工业，家庭环境的蓝牙网格的设计注意事项

2020-05-12

蓝牙是一种无处不在的通信协议，在消费電(diàn)子，医疗保健，工业自动化和资产跟踪中有(yǒu)无数的应用(yòng)。现在，通过添加低功耗蓝牙（BLE）网格作為(wèi)网络层，甚至可(kě)以同时控制和监视数百个（甚至数千个）设备。但是，这些新(xīn)功能(néng)為(wèi)开发人员增加了复杂性。

蓝牙的众多(duō)优势已使其无处不在。蓝牙标准由专业小(xiǎo)组（SIG）维护和改进，该小(xiǎo)组在撰写本文(wén)时在150个國(guó)家/地區(qū)拥有(yǒu)约33,000个成员。原始标准指定了点对点（1：1）连接，后来又(yòu)添加了多(duō)点（一对多(duō)或1：m）和网格（许多(duō)对多(duō)或m：m）。经典蓝牙支持基本速率（BR）和增强数据速率（EDR）的1：1和1：m通信。低功耗蓝牙（BLE）是唯一支持m：m网状网络的模式。

BLE Mesh网络的出现进一步扩大了蓝牙潜在应用(yòng)的规模和范围。BLE Mesh支持超过30,000个网络节点，可(kě)以处理(lǐ)跨越大型建筑物(wù)，医疗保健企业和校园的应用(yòng)程序。

蓝牙的采用(yòng)已迅速增長(cháng)，并预计将继续快速发展（图1）。如此普遍的使用(yòng)使蓝牙网络几乎遍及所有(yǒu)平台，包括智能(néng)手机和平板電(diàn)脑，智能(néng)手表，筆(bǐ)记本電(diàn)脑以及从键盘和鼠标到扬声器和耳机的外围设备。这种跨接口的普遍性和各个品牌之间普遍的互操作性建立了已安装的基础和开发人员/用(yòng)户的熟悉度，这使蓝牙成為(wèi)许多(duō)新(xīn)应用(yòng)程序的明显选择。

1.蓝牙在整个终端市场中继续普遍使用(yòng)，随着时间的推移，低功耗模式将扮演越来越重要的角色

BLE网格概述

网状网络拓扑具有(yǒu)两个显着优势：几乎无限的可(kě)扩展性和高弹性，这两者都促使该协议在产品设计工程师中广受欢迎。这些优势源于多(duō)对多(duō)通信，这些通信形成了整个网络中从源到目的地的多(duō)条路径（图2）。

2. BLE Mesh几乎无限的可(kě)扩展性和高弹性使其适用(yòng)于各种新(xīn)的和苛刻的用(yòng)例

m：m连接可(kě)确保成功进行通信，即使多(duō)个节点发生故障或暂时或退出服務(wù)也是如此。换种说法：BLE Mesh网络可(kě)以扩展到很(hěn)遠(yuǎn)而没有(yǒu)任何单点故障。

网格节点类型

可(kě)扩展拓扑使BLE Mesh网络理(lǐ)论上最多(duō)支持32,767个节点，这个数目对实际应用(yòng)没有(yǒu)实际限制。该标准定义了四种类型的节点，并且可(kě)以将任何单个节点配置為(wèi)支持多(duō)种类型：

中继节点重新(xīn)传输或中继接收到的消息，以在整个网状网络中传播它们。仅当消息的生存时间（TTL）值大于零时，才会中继消息。除低功耗节点外，所有(yǒu)BLE Mesh设备均应支持此功能(néng)。

低功耗节点（LPN）主要用(yòng)于電(diàn)池供電(diàn)的低占空比传感器。為(wèi)了较大程度地降低功耗，通常会為(wèi)LPN分(fēn)配一个伴随的“节点”，以充当消息的中介。

节点代表其分(fēn)配的LPN接收消息，并将消息存储在队列中以备以后传递。每个LPN都会定期“唤醒”并轮询其Friend Node以接收可(kě)能(néng)在其队列中的任何新(xīn)消息。

