Проектирование с использованием сети Bluetooth:узлы и типы элементов

Бесспорно, Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE) доминирует в сфере Интернета вещей. Такие приложения, как умный дом, домашнее здравоохранение и отслеживание активов, значительно выигрывают от возможностей низкого энергопотребления BLE. Однако связь BLE между устройствами была ограничена либо «один к одному», либо «один ко многим». Кроме того, развертывание BLE затруднено из-за ограниченного диапазона, особенно в таких средах, как дома, где некоторые устройства могут быть скрыты за несколькими стенами относительно других устройств. Эти факторы затрудняют управление всем домом из одного места.

Связь «многие ко многим» необходима, чтобы любой узел мог получать сообщения от нескольких устройств и отправлять сообщения на несколько устройств. Например, рассмотрим группу из четырех лампочек, которыми нужно управлять с помощью нескольких мобильных телефонов. Они также должны иметь возможность получать сообщения Set от регулятора освещенности и / или датчика присутствия. Для этого требуется связь "многие ко многим".

Чтобы BLE был наиболее полезным в таких приложениях, как умный дом, умные здания и умные города, разработчикам требуется связь «многие ко многим» и механизм для расширения диапазона, позволяющий некоторым устройствам работать с использованием небольшой батареи. Bluetooth Mesh решает эти проблемы.

Bluetooth Mesh становится предпочтительной технологией домашней автоматизации, поскольку к узлам в сети Bluetooth Mesh можно получить доступ непосредственно с мобильного телефона или планшета без необходимости использования шлюза. Функциональная совместимость является ключом к успеху любого развертывания умного дома, поскольку каждый умный дом может использовать продукты от различных поставщиков. Стандартные форматы сообщений для определенных вариантов использования (моделей) обеспечивают быстрое развертывание и обеспечение взаимодействия с другими продуктами BLE Mesh.

В этой серии из пяти статей обсуждаются ключевые концепции, необходимые для понимания сети Bluetooth. В нем будут рассмотрены возможности Bluetooth Mesh с низким энергопотреблением, функции конфиденциальности и безопасности, а также то, как выбрать устройство для приложения умного дома. В этой первой статье из серии обсуждаются ключевые элементы ячеистой сети Bluetooth.

Ячеистая сеть Bluetooth

Ячеистая сеть Bluetooth состоит из узлов с несколькими типами функций. На рисунке 1 представлено высокоуровневое представление ячеистой сети Bluetooth. Как видно из рисунка, в нем есть узлы со следующими типами элементов:

• Узел / функция ретрансляции
• Узел с низким энергопотреблением (LPN) / функция
• Узел друзей / функция
• Прокси-узел / функция
• Поставщик

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рисунок 1. Ячеистая сеть Bluetooth (Источник:Cypress)

Каждый узел может поддерживать один или несколько типов функций. Например, узел R + F в этой сети поддерживает функцию Relay и Friend. Точно так же узел R + P поддерживает функции ретрансляции и прокси.

Функция ретрансляции позволяет узлу ретранслировать сообщения по рекламному носителю. Как правило, каждый узел с настенным питанием, вероятно, будет включать функцию ретрансляции, поскольку у них есть мощность, необходимая для непрерывного прослушивания рекламных пакетов и их ретрансляции на другие узлы. Примером используемой функции Relay является интеллектуальная лампочка или настенный выключатель света в приложении домашней автоматизации. С другой стороны, узлы, работающие на небольших батареях, вряд ли будут иметь функцию ретрансляции, поскольку для этого требуется, чтобы Rx был постоянно включен, а устройство прослушивало объявленные пакеты. Это приведет к быстрой разрядке аккумулятора.

Функция узла с низким энергопотреблением - одна из важнейших функций Bluetooth Mesh. В отличие от узла с функцией Relay, узел с функцией Low-Power Node не нуждается в постоянном прослушивании анонсированных пакетов. Узел с функцией Low-Power Node проводит большую часть своего времени в режиме низкого энергопотребления устройства, в то время как его узел Friend собирает сообщения от его имени. Узел с низким энергопотреблением просыпается через определенные интервалы и отправляет эхо-запрос на свой узел Друга, чтобы проверить наличие ожидающих сообщений. После связи с дружественным узлом узел с низким энергопотреблением возвращается в состояние сна с низким энергопотреблением. Это полезная функция для приложений, работающих от батареи. Такие приложения, как сенсорные узлы в домашней автоматизации, ценники в торговых точках и т. Д., Могут извлечь выгоду из функции узла с низким энергопотреблением.

Узел с функцией Друг будет прослушивать любые сообщения, которые ретранслируются в сети и предназначены для связанного узла с низким энергопотреблением. Узел Friend будет хранить эти сообщения и доставлять их на связанный узел с низким энергопотреблением, когда узел с низким энергопотреблением просыпается и запрашивает узел Friend. Поскольку дружественному узлу необходимо хранить сообщения для одного или нескольких узлов с низким энергопотреблением, дружественному узлу может потребоваться больше памяти, чем другим типам узлов. Требуемый объем памяти зависит от количества данных / команд, которые необходимо сохранить на узле Friend, которые будут переданы узлу с низким энергопотреблением во время операции опроса.

