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工業(yè)，家庭環(huán)境的藍(lán)牙網(wǎng)格的設(shè)計注意事項
藍(lán)牙是一種無處不在的通信協(xié)議，在消費電子，醫(yī)療保健，工業(yè)自動化和資產(chǎn)跟蹤中有無數(shù)的應(yīng)用。現(xiàn)在，通過添加低功耗藍(lán)牙（BLE）網(wǎng)格作為網(wǎng)絡(luò)層，甚至可以同時控制和監(jiān)視數(shù)百個（甚至數(shù)千個）設(shè)備。但是，這些新功能為開發(fā)人員增加了復(fù)雜性。
藍(lán)牙的眾多優(yōu)勢已使其無處不在。藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)由專業(yè)小組（SIG）維護(hù)和改進(jìn)，該小組在撰寫本文時在150個國家/地區(qū)擁有約33,000個成員。原始標(biāo)準(zhǔn)指定了點對點（1：1）連接，后來又添加了多點（一對多或1：m）和網(wǎng)格（許多對多或m：m）。經(jīng)典藍(lán)牙支持基本速率（BR）和增強數(shù)據(jù)速率（EDR）的1：1和1：m通信。低功耗藍(lán)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(xiàn)進(jìn)一步擴(kuò)大了藍(lán)牙潛在應(yīng)用的規(guī)模和范圍。BLE Mesh支持超過30,000個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，可以處理跨越大型建筑物，醫(yī)療保健企業(yè)和校園的應(yīng)用程序。
藍(lán)牙的采用已迅速增長，并預(yù)計將繼續(xù)快速發(fā)展（圖1）。如此普遍的使用使藍(lán)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和鼠標(biāo)到揚聲器和耳機的外圍設(shè)備。這種跨接口的普遍性和各個品牌之間普遍的互操作性建立了已安裝的基礎(chǔ)和開發(fā)人員/用戶的熟悉度，這使藍(lán)牙成為許多新應(yīng)用程序的明顯選擇。
1.藍(lán)牙在整個終端市場中繼續(xù)普遍使用，隨著時間的推移，低功耗模式將扮演越來越重要的角色
BLE網(wǎng)格概述
網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂袃蓚€顯著優(yōu)勢：幾乎無限的可擴(kuò)展性和高彈性，這兩者都促使該協(xié)議在產(chǎn)品設(shè)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網(wǎng)絡(luò)中從源到目的地的多條路徑（圖2）。
2. BLE Mesh幾乎無限的可擴(kuò)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，即使多個節(jié)點發(fā)生故障或暫時或退出服務(wù)也是如此。換種說法：BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)可以擴(kuò)展到很遠(yuǎn)而沒有任何單點故障。
網(wǎng)格節(jié)點類型
可擴(kuò)展拓?fù)涫?/span>BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)理論上最多支持32,767個節(jié)點，這個數(shù)目對實際應(yīng)用沒有實際限制。該標(biāo)準(zhǔn)定義了四種類型的節(jié)點，并且可以將任何單個節(jié)點配置為支持多種類型：
中繼節(jié)點重新傳輸或中繼接收到的消息，以在整個網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中傳播它們。僅當(dāng)消息的生存時間（TTL）值大于零時，才會中繼消息。除低功耗節(jié)點外，所有BLE Mesh設(shè)備均應(yīng)支持此功能。
低功耗節(jié)點（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，通常會為LPN分配一個伴隨的“節(jié)點”，以充當(dāng)消息的中介。
節(jié)點代表其分配的LPN接收消息，并將消息存儲在隊列中以備以后傳遞。每個LPN都會定期“喚醒”并輪詢其Friend Node以接收可能在其隊列中的任何新消息。
代理節(jié)點在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(shè)備能夠與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通信，而無需專用網(wǎng)關(guān)或其他特殊要求。
網(wǎng)格節(jié)點元素
