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth SIG）進(jìn)行的研究，預計到2023年，單位出貨量的復合年均增長(cháng)率（CAGR）為46％。

基本的開(kāi)發(fā)過(guò)程始于定義設備的配置，該配置必須至少包括其節點(diǎn)類(lèi)型，元素，模型以及所有特定于硬件和/或應用程序的狀態(tài)以及回調函數。下一步涉及為應用程序和BLE Mesh網(wǎng)絡(luò )實(shí)現回調函數。

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，從頭到尾通常會(huì )使用各種開(kāi)源和特定于產(chǎn)品的工具。

對于支持BLE Mesh網(wǎng)絡(luò )的產(chǎn)品，設計注意事項至少涉及設備功能（或元素），mesh網(wǎng)絡(luò )大小，天線(xiàn)范圍，內存要求，功耗和成本。必須單獨考慮在智能手機，平板電腦或PC上運行的預配，管理和其他軟件的設計。

在所有產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作中，通常都需要在各種設計注意事項之間進(jìn)行權衡。這種權衡的需要將在以下三種智能照明應用中常用的產(chǎn)品中解決：開(kāi)關(guān)，傳感器和照明器。如將顯示的那樣，大多數折衷方案的設計考慮因素是功耗。

為了較大程度地提高多功能性并因此較大化智能照明的優(yōu)勢，用戶(hù)將希望能夠在幾乎任何地方部署開(kāi)關(guān)和傳感器。由于某些設備可能部署在不易接近的位置，因此使用可充電電池收集能量可能是理想的功能。對于測量照度或感測乘員的有無(wú)的傳感器尤其如此。相比之下，物理開(kāi)關(guān)從其本質(zhì)上就很容易訪(fǎng)問(wèn)，因此，在沒(méi)有交流電源的地方，可以用可更換的原電池進(jìn)行設計。

對于BLE Mesh網(wǎng)絡(luò )，將電池供電的設備設計為低功耗節點(diǎn)是有利的，這取決于Friend Node功能的可用性。此要求可以在產(chǎn)品的文檔中加以說(shuō)明和/或在確保具有外部電源的系列產(chǎn)品（例如照明器）中提供。

因為BLE Mesh網(wǎng)絡(luò )的主要優(yōu)點(diǎn)是可擴展性，所以它們可能會(huì )變得很大。盡管大的數量的節點(diǎn)和大量的躍點(diǎn)很少是限制因素，但是產(chǎn)品應設計為在需要跨越較大區域（可能是室外且節點(diǎn)相對較少）的小規模部署中工作。在這些使用情況下，可能有必要促進(jìn)增加產(chǎn)品的天線(xiàn)范圍和/或在單獨的（可選）專(zhuān)用產(chǎn)品中提供中繼節點(diǎn)功能。

功耗與發(fā)射范圍有著(zhù)千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，而BLE Mesh標準為設計工程師提供了一些強大的功能（如雙關(guān)語(yǔ)），可以進(jìn)行所需的折衷。一種這樣的能力是能夠通過(guò)減小帶寬來(lái)擴大范圍而不增加功耗。逆向能力也是可能的；也就是說(shuō)，通過(guò)減小范圍來(lái)增加帶寬，而又不會(huì )增加功耗。

產(chǎn)品的其他方面可以提高其功耗的重要性。例如，傳感器需要有多敏感，以及需要多久輪詢(xún)一次狀態(tài)變化？更頻繁的通信意味著(zhù)更多的功耗，從而增加了對更大的原電池或對可充電電池的能量收集的需求。

圖4顯示了可用于產(chǎn)品原型設計和開(kāi)發(fā)的評估板示例。請注意，其中包括了智能照明應用中通常需要的三個(gè)功能：用于照明設備的LED，開(kāi)關(guān)以及用于占用傳感器的PIR運動(dòng)檢測器。電路板底部邊緣中心的模塊包含BLE Mesh網(wǎng)絡(luò )以及運行應用程序軟件所需的CPU，內存和天線(xiàn)。

4.顯示的是用于原型設計和開(kāi)發(fā)智能照明產(chǎn)品的評估板。背面的電池盒未顯示

顯示的是用于原型設計和開(kāi)發(fā)智能照明產(chǎn)品的評估板。背面的電池盒未顯示。

考慮到智能手機，平板電腦和PC中普遍存在藍牙技術(shù)，這些系統通常用于供應，配置和管理BLE Mesh產(chǎn)品，例如智能照明應用中使用的開(kāi)關(guān)，傳感器和照明設備。如上所述，由于Mesh用戶(hù)和Provisioner應用程序位于BLE Mesh庫和核心功能之上，因此軟件開(kāi)發(fā)人員可以將精力專(zhuān)門(mén)放在應用程序而不是網(wǎng)絡(luò )上。這是網(wǎng)格用戶(hù)和預配器應用程序可能需要支持的一些功能的示例：

