Статья, как первая в серии MESH , знакомит с архитектурой и функциями протокола Bluetooth mesh 1.0 . В качестве дополнительного протокола к протоколу Bluetooth Low Energy протокол Bluetooth Mesh, независимый от Bluetooth 5.0, впервые представляет ячеистую сеть открытого стандарта для устройств Bluetooth Low Energy.

Сеть MESH — это маломощная беспроводная технология для умного дома и автоматизации зданий.Приложения. Во-первых, поскольку в SIG отсутствует поддержка сети MESH, инженерам пришлось заменить Bluetooth Low Energy на другие технологии (такие как ZigBee и Thread) для разработки приложений для умного дома. Ситуация продолжалась до тех пор, пока в середине 2017 года не была обнародована спецификация Bluetooth mesh. Теперь Bluetooth SIG решила проблему отсутствия сетей MESH, представив дополнительную спецификацию Bluetooth 5.0 — ячеистую сеть Bluetooth 1.0. Спецификация не требует поддержки другого оборудования и может работать на существующих микросхемах Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE4.0, BLE4.1, BLE4.2 и BLE5.0) путем прошивки микропрограммы. Некоторые производители чипов теперь могут поддерживать протокол Bluetooth Mesh 1.0.

1. Рынок BLE MESH сейчас

На сегодняшний день 73 компании в мире сертифицировали BLE MESH в SIG, а количество сертифицированных продуктов достигает 461. Эти данные включают общее количество сертификатов терминальных продуктов и чипа. В следующей таблице перечислены сертифицированные компании и количество сертификатов их продуктов, среди которых много терминальных продуктов, сертифицированных китайскими интернет-гигантами.

2. Преимущества MESH

Технология Bluetooth Low Energy изначально была разработана в дополнение к высокому энергопотреблению «классического» Bluetooth за счет распространения беспроводной технологии на устройства с батарейным питанием. Например, кардиопередатчики и игрушечные приложения с беспроводным управлением взаимодействуют с основным устройством (например, мобильным телефоном) с помощью технологии Bluetooth Low Energy. Даже ведущее устройство управляет несколькими ведомыми устройствами, образуя звездообразную сетевую топологию.

Благодаря совместимости Bluetooth с низким энергопотреблением и мобильными телефонами, Bluetooth с низким энергопотреблением можно быстро распространить на другие приложения, такие как управление освещением , умный дом и т. д. В этих типах приложений проявляются недостатки звездной сети. Например, решения Bluetooth с низким энергопотреблением могут работать только с ограниченным числом одновременных соединений (обычно с восемью). А осветительные приборы с более чем 8 лампочками не могут управляться одной командой, что приведет к задержкам управления. Лампочки, расположенные далеко от большого дома, могут не находиться в радиусе действия центрального контроллера, и его должны переключать узлы с функциями маршрутизации.

С момента запуска Bluetooth Low Energy были выпущены версии 4.1, 4.2, 5.0, 5.1 и 5.2. Были улучшены многие функции протокола, такие как дальность передачи, пропускная способность, пропускная способность широковещательных данных, позиционирование AoA/AoD и улучшения сосуществования . (некоторые из этих новых функций являются необязательными. Необязательный означает, что чип, который не поддерживает эти новые функции, также может быть чипом BLE 5.0).

Bluetooth Mesh 1.0 — это не просто обновление BLE 5, а набор протоколов, независимых от протокола Bluetooth. И чипы любой предыдущей версии (BLE 4.0, BLE 4.1, BLE 4.2, BLE 5.0) можно обновить. При наличии достаточных ресурсов флэш-памяти и ОЗУ для запуска сетки Bluetooth требуется только обновить прошивку.

Когда узел Bluetooth MESH получает сообщение, он передает данные, полученные от низкоэнергетического уровня Bluetooth, на уровень переноса, затем данные передаются на сетевой уровень через уровень переноса. Сетевой уровень использует различные проверки, чтобы решить, следует ли передать сообщение нижнему транспортному уровню или отбросить его.

Спецификация Bluetooth MESH определяет новый базовый протокол. Некоторые уровни базовых протоколов имеют общие концепции с уровнями базовых протоколов Bluetooth с низким энергопотреблением, но эти два протокола не полностью совместимы друг с другом. Это отличается от таких технологий, как ZigBee и Thread. ZigBee и Thread с самого начала разрабатывались как сети MESH. Базовые спецификации основаны на 802.15.4, но совместимость с другими основными протоколами не рассматривалась. (В последние два года ZigBee рассматривал возможность использования точки на верхнем уровне для обеспечения совместимости с другими сетевыми протоколами и обеспечения взаимосвязи. Для получения подробной информации см. https://zigbeealliance.org/solution/dotdot/ )

Существует четыре типа сетевых узлов:

Узел ретрансляции получает и ретранслирует сообщения сетки Bluetooth, используя рекламный канал. Недостатком релейных узлов является то, что они должны постоянно поддерживать состояние готовности, что сильно увеличивает энергопотребление. Это мало влияет на приложения, питающиеся от сети, такие как интеллектуальное освещение, но это большая проблема для узлов с батарейным питанием, таких как коммутаторы, встроенные в сеть.