每個節(jié)點都必須具有定義其基本功能的主要標(biāo)識元素。它們還可以可選地具有一個或多個輔助元素以定義其他功能。例如，開關(guān)（主要元件）也可能具有占用傳感器作為次要元件。或者，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)中有四種類型的地址，所有這些地址都是在安全設(shè)置過程中分配的。請注意，地址已分配給元素，這意味著具有多個元素的節(jié)點將具有多個地址。
單播地址唯一地標(biāo)識每個單獨的元素，以實現(xiàn)點對點通信。
組地址代表啟用多播通信的多個元素。藍(lán)牙SIG定義了四個固定組地址：全代理，全友，全中繼和全節(jié)點。
虛擬地址創(chuàng)建元素或節(jié)點的虛擬組，以啟用其他動態(tài)多播通信功能。
未分配的地址標(biāo)識尚未配置其單播，組和/或虛擬地址的元素。
網(wǎng)格節(jié)點模型
BLE Mesh節(jié)點采用三種不同類型的模型之一：客戶端，服務(wù)器或控制。這些模型由節(jié)點的一個或多個基本功能決定，因為可以在單個節(jié)點中實現(xiàn)多個模型。
服務(wù)器模型包含并公開元素的狀態(tài)；例如，照明器打開或關(guān)閉或處于某個中間亮度水平。
客戶端模型通過發(fā)送和接收消息與服務(wù)器模型進(jìn)行交互。例如，當(dāng)使用開關(guān)關(guān)閉或調(diào)暗燈具時。
控制模型在單個節(jié)點中結(jié)合了客戶端和服務(wù)器模型，并且通常包括控制邏輯（即規(guī)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打開并且在黎明時關(guān)閉并且可以打開和關(guān)閉室內(nèi)入口照明器。
消息和消息
BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)中的消息分為兩類：用于實現(xiàn)應(yīng)用程序的訪問消息和用于管理Mesh網(wǎng)絡(luò)操作的控制消息。訪問消息對產(chǎn)品設(shè)計工程師尤其重要，因為訪問消息是請求，發(fā)送或更改元素狀態(tài)值的方法。例如，打開或關(guān)閉照明器。
訪問消息的三種類型是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(yīng)。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)值通常通過發(fā)送STATUS消息來確認(rèn)更改。也可以不確認(rèn)SET，在這種情況下，不會發(fā)送STATUS消息來響應(yīng)更改。除了GET和SET響應(yīng)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(dá)了消息在整個網(wǎng)狀拓?fù)渲械牧鲃臃绞剑瑫r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(jié)點都可以發(fā)布或發(fā)送消息，并且每個節(jié)點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(jù)需要進(jìn)行中繼。這兩個方面的結(jié)合有助于使BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)具有行業(yè)領(lǐng)先的價格/性能，可伸縮性和可靠性。
設(shè)備配置
必須先配置所有已安裝的設(shè)備，然后才能加入BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)。設(shè)置通常由智能手機，平板電腦或PC上運行的應(yīng)用程序執(zhí)行。這是BLE Mesh的顯著優(yōu)勢，因為可以從Mesh參與者運行Provisioner應(yīng)用程序和（可選）Mesh User Application代碼（圖3）。調(diào)配是確定性和安全的過程，涉及交換密鑰以進(jìn)行相互認(rèn)證。
3.分層架構(gòu)使軟件工程師可以將開發(fā)工作完全集中在Mesh用戶和Provisioner應(yīng)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(shè)計具有強大的安全性。設(shè)置，身份驗證和消息傳遞必須經(jīng)過高度加密。網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用程序和設(shè)備安全性都可以使用不同的密鑰分別應(yīng)用，這提供了讓多個實體管理不同元素的方法。這些規(guī)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，并提供用戶數(shù)據(jù)隱私。
軟件架構(gòu)
圖3描繪了BLE Mesh節(jié)點中的軟件層。請注意，Mesh用戶和Provisioner應(yīng)用程序如何位于體系結(jié)構(gòu)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(yīng)商模型庫如何使添加專有功能，同時保持與藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的兼容性成為可能。