代理(lǐ)节点在BLE Mesh网络中的面向连接的通用(yòng)属性（GATT）承载和广告承载之间中继消息。此功能(néng)使支持BLE（但不支持BLE Mesh堆栈）的设备能(néng)够与网状网络通信，而无需专用(yòng)网关或其他(tā)特殊要求。

网格节点元素

每个节点都必须具有(yǒu)定义其基本功能(néng)的主要标识元素。它们还可(kě)以可(kě)选地具有(yǒu)一个或多(duō)个辅助元素以定义其他(tā)功能(néng)。例如，开关（主要元件）也可(kě)能(néng)具有(yǒu)占用(yòng)传感器作為(wèi)次要元件。或者，占用(yòng)传感器（主要元素）也可(kě)能(néng)具有(yǒu)照明级别传感器作為(wèi)次要元素。

网状网络地址

BLE Mesh网络中有(yǒu)四种类型的地址，所有(yǒu)这些地址都是在安全设置过程中分(fēn)配的。请注意，地址已分(fēn)配给元素，这意味着具有(yǒu)多(duō)个元素的节点将具有(yǒu)多(duō)个地址。

单播地址唯一地标识每个单独的元素，以实现点对点通信。

组地址代表启用(yòng)多(duō)播通信的多(duō)个元素。蓝牙SIG定义了四个固定组地址：全代理(lǐ)，全友，全中继和全节点。

虚拟地址创建元素或节点的虚拟组，以启用(yòng)其他(tā)动态多(duō)播通信功能(néng)。

未分(fēn)配的地址标识尚未配置其单播，组和/或虚拟地址的元素。

网格节点模型

BLE Mesh节点采用(yòng)三种不同类型的模型之一：客户端，服務(wù)器或控制。这些模型由节点的一个或多(duō)个基本功能(néng)决定，因為(wèi)可(kě)以在单个节点中实现多(duō)个模型。

服務(wù)器模型包含并公开元素的状态；例如，照明器打开或关闭或处于某个中间亮度水平。

客户端模型通过发送和接收消息与服務(wù)器模型进行交互。例如，当使用(yòng)开关关闭或调暗灯具时。

控制模型在单个节点中结合了客户端和服務(wù)器模型，并且通常包括控制逻辑（即规则和行為(wèi)）。例如，具有(yǒu)环境光传感器的室外照明器可(kě)以被配置為(wèi)在黄昏时打开并且在黎明时关闭并且可(kě)以打开和关闭室内入口照明器。

消息和消息

BLE Mesh网络中的消息分(fēn)為(wèi)两类：用(yòng)于实现应用(yòng)程序的访问消息和用(yòng)于管理(lǐ)Mesh网络操作的控制消息。访问消息对产品设计工程师尤其重要，因為(wèi)访问消息是请求，发送或更改元素状态值的方法。例如，打开或关闭照明器。

访问消息的三种类型是GET，SET和STATUS。发送GET消息以从元素或元素组中请求状态值，然后发送STATUS消息作為(wèi)响应。发送SET消息以更改元素或元素组中的状态值，这些状态值通常通过发送STATUS消息来确认更改。也可(kě)以不确认SET，在这种情况下，不会发送STATUS消息来响应更改。除了GET和SET响应外，STATUS消息还可(kě)以由元素发起，以定期报告其状态值。

通信作為(wèi)可(kě)管理(lǐ)的消息泛滥在BLE Mesh网络中进行。“泛洪”传达了消息在整个网状拓扑中的流动方式，同时进行“管理(lǐ)”以确保有(yǒu)效有(yǒu)效地利用(yòng)可(kě)用(yòng)带宽。托管洪水的关键是所使用(yòng)的发布/订阅组消息传递。任何节点都可(kě)以发布或发送消息，并且每个节点都配置為(wèi)仅订阅或处理(lǐ)其收到的某些消息，而其他(tā)所有(yǒu)消息则根据需要进行中继。这两个方面的结合有(yǒu)助于使BLE Mesh网络具有(yǒu)行业领先的价格/性能(néng)，可(kě)伸缩性和可(kě)靠性。