Функция прокси позволяет устройствам, таким как смартфон или шлюз Wi-Fi-Bluetooth Mesh, связываться с сетью Mesh. Узел с функцией прокси - это точка входа в Mesh-сеть для тех устройств, которые напрямую не поддерживают Bluetooth Mesh. В сети Bluetooth Mesh сообщения ретранслируются через носитель рекламы. Функция прокси позволяет узлу ретранслировать сообщения между GATT (General ATTribute) и рекламными носителями. В сети Bluetooth Mesh несколько узлов могут поддерживать функцию прокси. Любой узел, поддерживающий функцию прокси, может действовать как интерфейс для смартфона / ПК через соединение GATT. Наличие нескольких прокси-узлов - хорошая идея, так как если один прокси-узел выходит из строя, это не изолирует всю сеть от прокси-устройств. Эта функция делает Bluetooth Mesh более надежным по сравнению с другими технологиями Mesh, такими как ZigBee.

В сети Bluetooth Mesh подготовка это процесс добавления нового узла в сеть. Подготовка требует нескольких шагов, чтобы гарантировать, что непредусмотренные устройства не будут подключены к сети. Неинициализированное устройство будет отправлять маяки с заданным интервалом. Устройство инициализации инициирует процесс инициализации, как только неподготовленное устройство будет найдено и выбрано. В примере, показанном на Рисунке 1, смартфон и планшет действуют как устройства инициализации в сети.

Согласно спецификации Bluetooth, не все узлы являются обязательными. Другими словами, устройство может соответствовать требованиям Bluetooth Mesh без поддержки всех типов узлов / функций. Чаще всего поставщики микросхем не поддерживают функции Bluetooth SIG-Qualified Friend и Low Power Node. Это затрудняет поддержку приложений Bluetooth Mesh с питанием от батарей.

Чтобы узнать, какие типы узлов / функций Bluetooth Mesh поддерживаются устройством Bluetooth Mesh, перейдите на веб-сайт Bluetooth SIG и нажмите «Найти продукт». Затем введите продукт, для которого вы хотите узнать поддерживаемые типы узлов / функций.

Например, если вы хотите найти поддерживаемые типы узлов / функций на модуле Cypress Bluetooth Mesh CYBT-413034-02, введите это в поиске продукта, и он покажет идентификатор декларации, QDID, компанию, продукты, название спецификации и листинг. Дата для продукта. Щелкните идентификатор декларации, в данном случае D040142. На этой странице представлен список поддерживаемых устройством слоев. Там нажмите «View ICS Details». Это покажет список уровней основного протокола, а также профиль и службы. Вы можете нажать на каждую из них, чтобы узнать, какие функции поддерживаются. Если профиль сетки поддерживается, он будет указан в разделе «Традиционные профили».

Теперь нажмите MESH (Mesh Profiles). Это предоставляет список ролей и версий, а также требования к роли узла и информацию о том, поддерживается ли эта функция. Поскольку мы искали подробности о CYBT-413043-02, следующие снимки экрана с веб-сайта Bluetooth SIG показывают, что этот модуль поддерживает роли узла и провайдера, перечисленные в разделе «Роли» (см. Рисунок 2). Он также поддерживает функцию ретрансляции, как показано в разделе «Возможности сетевого уровня» (см. Рисунок 3). Поддерживаются функции Friend и Low-Power Node, как показано в разделе «Возможности верхнего транспортного уровня» (см. Рисунок 4). Функция прокси-сервера поддерживается, как показано в разделе «Возможность прокси» (см. Рис. 5).

Хотя это устройство поддерживает все эти типы узлов, стоит отметить, что, согласно комментариям, большинство этих типов узлов не являются обязательными. Например, функции Relay, Friend и Low Power Node являются необязательными, если поддерживается Advertising Bearer. Но для эффективной сети Bluetooth Mesh необходимы все эти типы функций.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 2. Роли и версии для конкретного продукта показаны на веб-сайте Bluetooth SIG. В этом случае продукт поддерживает роли как узла, так и провайдера. (Источник:Cypress)

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 3. На веб-сайте Bluetooth SIG также показаны возможности ролей узла для конкретного продукта. В этом случае продукт поддерживает функцию реле. (Источник:Cypress)

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 4. Функции Friend и Low-Power Node поддерживаются данным продуктом, как показано в разделе «Возможности верхнего транспортного уровня». (Источник:Cypress)

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 5. Функция прокси-сервера поддерживается, как показано в разделе «Возможности прокси». (Источник:Cypress)

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

В следующей статье этой серии мы поговорим о том, как происходит обмен данными в сети Bluetooth Mesh, и о различных концепциях, таких как модели Mesh, которые обеспечивают взаимодействие продуктов в каждом сегменте приложения.