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，在消费电子，医疗保健，工业自动化和资产跟踪中有无数的应用。现在，通过添加低功耗蓝牙（BLE）网格作为网络层，甚至可以同时控制和监视数百个（甚至数千个）设备。但是，这些新功能为开发人员增加了复杂性。

蓝牙的众多优势已使其无处不在。蓝牙标准由专业小组（SIG）维护和改进，该小组在撰写本文时在150个国家/地区拥有约33,000个成员。原始标准指定了点对点（1：1）连接，后来又添加了多点（一对多或1：m）和网格（许多对多或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的规模和范围。BLE Mesh支持超过30,000个网络节点，可以处理跨越大型建筑物，医疗保健企业和校园的应用程序。

蓝牙的采用已迅速增长，并预计将继续快速发展（图1）。如此普遍的使用使蓝牙网络几乎遍及所有平台，包括智能手机和平板电脑，智能手表，笔记本电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/用户的熟悉度，这使蓝牙成为许多新应用程序的明显选择。

1.蓝牙在整个终端市场中继续普遍使用，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

网状网络拓扑具有两个显着优势：几乎无限的可扩展性和高弹性，这两者都促使该协议在产品设计工程师中广受欢迎。这些优势源于多对多通信，这些通信形成了整个网络中从源到目的地的多条路径（图2）。

2. BLE Mesh几乎无限的可扩展性和高弹性使其适用于各种新的和苛刻的用例

m：m连接可确保成功进行通信，即使多个节点发生故障或暂时或退出服务也是如此。换种说法：BLE Mesh网络可以扩展到很远而没有任何单点故障。

网格节点类型

可扩展拓扑使BLE Mesh网络理论上最多支持32,767个节点，这个数目对实际应用没有实际限制。该标准定义了四种类型的节点，并且可以将任何单个节点配置为支持多种类型：

中继节点重新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BLE Mesh设备均应支持此功能。

低功耗节点（LPN）主要用于电池供电的低占空比传感器。为了较大程度地降低功耗，通常会为LPN分配一个伴随的“节点”，以充当消息的中介。

节点代表其分配的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以接收可能在其队列中的任何新消息。

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

网格节点元素

每个节点都必须具有定义其基本功能的主要标识元素。它们还可以可选地具有一个或多个辅助元素以定义其他功能。例如，开关（主要元件）也可能具有占用传感器作为次要元件。或者，占用传感器（主要元素）也可能具有照明级别传感器作为次要元素。

网状网络地址

BLE Mesh网络中有四种类型的地址，所有这些地址都是在安全设置过程中分配的。请注意，地址已分配给元素，这意味着具有多个元素的节点将具有多个地址。

单播地址唯一地标识每个单独的元素，以实现点对点通信。

组地址代表启用多播通信的多个元素。蓝牙SIG定义了四个固定组地址：全代理，全友，全中继和全节点。

虚拟地址创建元素或节点的虚拟组，以启用其他动态多播通信功能。

未分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节点采用三种不同类型的模型之一：客户端，服务器或控制。这些模型由节点的一个或多个基本功能决定，因为可以在单个节点中实现多个模型。

服务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务器模型进行交互。例如，当使用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务器模型，并且通常包括控制逻辑（即规则和行为）。例如，具有环境光传感器的室外照明器可以被配置为在黄昏时打开并且在黎明时关闭并且可以打开和关闭室内入口照明器。

消息和消息

BLE Mesh网络中的消息分为两类：用于实现应用程序的访问消息和用于管理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，因为访问消息是请求，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消息作为响应。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消息还可以由元素发起，以定期报告其状态值。

通信作为可管理的消息泛滥在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”以确保有效有效地利用可用带宽。托管洪水的关键是所使用的发布/订阅组消息传递。任何节点都可以发布或发送消息，并且每个节点都配置为仅订阅或处理其收到的某些消息，而其他所有消息则根据需要进行中继。这两个方面的结合有助于使BLE Mesh网络具有行业领先的价格/性能，可伸缩性和可靠性。

设备配置

必须先配置所有已安装的设备，然后才能加入BLE Mesh网络。设置通常由智能手机，平板电脑或PC上运行的应用程序执行。这是BLE Mesh的显着优势，因为可以从Mesh参与者运行Provisioner应用程序和（可选）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.分层架构使软件工程师可以将开发工作完全集中在Mesh用户和Provisioner应用程序上，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，应用程序和设备安全性都可以使用不同的密钥分别应用，这提供了让多个实体管理不同元素的方法。这些规定可防止各种形式的物理和虚拟攻击，包括蛮力，重放，中间人和垃圾桶，并提供用户数据隐私。