设备配置

必须先配置所有(yǒu)已安装的设备，然后才能(néng)加入BLE Mesh网络。设置通常由智能(néng)手机，平板電(diàn)脑或PC上运行的应用(yòng)程序执行。这是BLE Mesh的显着优势，因為(wèi)可(kě)以从Mesh参与者运行Provisioner应用(yòng)程序和（可(kě)选）Mesh User Application代码（图3）。调配是确定性和安全的过程，涉及交换密钥以进行相互认证。

3.分(fēn)层架构使软件工程师可(kě)以将开发工作完全集中在Mesh用(yòng)户和Provisioner应用(yòng)程序上，而不是BLE Mesh网络上

网状网络安全

BLE Mesh协议的设计具有(yǒu)强大的安全性。设置，身份验证和消息传递必须经过高度加密。网络，应用(yòng)程序和设备安全性都可(kě)以使用(yòng)不同的密钥分(fēn)别应用(yòng)，这提供了让多(duō)个实體(tǐ)管理(lǐ)不同元素的方法。这些规定可(kě)防止各种形式的物(wù)理(lǐ)和虚拟攻击，包括蛮力，重放，中间人和垃圾桶，并提供用(yòng)户数据隐私。

软件架构

图3描绘了BLE Mesh节点中的软件层。请注意，Mesh用(yòng)户和Provisioner应用(yòng)程序如何位于體(tǐ)系结构的顶部，库和核心功能(néng)的上方，以使它们独立于底层BLE Mesh网络。还请注意，网格供应商(shāng)模型库如何使添加专有(yǒu)功能(néng)，同时保持与蓝牙标准的兼容性成為(wèi)可(kě)能(néng)。

开发BLE Mesh产品

本节重点介绍BLE Mesh开发过程，包括使用(yòng)的工具，并探讨关键的设计注意事项。尽管BLE Mesh网络适用(yòng)于多(duō)种应用(yòng)和用(yòng)例，但出于两个原因，此处以智能(néng)照明為(wèi)例。其中之一是建立了以照明為(wèi)基本用(yòng)例的标准。另一个是这种“智能(néng)建筑”应用(yòng)程序的普及，根据针对蓝牙技术联盟（Bluetooth SIG）进行的研究，预计到2023年，单位出货量的复合年均增長(cháng)率（CAGR）為(wèi)46％。

基本的开发过程始于定义设备的配置，该配置必须至少包括其节点类型，元素，模型以及所有(yǒu)特定于硬件和/或应用(yòng)程序的状态以及回调函数。下一步涉及為(wèi)应用(yòng)程序和BLE Mesh网络实现回调函数。

在开发过程中，从头到尾通常会使用(yòng)各种开源和特定于产品的工具。

对于支持BLE Mesh网络的产品，设计注意事项至少涉及设备功能(néng)（或元素），mesh网络大小(xiǎo)，天線(xiàn)范围，内存要求，功耗和成本。必须单独考虑在智能(néng)手机，平板電(diàn)脑或PC上运行的预配，管理(lǐ)和其他(tā)软件的设计。

在所有(yǒu)产品开发工作中，通常都需要在各种设计注意事项之间进行权衡。这种权衡的需要将在以下三种智能(néng)照明应用(yòng)中常用(yòng)的产品中解决：开关，传感器和照明器。如将显示的那样，大多(duō)数折衷方案的设计考虑因素是功耗。

