Проектирование с помощью Bluetooth Mesh:связь узлов

В первой части этой серии статей был представлен обзор Bluetooth Mesh, а также поддерживаемых им базовых узлов и типов функций. В этом выпуске рассказывается, как происходит обмен данными в сети Bluetooth Mesh, и рассматриваются различные концепции, которые важно понимать при разработке приложения с помощью Bluetooth Mesh.

Связь от одного узла к другому

Bluetooth Mesh использует управляемый флуд . операция по передаче сообщений от одного узла к другому. Управляемая лавинная рассылка - это реализация с несколькими путями, которая включает в себя достаточную избыточность, чтобы гарантировать, что сообщение достигнет места назначения.

В базовой реализации лавинной рассылки каждый узел слепо ретранслирует каждое полученное сообщение. Операция управляемой рассылки Bluetooth Mesh не позволяет устройствам Mesh ретранслировать ранее полученные сообщения, добавляя все сообщения в кэшированный список. Когда сообщение получено, оно сверяется со списком и игнорируется, если оно уже есть. Кроме того, каждое сообщение включает значение времени жизни (TTL), которое ограничивает количество раз, когда сообщение может быть ретранслировано в сети. Каждый раз, когда сообщение принимается и затем ретранслируется (до 126 раз) любым устройством, значение TTL уменьшается на 1.

Сетка Bluetooth реализует связь на основе публикации и подписки подход, гарантирующий, что различные типы продуктов могут сосуществовать в сети, не беспокоясь о сообщениях от устройств, которые им не нужно слушать. Узел издателя отправляет сообщения только узлам, которые подписались на издателя, и будет действовать в соответствии с этими сообщениями. Примером этой операции является использование в разных комнатах вашего дома. Каждая комната могла подписаться на сообщения от определенных выключателей света для этой комнаты. Кроме того, сообщения могут быть одноадресными, многоадресными и / или широковещательными, что означает, что сообщение может достигать одного, нескольких или всех узлов в сети.

На рисунке 1 показан пример реализации связи Bluetooth Mesh на основе публикации и подписки с использованием оценочных комплектов CYBT-213043-MESH. В комплекте CYBT-213043-MESH используется модуль CYBT-213043-02 для реализации связи Bluetooth Mesh. В сочетании со встроенной пользовательской кнопкой и светодиодом RGB оценочные платы имитируют переключатель Bluetooth Mesh Switch и лампочку Bluetooth Mesh соответственно.

Рис. 1. Пример публикации и подписки Bluetooth Mesh для подключенного освещения. (Источник:Cypress)

Как показано на рисунке, первый переключатель слева публикует сообщения в группу «Столовая». Первая и вторая лампочки справа подписаны только на группу «Столовая». Однако третья лампочка подписалась на сообщения из групп «Столовая» и «Кухня». Таким образом, когда Switch 1 публикует сообщения, можно управлять первыми тремя лампочками (Столовая и Кухня). Однако, когда Switch 2 публикует сообщения, можно управлять только третьей лампочкой (Кухня).

Архитектура узлов сети

Теперь, когда мы уже обсуждали, как сообщения передаются между узлами, давайте посмотрим на архитектуру узла Bluetooth Mesh на функциональном уровне и посмотрим, что делает устройства Bluetooth Mesh совместимыми.

Элементы определить функциональность узла. Каждый узел имеет по крайней мере один элемент, называемый «первичным элементом». Например, лампочка обычно имеет один элемент. Этот элемент предоставляет функции включения / выключения и управления яркостью узла. Другой пример - регулируемая лампочка со встроенным датчиком присутствия. Этот узел будет иметь два Элемента. Первый элемент используется для функции освещения, а второй - для функции датчика. Первичным элементом в данном случае будет функция освещения.

