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蓝牙Mesh设计讲座(一):节点与功能类型

时间:2019-12-30 作者:Cypress 阅读:
低功耗蓝牙(BLE)技术是物联网领域的主导者。智能家居、远程医疗和资产跟踪等应用都显著受益于BLE的低功耗功能。然而,设备间的BLE通信一直局限于一对一或一对多。此外,因为通信距离有限,特别是在家居环境等复杂环境中,设备间可能有多面墙壁阻隔,BLE实施难上加难。这些因素导致无法从一个统一的位置控制整个家居环境。
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低功耗蓝牙(BLE)技术是物联网领域的主导者。智能家居、远程医疗和资产跟踪等应用都显著受益于BLE的低功耗功能。然而,设备间的BLE通信一直局限于一对一或一对多。此外,因为通信距离有限,特别是在家居环境等复杂环境中,设备间可能有多面墙壁阻隔,BLE实施难上加难。这些因素导致无法从一个统一的位置控制整个家居环境。0utEETC-电子工程专辑

英文原文链接:https://www.embedded.com/designing-with-bluetooth-mesh-nodes-and-feature-types/0utEETC-电子工程专辑

在节点需要从多台设备接收消息并向多台设备发送消息时,就需要多对多通信。例如需要由多部手机控制一组四个灯泡的应用场景。此外,它们还需要接收调光器和/或占用感应器发出的设置消息。这就需要多对多通信。0utEETC-电子工程专辑

为了让BLE在智能家居、智能建筑和智能城市等应用场景中,发挥最大功效,开发人员不仅需要实现多对多通信,还要开发出既能扩大通信距离,又能支持部分设备使用小型电池运行的先进技术。BLE Mesh (蓝牙Mesh) 能解决这些问题。0utEETC-电子工程专辑

蓝牙Mesh正在兴起,逐渐成为家居自动化的首选技术,因为蓝牙Mesh网络能直接通过手机或平板电脑访问,无需使用网关。对于任何智能家居部署而言,互操作性都是成功的要诀,原因是智能家居可能用到多家厂商提供的产品。针对既定用例(模式)使用标准消息格式,能够快速完成部署并确保与其他BLE Mesh产品的互操作能力。0utEETC-电子工程专辑

这五篇系列文章讨论了理解蓝牙Mesh所需的关键概念。我们将重点讨论蓝牙Mesh的低功耗功能、隐私和安全特性,以及如何为您的智能家居应用选择设备。本系列文章的第一篇讨论了蓝牙Mesh网络的构成要素。0utEETC-电子工程专辑

蓝牙Mesh网络

蓝牙Mesh网络由具备多种特性类型的节点构成。图1是蓝牙Mesh网络的概览图。从该图我们可以看到,其节点具有下列特性类型:0utEETC-电子工程专辑

•中继节点/特性0utEETC-电子工程专辑

•低功耗节点(LPN)/特性0utEETC-电子工程专辑

•友邻节点/特性0utEETC-电子工程专辑

•代理节点/特性0utEETC-电子工程专辑

•配置器0utEETC-电子工程专辑

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图1:蓝牙Mesh网络0utEETC-电子工程专辑

每个节点都能支持一个或多个特性类型。例如,该网络中的R+F节点支持中继特性和友邻特性。与此相似,R+P节点支持中继特性和代理特性。0utEETC-电子工程专辑

中继特性让节点通过广播承载层传递消息。一般情况下,每个交流电源节点都有可能提供中继特性,因为它们拥有持续收听广播数据包、并将其转发给其他节点所需的电力。中继特性的实际用例包括家居自动化应用中的智能电灯或交流电源电灯开关。另一方面,依靠小型电池运行的节点可能不具备中继特性,因为中继特性需要持续打开Rx,设备才能收听到广播数据包。这样做会很快耗尽电池的电力。0utEETC-电子工程专辑

低功耗节点特性是蓝牙Mesh最关键的特性之一。与中继特性节点不同,拥有低功耗特性的节点不需要持续收听广播数据包。具备低功耗特性的节点大部分时间处在设备的低功耗模式下,由其友邻节点负责代其接收消息。低功耗节点按规定的时间间隔唤醒,接通友邻节点,检查是否有待收消息。在与友邻节点通信后,低功耗节点返回到低功耗休眠状态。对于使用电池运行的应用来说,这是一个非常有用的特性。家居自动化中的传感器节点、零售店铺内的价格标签等应用都能从低功耗特性获益。0utEETC-电子工程专辑

具备友邻特性的节点会收听网络中转发的任何消息,而且能够代替相关的低功耗节点收听。友邻节点会存储这些消息。当低功耗节点唤醒并查询友邻节点时,将这些消息传送给相关的低功耗节点。由于友邻节点需要为一个或多个低功耗节点存储消息,因此友邻节点会比其他类型的节点多占用存储器。所需的存储器大小取决于需要存放在友邻节点、并在轮询操作中传送给低功耗节点的数据/命令数量。0utEETC-电子工程专辑