Узлы с низким энергопотреблением используют стандартные функции энергосбережения Bluetooth Low Energy (т. е. сохраняют спящий режим в течение длительного времени), поэтому они могут работать в течение длительного времени за счет батареи или сбора энергии. LPN работают в тандеме с узлом Friend, который не имеет ограничений по мощности (egit имеет постоянный источник питания переменного тока). Друг хранит сообщения, адресованные LPN, и доставляет их LPN всякий раз, когда LPN опрашивает узел Friend на наличие «ожидающих сообщений». Когда LPN переходит в режим приема (по заранее заданному расписанию), он получает сохраненное сообщение и следует инструкциям, после чего возвращается в энергосберегающий спящий режим.

Узлы друзей
Узлы друзей могут хранить и позже пересылать сообщения, адресованные ассоциированному узлу с низким энергопотреблением. Когда узел Low power просыпается и опрашивает узел Friend, Friend передает эти сообщения соответствующему узлу Low power. Дружественные узлы будут занимать больше памяти, чем другие типы узлов, потому что им необходимо хранить сообщения для одного или нескольких узлов с низким энергопотреблением. Требуемый объем памяти зависит от объема данных/команд, которые необходимо хранить в узлах «Друзья» и отправлять на узлы с низким энергопотреблением во время операций опроса.

Прокси-узлы
Прокси-узел является ключом к тому, чтобы позволить неячеистым устройствам Bluetooth с низким энергопотреблением (таким как мобильный телефон) быть частью ячеистой сети Bluetooth. Прокси-узлы предоставляют интерфейс GATT, который устройства Bluetooth LE могут использовать для взаимодействия с ячеистой сетью. Прокси-узел может получать сообщения по одному каналу (рекламному или GATT) и ретранслировать их по другому (рекламному или GATT). Основной целью прокси-узла является выполнение преобразования носителя. Он может конвертироваться из рекламного носителя в носитель ГАТТ и наоборот. Следовательно, устройство, которое не поддерживает рекламный носитель, вместо этого может отправлять и принимать различные типы сообщений сетки Bluetooth через соединение GATT. Например, эта функция полезна, когда пользователь хочет использовать традиционный смартфон для управления сетью интеллектуального освещения.

На рисунке показан пример простой ячеистой сети Bluetooth. В этом примере большинство узлов, таких как лампочки, питаются от сети и могут непрерывно сканировать рекламные каналы на наличие входящих сообщений. Некоторые из этих узлов могут также поддерживать функции ретрансляции, прокси и друзей. Кроме того, в топологии этого примера датчик температуры с низким энергопотреблением использует функцию низкого энергопотребления, и ему помогает один из узлов с питанием от сети, в котором реализована функция друга. Точно так же смартфон, не поддерживающий рекламный носитель, взаимодействует с ячеистой сетью через узел, поддерживающий функцию прокси.

Кроме того, новый узел необходимо настроить перед присоединением к ячеистой сети, чтобы гарантировать, что новое устройство является доверенным устройством и может получить доступ ко всем узлам в сети. После входа сеть MESH назначает адреса, типы устройств и ключи устройств для нового узла. Затем ключ устройства используется для установления безопасного канала для настройки новых узлов. Теоретически сеть Bluetooth MESH может поддерживать до 32 000 узлов.

5. Архитектура Bluetooth MESH

Ячеистая сеть Bluetooth использует технологию «затопления» для отправки сообщений в сети (это похоже на способ распространения вируса). Каждый пакет данных пересылается другим узлам в сети до тех пор, пока сообщение не достигнет целевого узла. Широковещательная рассылка сообщений может быть для одного узла, группы узлов и всех узлов. Например, мы можем определить все источники света в одной комнате как групповой адрес. Спецификация сетки Bluetooth определяет четыре фиксированных групповых адреса: «Все прокси», «Все друзья», «Все ретрансляторы» и «Все узлы». (LPN не имеет функции пересылки сообщений, потому что он должен поддерживать низкое энергопотребление.)