開發(fā)BLE Mesh產(chǎn)品
本節(jié)重點介紹BLE Mesh開發(fā)過程，包括使用的工具，并探討關(guān)鍵的設(shè)計注意事項。盡管BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)適用于多種應(yīng)用和用例，但出于兩個原因，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(biāo)準(zhǔn)。另一個是這種“智能建筑”應(yīng)用程序的普及，根據(jù)針對藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth SIG）進(jìn)行的研究，預(yù)計到2023年，單位出貨量的復(fù)合年均增長率（CAGR）為46％。
基本的開發(fā)過程始于定義設(shè)備的配置，該配置必須至少包括其節(jié)點類型，元素，模型以及所有特定于硬件和/或應(yīng)用程序的狀態(tài)以及回調(diào)函數(shù)。下一步涉及為應(yīng)用程序和BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)回調(diào)函數(shù)。
在開發(fā)過程中，從頭到尾通常會使用各種開源和特定于產(chǎn)品的工具。
對于支持BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品，設(shè)計注意事項至少涉及設(shè)備功能（或元素），mesh網(wǎng)絡(luò)大小，天線范圍，內(nèi)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(yù)配，管理和其他軟件的設(shè)計。
在所有產(chǎn)品開發(fā)工作中，通常都需要在各種設(shè)計注意事項之間進(jìn)行權(quán)衡。這種權(quán)衡的需要將在以下三種智能照明應(yīng)用中常用的產(chǎn)品中解決：開關(guān)，傳感器和照明器。如將顯示的那樣，大多數(shù)折衷方案的設(shè)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，用戶將希望能夠在幾乎任何地方部署開關(guān)和傳感器。由于某些設(shè)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的傳感器尤其如此。相比之下，物理開關(guān)從其本質(zhì)上就很容易訪問，因此，在沒有交流電源的地方，可以用可更換的原電池進(jìn)行設(shè)計。
對于BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)，將電池供電的設(shè)備設(shè)計為低功耗節(jié)點是有利的，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)點是可擴(kuò)展性，所以它們可能會變得很大。盡管大的數(shù)量的節(jié)點和大量的躍點很少是限制因素，但是產(chǎn)品應(yīng)設(shè)計為在需要跨越較大區(qū)域（可能是室外且節(jié)點相對較少）的小規(guī)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)品的天線范圍和/或在單獨的（可選）專用產(chǎn)品中提供中繼節(jié)點功能。
功耗與發(fā)射范圍有著千絲萬縷的聯(lián)系，而BLE Mesh標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計工程師提供了一些強大的功能（如雙關(guān)語），可以進(jìn)行所需的折衷。一種這樣的能力是能夠通過減小帶寬來擴(kuò)大范圍而不增加功耗。逆向能力也是可能的；也就是說，通過減小范圍來增加帶寬，而又不會增加功耗。
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，以及需要多久輪詢一次狀態(tài)變化？更頻繁的通信意味著更多的功耗，從而增加了對更大的原電池或?qū)沙潆婋姵氐哪芰渴占男枨蟆?/span>
圖4顯示了可用于產(chǎn)品原型設(shè)計和開發(fā)的評估板示例。請注意，其中包括了智能照明應(yīng)用中通常需要的三個功能：用于照明設(shè)備的LED，開關(guān)以及用于占用傳感器的PIR運動檢測器。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(yīng)用程序軟件所需的CPU，內(nèi)存和天線。
