0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

对Mesh网络的支持使低功耗蓝牙技术进入更加广泛的应用领域

Nordic半导体 2018-02-07 14:02 次阅读

低功耗蓝牙新推出的mesh网络规范,扩展了最初面向的消费者应用领域,增强了其在楼宇自动化应用方面的可适宜性

对Mesh网络的支持使低功耗蓝牙技术进入更加广泛的应用领域

虽然低功耗蓝牙(Bluetooth® Low Energy / Bluetooth LE)技术作为物联网(IoT)的基础技术已经取得重大进展,但它仍然存在一个弱点: 因为它主要用于支持电池供电的外设与智能手机等中央设备的通信,该技术无法支持mesh网络。现在,蓝牙mesh 1.0规范消除了这个弱点。

Mesh网络允许网络中的设备(“节点”)相互通信而无需中央枢纽设备,如果需要,可以经由其它节点中继来传播数据包。这样的系统实现了更大的通信范围、灵活性和冗余,并且是所有典型IoT无线技术的先决条件。蓝牙mesh网络的主要应用包括企业照明设施、用于托管信标的后端管理,以及工业监控。

一些企业,特别是Silvair,认为这项需求是不可或缺的,并开发了基于低功耗蓝牙技术的专有mesh解决方案来填补这个空白。令人惊喜的是这家公司工程师在起草正式的蓝牙mesh规范方面发挥了重要的作用。蓝牙mesh规范已经在7月份正式发布。

并不仅仅适用于蓝牙5

由于开发人员熟悉蓝牙技术的发展路线,可能假设蓝牙mesh是蓝牙5的一个新特性——但是情况并不是这样的。实际上,通过软件更新任何兼容蓝牙4.0(或更高版本的)低功耗蓝牙芯片都能够支持蓝牙mesh。这允许正在使用专有mesh联网的低功耗蓝牙设备通过空中升级实现兼容标准蓝牙mesh网络。

这并不意味着设备无需更新应用程序固件。蓝牙mesh是一个具有七层(承载, 网络,下层和上层运输, 访问,基础模式, 以及模式)的全新架构,建立于标准低功耗蓝牙物理层(射频)之上(参见图1)。一个节点在接收信息时,将信息从下层的低功耗蓝牙物理层向上层传播,经由承载层至网络层。网络层使用多个检查方法来决定将信息传递到协议栈上层或丢弃(参考1提供了解有关这些层的功能的更多信息)。

对Mesh网络的支持使低功耗蓝牙技术进入更加广泛的应用领域

图 1: 蓝牙mesh协议栈位于低功耗蓝牙的物理层上面

来源:蓝牙技术联盟(SIG)

蓝牙mesh规范详细描述了四种“节点”:“中继节点”、“低功耗节点”、“朋友节点”和“代理节点”。

中继节点能够重新发送所接收到的数据包,并且通过这个机制,使数据包可以在整个网络上快速传播。中继机制的缺点是耗电量增加,这是由于它依赖于保持“醒着的”节点。虽然在mesh网络配置中低功耗蓝牙的功耗远低于其他竞争技术,但这样的运作模式单单依靠电池供电是无法持久的。对于智能照明等应用来说,这并不是缺点,因为灯具通过接入主干供电系统为LED供电,但这对于加入网络中的其它非主干系统供电设备,比如设备开关,则可能不适用。

为了解决这个问题,蓝牙网络引入了“低功耗节点”(LPN),可以使用电池或能源采集来供电。LPN与“朋友节点”协同工作,朋友节点通常是由主干系统供电,因而能够永远保持唤醒状态;这些设备会缓存发往LPN的信息。LPN根据预先设定的进程表切换至“接收”模式,接收缓存的信息,根据指令进行操作,然后快速度返回省电的“睡眠”状态。

“代理节点”允许支持低功耗蓝牙但不支持蓝牙mesh的设备 (例如现在的智能手机)连接至蓝牙Mesh网络。通过节点和代理设备的通用属性配置文件(GATT) 接口实现交互(参见图2)。

图2: 代理节点(“P”)允许不支持蓝牙mesh的低功耗蓝牙设备(例如智能手机)连接至蓝牙mesh网络

来源:蓝牙技术联盟(SIG)