創(chuàng )建和刪除BLE Mesh網(wǎng)絡(luò )和組

設置和刪除單個(gè)節點(diǎn)

配置發(fā)布和訂閱

發(fā)布GET消息以查詢(xún)元素的狀態(tài)

發(fā)布SET消息，對于照明應用，該消息可能包括“開(kāi)/關(guān)”，“水平”，“亮度和亮度色相”，“飽和度”，“亮度色溫”和“ Delta UV”

發(fā)布SET消息以獲取供應商數據和供應商模型

執行空中（OTA）固件升級

選擇BLE網(wǎng)格組件

上一節中未涉及的另一個(gè)設計考慮因素是成本，這始終是開(kāi)發(fā)任何產(chǎn)品的重要因素。成本始終具有兩個(gè)方面：設計產(chǎn)品和制造產(chǎn)品。選擇具成本效益的BLE Mesh組件還具有兩個(gè)方面：芯片及其軟件。芯片是片上系統（SoC）或系統級封裝（SiP）模塊，軟件是它們隨附的開(kāi)發(fā)工具。

由于互操作性是 標準的根本原因，因此選擇BLE Mesh組件的基本要求是經(jīng)認證符合Bluetooth SIG標準。這同樣適用于芯片和軟件，包括完整的藍牙BR / EDR和BLE Mesh協(xié)議棧以及所有相關(guān)庫。使用經(jīng)過(guò)藍牙SIG認證的SoC，SiP和其他組件，設計工程師無(wú)需進(jìn)行嚴格的鑒定和互操作性測試。

在撰寫(xiě)本文時(shí)，認證適用于藍牙核心規范的5.0版和BLE Mesh規范的1.0版。BLE Mesh規范的2.0版預計將于2020年發(fā)布。

選擇BLE Mesh平臺時(shí)，設計工程師應尋求滿(mǎn)足以下大多數或所有標準的解決方案：

從基本的電池供電傳感器到現在和可預見(jiàn)的將來(lái)可能需要的最復雜的設備，可以滿(mǎn)足各種需求的模塊系列。

完全集成的模塊，較大限度地減少了對外部組件的需求，加快了產(chǎn)品上市時(shí)間，并降低了開(kāi)發(fā)和制造成本。

超低功耗設計，具有天線(xiàn)類(lèi)型和發(fā)射功率，可適應所有預期的節點(diǎn)到節點(diǎn)距離。

對于所有可預見(jiàn)的應用程序和升級，有足夠的CPU，內存（閃存和RAM）和I / O。

對于可能需要BLE Mesh網(wǎng)絡(luò )與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )通信的應用程序，將需要某種形式的網(wǎng)關(guān)功能。例如，家庭安全系統可以用于打開(kāi)或關(guān)閉某些燈，以模擬人們在家中或被授權代碼停用。在這些情況下，同時(shí)支持Wi-Fi和BLE網(wǎng)絡(luò )的SoC或SiP組合模塊可簡(jiǎn)化設計工作。

由于軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，工具和庫與芯片同樣重要，因此請努力尋找滿(mǎn)足以下大多數或全部標準的解決方案：

易于使用的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE），抽象了底層協(xié)議的復雜性

軟件開(kāi)發(fā)套件（SDK），示例軟件，原型硬件和開(kāi)發(fā)人員社區，以協(xié)助軟件開(kāi)發(fā)和測試工作

適用于在Android，iOS，Linux和Windows操作系統上運行的控制應用程序的參考軟件設計

藍牙已經(jīng)在“個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )”應用程序中無(wú)處不在，并且BLE Mesh的出現極大地擴展了這種流行協(xié)議的潛在用例的規模和范圍。BLE Mesh網(wǎng)絡(luò )提供的幾乎無(wú)限的可擴展性和高彈性的結合，現在使藍牙應用程序可以跨越建筑物，校園甚至整個(gè)城市。盡管此處使用的智能照明應用程序是一個(gè)很好的例子，但BLE Mesh的潛在用例僅受想象力的限制。

它的普遍存在還給藍牙帶來(lái)了另一個(gè)重要的優(yōu)勢：開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品所需的成熟技術(shù)，工具和軟件的可用性。鼓勵有興趣進(jìn)一步了解這些資源的硬件和軟件工程師閱讀以下“參考”部分中列出的文檔和鏈接。