Каждый элемент в узле имеет уникальный адрес, известный как одноадресный адрес. Это позволяет адресовать каждый элемент независимо от других элементов в том же узле. На рисунке 2 показаны примеры обоих типов узлов - первый только с одним элементом, а другой - с двумя элементами. На рисунке 2 также показаны дополнительные концепции, которые обсуждаются в следующих разделах, и их связь друг с другом в реализации Bluetooth Mesh.

Рисунок 2. Узлы с одним и двумя элементами. (Источник:Cypress)

Каждый узел сети Bluetooth использует одну или несколько моделей сетки. которые определяют функциональность данного узла. Модели аналогичны Сервисам в обычных Bluetooth-устройствах. Существует три типа моделей сетки - модели клиента, модели сервера и модели управления (которые реализуют как клиент, так и сервер в одной модели).

Модель сервера может иметь одно или несколько состояний, охватывающих один или несколько элементов. Модель сервера раскрывает состояние элементов устройства, которые могут считываться или контролироваться узлом клиента. Например, лампочка Bluetooth Mesh использует модель сервера. В этом приложении можно использовать либо сервер включения / выключения, либо сервер Light Lightness. Модель On / Off Server покажет текущее состояние лампочки и изменит состояние на основе ввода клиента, чтобы переключить состояние лампочки между On и Off. Если используется сервер Light Lightness, он позволит клиенту считывать текущее состояние лампы, управлять ее яркостью и включать или выключать ее. Другим применением модели Сервера может быть узел датчика, который позволяет Клиенту только считывать состояние датчика, но не позволяет изменять его состояние.

Клиентская модель позволяет другим узлам отправлять сообщения для запроса и / или изменения состояния узла сервера. Наиболее распространенным примером приложения с клиентской моделью является коммутатор Bluetooth Mesh Switch. Коммутатор Bluetooth Mesh Switch может использовать клиентскую модель включения / выключения. Он может либо запросить текущее состояние серверного устройства, либо отправить сообщение, чтобы изменить состояние на Вкл. Или Выкл. Другой пример - сетчатый диммер Bluetooth, использующий клиент уровня. Помимо возможностей переключателя, эта модель позволяет управлять уровнем выходной мощности сервера, например регулировать яркость лампочки.

В большинстве приложений модели сервера и клиента должны использоваться вместе с некоторым управляющим кодом, который действует на основе полученных сообщений или ввода данных пользователем. Комбинация модели сервера и / или клиента и логики управления приводит к модели управления .

Модели с сеткой Bluetooth могут расширять функциональность других моделей. Эта возможность позволяет управлять узлами Mesh с разными возможностями одним и тем же сообщением.

Давайте возьмем пример применения освещения. Лампа, которая позволяет регулировать яркость, обычно использует модель Light Lightness Server. Некоторые лампы могут использовать модель сервера общего уровня для управления выходной мощностью и, следовательно, яркостью. Базовая Bluetooth Mesh Bulb с возможностью включения / выключения, скорее всего, будет использовать модель On / Off Server. Однако модель Lightness Server расширяет функциональные возможности модели On / Off Server и модели Level Server. Это означает, что сообщение On / Off, отправленное клиентом On / Off, будет контролировать состояние всех трех типов ламп независимо от используемой модели.

Условия элемента хранятся в состояниях . Каждое состояние - это значение определенного типа. Помимо значений, состояния имеют поведение, связанное с этим состоянием. Эти состояния определяются Bluetooth SIG. Например, сервер включения / выключения в лампочке включения / выключения или контроллере спринклера будет иметь состояние, называемое Generic OnOff, которое может иметь одно из двух значений - ON и OFF. Это полезно для таких устройств, как лампочки или контроллеры спринклерных систем. Термин «Generic» используется для обозначения того, что это состояние и его поведение могут быть полезны в различных типах устройств Mesh.

Вы также можете посмотреть видео «Узнать больше о Bluetooth Mesh» для получения дополнительной информации о связи Bluetooth Mesh и о том, как начать работу с дизайном Bluetooth Mesh.

В следующей части этой серии статей мы рассмотрим функции конфиденциальности и безопасности Bluetooth Mesh.