Ячеистая архитектура с лавинной рассылкой и возможность выбора группового адреса улучшают поддержку ячеистой сети Bluetooth для приложений «умный дом». Например, если шлюзовое устройство в сети MESH получает команду «ВКЛ», которую можно быстро транслировать на всю сеть через сеть MESH. Каждое узловое устройство в сети получает команду и выполняет соответствующие действия, свет в целевой группе может быть включен немедленно.

По сравнению со звездной сетью минимальное время ожидания среднего получения данных для узлов сети MESH намного ниже, чем у звездной сети. Потому что центральное устройство должно отправлять отдельную команду на каждую подключенную лампочку в звездообразной сети. И ЦП должен отправлять команды всем подустройствам через определенные промежутки времени.

Есть некоторые различия между Bluetooth MESH и традиционным Bluetooth. Все данные сетки будут передаваться только по трем рекламным каналам 37, 38 и 39. У этого есть свои преимущества и недостатки. Преимуществом является высокая эффективность и простой способ передачи. А недостатком является то, что это снижает пропускную способность сети и увеличивает риск перегрузки.

В сети MESH существует два метода обработки перегрузок: первый — это TTL (Time To Live) , который определяет, сколько раз конкретный пакет может быть перенаправлен (обычно три шага). Второй — сетевой кэш . Устройство будет транслировать только один раз после захвата пересылаемого пакета данных. Устройство не будет пересылать его дальше, когда в следующий раз получит тот же информационный пакет, переданный другими устройствами.

Разработчики также могут использовать дополнительные групповые маршруты доставки и сохранить функцию ретрансляции. После настройки узел может принимать пакет данных, но не может его передавать. Следовательно, гибкость узла станет плохой.

6. Модель BLE MESH

Концепция модели MESH аналогична концепции профиля Bluetooth. Модель определяет общедоступную информационную структуру, которая может содержать один или несколько сервисов (понятие модели используется для определения терминальных устройств).

Модель содержит конкретные поведения и службы узлов, а также определяет набор состояний и сообщений, которые воздействуют на состояние. Стандартная модель может работать в типичных приложениях, таких как конфигурация устройств, показания датчиков и управление освещением. И разработчики также могут создавать собственные модели.

Модели в узлах располагаются по элементам. Каждый элемент действует как виртуальный объект в сетке с уникальным адресом, и каждое входящее сообщение обрабатывается моделью в элементе.

Различные модели взаимодействуют друг с другом посредством «публикации и подписки». Публикующий узел отправляет сообщение, а узел, сконфигурированный для подписки, обрабатывает его после получения сообщения.

На следующем рисунке мы видим, что узел «Switch 1» публикуется на групповой адрес Kitchen. Узлы Light 1, Light 2 и Light 3 подписываются на адрес Kitchen и поэтому получают и обрабатывают сообщения, публикуемые на этот адрес. Другими словами, Light 1, Light 2 и Light 3 можно включать и выключать с помощью переключателя 1.

Switch 2 публикует на групповой адрес Dining Room. Только свет 3 подписался на этот адрес, и поэтому он является единственным светом, управляемым коммутатором 2. Обратите внимание, что этот пример также иллюстрирует тот факт, что узлы могут подписываться на сообщения, адресованные более чем одному отдельному адресу. Это мощно и гибко.

Точно так же обратите внимание, как оба узла Switch 5 и Switch 6 публикуются на одном и том же адресе Garden.

7. Сеть конфигурации Bluetooth Mesh

На следующем рисунке показан пример полной конфигурации сетевой подписки. Этот процесс является стандартным для оборудования регистрации сети с конфигурацией Bluetooth MESH. Вначале лампочка отправляет сигнал в сеть MESH, чтобы сообщить, что она ищет сеть для присоединения. Узел конфигурации аутентифицирует маяк-лампочку и приглашает его присоединиться к сети. Если аутентификация прошла успешно, устройству будут предоставлены необходимые ключи и адреса для подключения к сети и подготовки к настройке. Затем лампочка снабжена ключом приложения «домашняя автоматизация». Он установит статус публикации «сервера OnOff» (управляющая лампочка) и, наконец, добавит подписку в «световую группу».

8. Приложения Bluetooth MESH

Основываясь на предварительной статистике сертифицированных SIG продуктов, было обнаружено, что приложения BLE MESH в основном сосредоточены в приложениях для умного дома и управления освещением, при этом на управление освещением приходится 60%, на умные дома - 30%, а на последние 10%. принадлежащий оригинальной сертификации чипов производителя и нишевому рыночному приложению. BLE MESH, несомненно, является крупнейшим конкурентом ZigBee .