蓝牙mesh借鉴了蓝牙技术的GATT“配置文件”的概念,允许不同的情况下使用相同的信息结构。然而由于mesh的分布式特性,两种技术的配置文件的设计是不同的。为了避免GATT配置文件被误认为是mesh网络配置文件,因此mesh配置文件称作“模式”。

蓝牙mesh1.0包括“配置”、“心跳”和“健康”基础模式,“mesh模式”是基础模式的扩充,比如“通用”、“照明”、“传感器”和“场景”等。与GATT配置文件类似,用户还可以创建定制的基础和mesh模式(关于模式相关的话题,建议读者阅读“参考1”以了解更多的细节)。

照明驱动

智能照明是无线IoT 技术的先驱应用,许多早期的蓝牙网络规范就是专为这个应用定制的。蓝牙技术联盟(SIG)在博客中这样说到:“蓝牙mesh将在商业照明应用中产生巨大的深刻影响。”

那就是说,集成用于智能照明的机制可以方便地支持其它的关键应用,比如信标、安全网络,以及加热、通风和空调(HVAC)网络。这些机制中的关键是通过“泛洪”(flooding)进行通信,把每个数据包向网络中的其他节点广播,直至到达目标节点。

三种类型寻址可配合泛洪:“单播”(在初始节点设置期间使用)、 “群组”,以及“虚拟”(主要由设备制造商用来 ‘标记’产品)。在这些当中,群组寻址最适用于日常操作。群组地址是代表着网络中一个或多个元素的组播地址。SIG定义了四个“固定群组地址”,称作“全代理”、 “全朋友”,“全中继”,以及“全节点”,分别对应上面定义的节点类型。

除了这些群组地址,安装商很可能在配置期间分配动态群组地址,以期反映现实的mesh布局。例如,动态群组地址可以分配至建筑中每个房间的灯具。

泛洪mesh和群组寻址对于主要的智能家居应用,例如照明,是有意义的。泛洪mesh允许开关向智能照明群组发送“ON”指令,通过网络进行快速传播,每个节点接收指令并且相应地执行指令。目标群组的灯将迅速点亮。相比需要中枢来向每个连接的灯具传送单独指令的网络,例如星形网络,泛洪mesh的延迟可降低很多。

泛洪架构还带来了其它的优势,但也包括一些缺点。一个主要的附加优势是简化,特别是把通信限制在低功耗蓝牙技术的三个广播和扫描信道上 (请记住这项技术拥有总共40个频率信道)。但是这样的缺点是带宽减小了,原因是需要管理通信,以防止数据包超出这些信道。

这项规范包括了多个机制,以缓减广播和扫描信道的拥堵。首先是定义一个特定的数据包,这是一个计算中继传输次数数目的“Time-To-Live”(TTL)计数器,在满足定义的步骤数目之后,将不会继续进行中继传输。

例如,设置TTL计数器为3,允许一个数据包从起源开始最多传递三次,而后不再重新传播。

第二个防止拥堵的机制是数据包的消息缓存。数据包在整个mesh传输后,最终只会形成缓存——缓存可以安全地认为该数据包不必在当前节点进行传播。“可选中继”功能也可以限制mesh拥堵。通过关闭中继,节点可以接收数据包而不传送。可选中继增加了复杂性——因为设计人员必需折衷权衡mesh灵活性和带宽消耗——这样做可以提升总体mesh的性能。

安全第一

蓝牙mesh将蓝牙技术更深入地引入到IoT中——使安全变得至关重要。因此,蓝牙mesh的设计人员必须确保网络、各项应用,以及装置全部是安全的,并且无法被非法关闭或限制。对于蓝牙mesh,安全特性不是可选的,而是强制的。

这个强制性方法是从“配置”开始的,配置是使外部设备变成mesh网络节点的过程,可以由智能手机或平板电脑上的app来实现。这个过程有五个步骤:广播(指示可以加入mesh)、邀请(来自供应设备)、公匙交换、认证,以及会话密匙交换(保证数据进行配置的安全)。

配置过程实现了高度的安全性,随后数据包经过AES-128进行端至端加密,并且在每个中继之间进行附加的AES-128加密,从而增强了隐私。此外,还会定期刷新加密密匙,以检测和对抗“重放攻击”。