為(wèi)了较大程度地提高多(duō)功能(néng)性并因此较大化智能(néng)照明的优势，用(yòng)户将希望能(néng)够在几乎任何地方部署开关和传感器。由于某些设备可(kě)能(néng)部署在不易接近的位置，因此使用(yòng)可(kě)充電(diàn)電(diàn)池收集能(néng)量可(kě)能(néng)是理(lǐ)想的功能(néng)。对于测量照度或感测乘员的有(yǒu)无的传感器尤其如此。相比之下，物(wù)理(lǐ)开关从其本质上就很(hěn)容易访问，因此，在没有(yǒu)交流電(diàn)源的地方，可(kě)以用(yòng)可(kě)更换的原電(diàn)池进行设计。

对于BLE Mesh网络，将電(diàn)池供電(diàn)的设备设计為(wèi)低功耗节点是有(yǒu)利的，这取决于Friend Node功能(néng)的可(kě)用(yòng)性。此要求可(kě)以在产品的文(wén)档中加以说明和/或在确保具有(yǒu)外部電(diàn)源的系列产品（例如照明器）中提供。

因為(wèi)BLE Mesh网络的主要优点是可(kě)扩展性，所以它们可(kě)能(néng)会变得很(hěn)大。尽管大的数量的节点和大量的跃点很(hěn)少是限制因素，但是产品应设计為(wèi)在需要跨越较大區(qū)域（可(kě)能(néng)是室外且节点相对较少）的小(xiǎo)规模部署中工作。在这些使用(yòng)情况下，可(kě)能(néng)有(yǒu)必要促进增加产品的天線(xiàn)范围和/或在单独的（可(kě)选）专用(yòng)产品中提供中继节点功能(néng)。

功耗与发射范围有(yǒu)着千丝万缕的联系，而BLE Mesh标准為(wèi)设计工程师提供了一些强大的功能(néng)（如双关语），可(kě)以进行所需的折衷。一种这样的能(néng)力是能(néng)够通过减小(xiǎo)带宽来扩大范围而不增加功耗。逆向能(néng)力也是可(kě)能(néng)的；也就是说，通过减小(xiǎo)范围来增加带宽，而又(yòu)不会增加功耗。

产品的其他(tā)方面可(kě)以提高其功耗的重要性。例如，传感器需要有(yǒu)多(duō)敏感，以及需要多(duō)久轮询一次状态变化？更频繁的通信意味着更多(duō)的功耗，从而增加了对更大的原電(diàn)池或对可(kě)充電(diàn)電(diàn)池的能(néng)量收集的需求。

图4显示了可(kě)用(yòng)于产品原型设计和开发的评估板示例。请注意，其中包括了智能(néng)照明应用(yòng)中通常需要的三个功能(néng)：用(yòng)于照明设备的LED，开关以及用(yòng)于占用(yòng)传感器的PIR运动检测器。電(diàn)路板底部边缘中心的模块包含BLE Mesh网络以及运行应用(yòng)程序软件所需的CPU，内存和天線(xiàn)。

4.显示的是用(yòng)于原型设计和开发智能(néng)照明产品的评估板。背面的電(diàn)池盒未显示

显示的是用(yòng)于原型设计和开发智能(néng)照明产品的评估板。背面的電(diàn)池盒未显示。

考虑到智能(néng)手机，平板電(diàn)脑和PC中普遍存在蓝牙技术，这些系统通常用(yòng)于供应，配置和管理(lǐ)BLE Mesh产品，例如智能(néng)照明应用(yòng)中使用(yòng)的开关，传感器和照明设备。如上所述，由于Mesh用(yòng)户和Provisioner应用(yòng)程序位于BLE Mesh库和核心功能(néng)之上，因此软件开发人员可(kě)以将精力专门放在应用(yòng)程序而不是网络上。这是网格用(yòng)户和预配器应用(yòng)程序可(kě)能(néng)需要支持的一些功能(néng)的示例：