4.顯示的是用于原型設(shè)計和開發(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(shè)計和開發(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(lán)牙技術(shù)，這些系統(tǒng)通常用于供應(yīng)，配置和管理BLE Mesh產(chǎn)品，例如智能照明應(yīng)用中使用的開關(guān)，傳感器和照明設(shè)備。如上所述，由于Mesh用戶和Provisioner應(yīng)用程序位于BLE Mesh庫和核心功能之上，因此軟件開發(fā)人員可以將精力專門放在應(yīng)用程序而不是網(wǎng)絡(luò)上。這是網(wǎng)格用戶和預(yù)配器應(yīng)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(shè)置和刪除單個節(jié)點
配置發(fā)布和訂閱
發(fā)布GET消息以查詢元素的狀態(tài)
發(fā)布SET消息，對于照明應(yīng)用，該消息可能包括“開/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(yīng)商數(shù)據(jù)和供應(yīng)商模型
執(zhí)行空中（OTA）固件升級
選擇BLE網(wǎng)格組件
上一節(jié)中未涉及的另一個設(shè)計考慮因素是成本，這始終是開發(fā)任何產(chǎn)品的重要因素。成本始終具有兩個方面：設(shè)計產(chǎn)品和制造產(chǎn)品。選擇具成本效益的BLE Mesh組件還具有兩個方面：芯片及其軟件。芯片是片上系統(tǒng)（SoC）或系統(tǒng)級封裝（SiP）模塊，軟件是它們隨附的開發(fā)工具。
由于互操作性是 標(biāo)準(zhǔn)的根本原因，因此選擇BLE Mesh組件的基本要求是經(jīng)認(rèn)證符合Bluetooth SIG標(biāo)準(zhǔn)。這同樣適用于芯片和軟件，包括完整的藍(lán)牙BR / EDR和BLE Mesh協(xié)議棧以及所有相關(guān)庫。使用經(jīng)過藍(lán)牙SIG認(rèn)證的SoC，SiP和其他組件，設(shè)計工程師無需進(jìn)行嚴(yán)格的鑒定和互操作性測試。
在撰寫本文時，認(rèn)證適用于藍(lán)牙核心規(guī)范的5.0版和BLE Mesh規(guī)范的1.0版。BLE Mesh規(guī)范的2.0版預(yù)計將于2020年發(fā)布。
選擇BLE Mesh平臺時，設(shè)計工程師應(yīng)尋求滿足以下大多數(shù)或所有標(biāo)準(zhǔn)的解決方案：
從基本的電池供電傳感器到現(xiàn)在和可預(yù)見的將來可能需要的最復(fù)雜的設(shè)備，可以滿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)品上市時間，并降低了開發(fā)和制造成本。
超低功耗設(shè)計，具有天線類型和發(fā)射功率，可適應(yīng)所有預(yù)期的節(jié)點到節(jié)點距離。
對于所有可預(yù)見的應(yīng)用程序和升級，有足夠的CPU，內(nèi)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(yīng)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(tǒng)可以用于打開或關(guān)閉某些燈，以模擬人們在家中或被授權(quán)代碼停用。在這些情況下，同時支持Wi-Fi和BLE網(wǎng)絡(luò)的SoC或SiP組合模塊可簡化設(shè)計工作。
由于軟件開發(fā)環(huán)境，工具和庫與芯片同樣重要，因此請努力尋找滿足以下大多數(shù)或全部標(biāo)準(zhǔn)的解決方案：
易于使用的集成開發(fā)環(huán)境（IDE），抽象了底層協(xié)議的復(fù)雜性
軟件開發(fā)套件（SDK），示例軟件，原型硬件和開發(fā)人員社區(qū)，以協(xié)助軟件開發(fā)和測試工作
適用于在Android，iOS，Linux和Windows操作系統(tǒng)上運行的控制應(yīng)用程序的參考軟件設(shè)計
藍(lán)牙已經(jīng)在“個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)”應(yīng)用程序中無處不在，并且BLE Mesh的出現(xiàn)極大地擴(kuò)展了這種流行協(xié)議的潛在用例的規(guī)模和范圍。BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)提供的幾乎無限的可擴(kuò)展性和高彈性的結(jié)合，現(xiàn)在使藍(lán)牙應(yīng)用程序可以跨越建筑物，校園甚至整個城市。盡管此處使用的智能照明應(yīng)用程序是一個很好的例子，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(lán)牙帶來了另一個重要的優(yōu)勢：開發(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。