代理特性支持智能电话、Wi-Fi蓝牙Mesh网关等设备与Mesh网络进行通信。对于不直接支持蓝牙Mesh的设备,具备代理特性的节点是它们登入Mesh网络的入口点。在蓝牙Mesh网络中,消息通过广播承载层转发。代理特性支持节点在GATT(通用属性)层和广播承载层之间转发消息。蓝牙Mesh网络中允许多个节点支持代理特性。任何支持代理特性的节点都能用作智能电话/PC机通过GATT进行连接的接口。拥有多个代理节点是一个好主意,这样即使一个代理节点失效,也不会造成整个网络从代理设备断网。与ZigBee等其他Mesh技术相比,这种特性让蓝牙Mesh拥有更高的可靠性。0utEETC-电子工程专辑

在蓝牙Mesh网络中,配置是指向网络添加新节点的过程。配置需要完成多个步骤,以确保不会将无关设备配置到网络中。未配置设备会按预定的时间间隔发送信标。在发现并选择未配置设备后,配置设备将初始化配置过程。在图1所示的示例中,智能电话和平板电脑在网络中充当配置设备。0utEETC-电子工程专辑

根据蓝牙技术规范,并非所有节点都是强制的。换言之,即使不支持所有节点/特性类型,设备也能通过蓝牙Mesh认证。通常情况下,芯片器件厂商不支持通过蓝牙技术联盟认证的友邻节点与低功耗节点特性。这就难以支持电池供电的蓝牙Mesh应用。0utEETC-电子工程专辑

如需了解蓝牙Mesh设备支持哪些蓝牙Mesh节点/特性类型,可访问蓝牙技术联盟网站并点击“寻找产品(Find a Product)”,输入您想查询的产品,了解其所支持的节点/特性类型。0utEETC-电子工程专辑

例如,如果您想了解赛普拉斯蓝牙Mesh模块CYBT-413034-02所支持的节点/特性类型,请在产品搜素中输入该产品编号,就会显示产品的声明ID、QDID、公司、产品、规范名称和上市日期。点击声明ID,即本例中的D040142。该页面显示设备支持的层列表。然后点击“查看ICS详情(View ICS Details)”。将显示核心协议层列表、配置和服务。您可以点击其中任意一项了解支持的特性。如果支持Mesh配置,将在传统配置下方列出。0utEETC-电子工程专辑

现在点击MESH(Mesh配置),将显示角色和版本列表、节点角色需求以及是否支持该特性。如果我们详细查看CYBT-413043-02的介绍,根据从蓝牙技术联盟网站得到的下列截屏,按照“角色”所列信息,该模块同时支持节点角色和配置器角色(参见图2)。根据“网络层功能”所列信息,它也支持中继特性(参见图3)。根据“上传输层功能”所列信息,它支持友邻特性和低功耗节点特性(参见图4)。根据“代理功能”所列信息,它支持代理特性(参见图5)。0utEETC-电子工程专辑

虽然该设备支持所有这些节点特性类型,但需要注意的是,根据注释,大部分这些节点类型属于可选项。例如,中继、友邻和低功耗节点特性是以支持广播承载层为先决条件的可选项。但是对于高效蓝牙Mesh网络来说,则需要上述所有特性类型。0utEETC-电子工程专辑

图2:特定产品的角色和版本显示在蓝牙技术联盟网站上。在本例中,该产品同时支持节点和配置器角色。0utEETC-电子工程专辑

图3:蓝牙技术联盟网站也显示特定产品的节点角色功能。在本例中,该产品支持中继特性。0utEETC-电子工程专辑
图4:根据“上传输层功能”所列信息,该产品支持友邻和低功耗节点特性。0utEETC-电子工程专辑
图5:根据“代理功能”所列信息,支持代理特性。
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您也可以观看深入了解蓝牙Mesh视频,进一步了解蓝牙Mesh节点和特性类型以及如何入手蓝牙Mesh设计。0utEETC-电子工程专辑

在本系列的下一篇文章中,我们将探讨蓝牙Mesh的通信原理和在每个细分应用领域内实现产品互操作的各种概念,如Mesh模型。0utEETC-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0utEETC-电子工程专辑

蓝牙Mesh设计讲座(二):节点通信0utEETC-电子工程专辑

蓝牙Mesh设计讲座(三):隐私与安全0utEETC-电子工程专辑

蓝牙Mesh设计讲座(四):器件要求0utEETC-电子工程专辑

蓝牙Mesh设计讲座(五):自研还是选择模组? 0utEETC-电子工程专辑

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