创建和删除BLE Mesh网络和组

设置和删除单个节点

配置发布和订阅

发布GET消息以查询元素的状态

发布SET消息，对于照明应用(yòng)，该消息可(kě)能(néng)包括“开/关”，“水平”，“亮度和亮度色相”，“饱和度”，“亮度色温”和“ Delta UV”

发布SET消息以获取供应商(shāng)数据和供应商(shāng)模型

执行空中（OTA）固件升级

选择BLE网格组件

上一节中未涉及的另一个设计考虑因素是成本，这始终是开发任何产品的重要因素。成本始终具有(yǒu)两个方面：设计产品和制造产品。选择具成本效益的BLE Mesh组件还具有(yǒu)两个方面：芯片及其软件。芯片是片上系统（SoC）或系统级封装（SiP）模块，软件是它们随附的开发工具。

由于互操作性是 标准的根本原因，因此选择BLE Mesh组件的基本要求是经认证符合Bluetooth SIG标准。这同样适用(yòng)于芯片和软件，包括完整的蓝牙BR / EDR和BLE Mesh协议栈以及所有(yǒu)相关库。使用(yòng)经过蓝牙SIG认证的SoC，SiP和其他(tā)组件，设计工程师无需进行严格的鉴定和互操作性测试。

在撰写本文(wén)时，认证适用(yòng)于蓝牙核心规范的5.0版和BLE Mesh规范的1.0版。BLE Mesh规范的2.0版预计将于2020年发布。

选择BLE Mesh平台时，设计工程师应寻求满足以下大多(duō)数或所有(yǒu)标准的解决方案：

从基本的電(diàn)池供電(diàn)传感器到现在和可(kě)预见的将来可(kě)能(néng)需要的最复杂的设备，可(kě)以满足各种需求的模块系列。

完全集成的模块，较大限度地减少了对外部组件的需求，加快了产品上市时间，并降低了开发和制造成本。

超低功耗设计，具有(yǒu)天線(xiàn)类型和发射功率，可(kě)适应所有(yǒu)预期的节点到节点距离。

对于所有(yǒu)可(kě)预见的应用(yòng)程序和升级，有(yǒu)足够的CPU，内存（闪存和RAM）和I / O。

对于可(kě)能(néng)需要BLE Mesh网络与Wi-Fi网络通信的应用(yòng)程序，将需要某种形式的网关功能(néng)。例如，家庭安全系统可(kě)以用(yòng)于打开或关闭某些灯，以模拟人们在家中或被授权代码停用(yòng)。在这些情况下，同时支持Wi-Fi和BLE网络的SoC或SiP组合模块可(kě)简化设计工作。

由于软件开发环境，工具和库与芯片同样重要，因此请努力寻找满足以下大多(duō)数或全部标准的解决方案：

易于使用(yòng)的集成开发环境（IDE），抽象了底层协议的复杂性

软件开发套件（SDK），示例软件，原型硬件和开发人员社區(qū)，以协助软件开发和测试工作

适用(yòng)于在Android，iOS，Linux和Windows操作系统上运行的控制应用(yòng)程序的参考软件设计

蓝牙已经在“个人區(qū)域网络”应用(yòng)程序中无处不在，并且BLE Mesh的出现极大地扩展了这种流行协议的潜在用(yòng)例的规模和范围。BLE Mesh网络提供的几乎无限的可(kě)扩展性和高弹性的结合，现在使蓝牙应用(yòng)程序可(kě)以跨越建筑物(wù)，校园甚至整个城市。尽管此处使用(yòng)的智能(néng)照明应用(yòng)程序是一个很(hěn)好的例子，但BLE Mesh的潜在用(yòng)例仅受想象力的限制。

它的普遍存在还给蓝牙带来了另一个重要的优势：开发新(xīn)产品所需的成熟技术，工具和软件的可(kě)用(yòng)性。鼓励有(yǒu)兴趣进一步了解这些资源的硬件和软件工程师阅读以下“参考”部分(fēn)中列出的文(wén)档和链接。