软件架构

图3描绘了BLE Mesh节点中的软件层。请注意，Mesh用户和Provisioner应用程序如何位于体系结构的顶部，库和核心功能的上方，以使它们独立于底层BLE Mesh网络。还请注意，网格供应商模型库如何使添加专有功能，同时保持与蓝牙标准的兼容性成为可能。

开发BLE Mesh产品

本节重点介绍BLE Mesh开发过程，包括使用的工具，并探讨关键的设计注意事项。尽管BLE Mesh网络适用于多种应用和用例，但出于两个原因，此处以智能照明为例。其中之一是建立了以照明为基本用例的标准。另一个是这种“智能建筑”应用程序的普及，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长率（CAGR）为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，模型以及所有特定于硬件和/或应用程序的状态以及回调函数。下一步涉及为应用程序和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（或元素），mesh网络大小，天线范围，内存要求，功耗和成本。必须单独考虑在智能手机，平板电脑或PC上运行的预配，管理和其他软件的设计。

在所有产品开发工作中，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照明应用中常用的产品中解决：开关，传感器和照明器。如将显示的那样，大多数折衷方案的设计考虑因素是功耗。

为了较大程度地提高多功能性并因此较大化智能照明的优势，用户将希望能够在几乎任何地方部署开关和传感器。由于某些设备可能部署在不易接近的位置，因此使用可充电电池收集能量可能是理想的功能。对于测量照度或感测乘员的有无的传感器尤其如此。相比之下，物理开关从其本质上就很容易访问，因此，在没有交流电源的地方，可以用可更换的原电池进行设计。

对于BLE Mesh网络，将电池供电的设备设计为低功耗节点是有利的，这取决于Friend Node功能的可用性。此要求可以在产品的文档中加以说明和/或在确保具有外部电源的系列产品（例如照明器）中提供。

因为BLE Mesh网络的主要优点是可扩展性，所以它们可能会变得很大。尽管大的数量的节点和大量的跃点很少是限制因素，但是产品应设计为在需要跨越较大区域（可能是室外且节点相对较少）的小规模部署中工作。在这些使用情况下，可能有必要促进增加产品的天线范围和/或在单独的（可选）专用产品中提供中继节点功能。

功耗与发射范围有着千丝万缕的联系，而BLE Mesh标准为设计工程师提供了一些强大的功能（如双关语），可以进行所需的折衷。一种这样的能力是能够通过减小带宽来扩大范围而不增加功耗。逆向能力也是可能的；也就是说，通过减小范围来增加带宽，而又不会增加功耗。

产品的其他方面可以提高其功耗的重要性。例如，传感器需要有多敏感，以及需要多久轮询一次状态变化？更频繁的通信意味着更多的功耗，从而增加了对更大的原电池或对可充电电池的能量收集的需求。

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

4.显示的是用于原型设计和开发智能照明产品的评估板。背面的电池盒未显示

显示的是用于原型设计和开发智能照明产品的评估板。背面的电池盒未显示。

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

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，该消息可能包括“开/关”，“水平”，“亮度和亮度色相”，“饱和度”，“亮度色温”和“ Delta UV”

发布SET消息以获取供应商数据和供应商模型

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协议栈以及所有相关库。使用经过蓝牙SIG认证的SoC，SiP和其他组件，设计工程师无需进行严格的鉴定和互操作性测试。

在撰写本文时，认证适用于蓝牙核心规范的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数或所有标准的解决方案：

从基本的电池供电传感器到现在和可预见的将来可能需要的最复杂的设备，可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，具有天线类型和发射功率，可适应所有预期的节点到节点距离。

对于所有可预见的应用程序和升级，有足够的CPU，内存（闪存和RAM）和I / O。

对于可能需要BLE Mesh网络与Wi-Fi网络通信的应用程序，将需要某种形式的网关功能。例如，家庭安全系统可以用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。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数或全部标准的解决方案：

易于使用的集成开发环境（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区，以协助软件开发和测试工作

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

蓝牙已经在“个人区域网络”应用程序中无处不在，并且BLE Mesh的出现极大地扩展了这种流行协议的潜在用例的规模和范围。BLE Mesh网络提供的几乎无限的可扩展性和高弹性的结合，现在使蓝牙应用程序可以跨越建筑物，校园甚至整个城市。尽管此处使用的智能照明应用程序是一个很好的例子，但BLE Mesh的潜在用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：开发新产品所需的成熟技术，工具和软件的可用性。鼓励有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”部分中列出的文档和链接。