获取有关蓝牙mesh的更多信息请访问Nordic网站和DevZone论坛。Nordic新推出的用于mesh的nRF5软件开发套件(SDK),可让开发人员使用该公司的nRF51和nRF52系列SoC来设计蓝牙mesh应用。Nordic的蓝牙mesh协议栈实现方案还包括一些没有加入蓝牙mesh 1.0规范的实用功能。

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 照明
    +关注

    关注

    11

    文章

    1467

    浏览量

    130880
  • 蓝牙
    +关注

    关注

    112

    文章

    5407

    浏览量

    165381
  • 物联网
    +关注

    关注

    2860

    文章

    41250

    浏览量

    357380
  • Mesh网络
    +关注

    关注

    0

    文章

    39

    浏览量

    14006

原文标题:技术文章分享:Mesh网络增强蓝牙无线IoT的地位

文章出处:【微信号:nordicsemi,微信公众号:Nordic半导体】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    蓝牙Mesh的四大节点是如何工作的?

    接触过蓝牙Mesh技术的工程师都清楚:蓝牙Mesh技术具备开放、低成本、高性能等优势,在实际应用
    的头像 发表于 02-24 03:54 3.2w次阅读

    蓝牙低功耗技术

    设备应用,仅有很低的电池容量就可以使用很长时间。蓝牙低功耗技术应用设计和动态优化与低有效的数据吞吐量有直接关系。这包括一个广泛的传感器和控制的应用,包括运动和医疗传感器、遥控器、游戏
    发表于 05-13 11:25

    蓝牙低功耗技术(单模、双模)

    应用设计和动态优化与低有效的数据吞吐量有直接关系。这包括一个广泛的传感器和控制的应用,包括运动和医疗传感器、遥控器、游戏、手表给移动电话和PC外围设备。蓝牙低功耗技术是不适合声音和听
    发表于 09-04 14:20

    蓝牙Mesh网状网络对物联网有哪些影响?SKYLAB来告诉你

    Mesh网状网络终于走入实用,更多支持Mesh组网的蓝牙解决方案与蓝牙模块正在紧密设计研发中。
    发表于 07-21 16:34

    一文详解蓝牙也可以应用在工业领域

    蓝牙低功耗技术就开始在各个领域中崭露头角,仅凭这纽扣大小的电池供电,就能在物联网的产品中运行数年。这一低功耗特性在工业
    发表于 11-27 16:17

    蓝牙低功耗在工业应用

    距离的通信、高通量的数据传输以及严苛的ISM应用,虽然这并不是蓝牙低功耗的设计目的。然而,蓝牙低功耗目前已经在高质量工业应用领域中有所作为,
    发表于 08-30 14:33

    SKYLAB:智能照明方案是选择低功耗蓝牙(BLE)还是蓝牙Mesh

    蓝牙低功耗(Bluetooth LE)的一种全新网络拓扑结构选择,于2017年夏季推出。它代表蓝牙技术的一项重要进展,将
    发表于 09-28 16:47

    低功耗蓝牙应用领域

    蓝牙具有智能连接、峰值电流/平均电流和空闲模式下电流消耗少、成本低等优势。当前主力智能手机都嵌入了低功耗蓝牙,使用方便、广泛、普及。而除了手机等移动设备外,
    发表于 03-18 02:25

    功能齐全低功耗蓝牙模块

    ,我们就可以通过很多片蓝牙模块之间的网状分布,来提高蓝牙无线的覆盖与数据传输距离,再结合蓝牙本身低功耗、成本低和安全度高等优势,轻松利用在多种领域
    发表于 05-29 04:35

    蓝牙Mesh做智能照明方案的好处

    行数据传输!移动终端设备普及率广,低功耗蓝牙技术在移动终端设备上的广泛使用,低功耗蓝牙已得到了I
    发表于 05-14 11:04

    有可以进行mesh组网的低功耗蓝牙模块么?

    有可以进行mesh组网的低功耗蓝牙模块么?这种低功耗蓝牙模块组网支持多少个节点?是
    发表于 05-09 17:16

    蓝牙Mesh技术—边缘网络的成长

      从本质上来讲,蓝牙Mesh技术并非无线通信技术,而是一种网络(组网)的技术,用于构建“多对多
    发表于 05-17 15:39

    如何构建STM32WBx5微控制器的低功耗蓝牙mesh应用

    低功耗蓝牙®技术(BLE)-mesh 通过物联网(IoT)解决方案的 mesh 网络功能来连接多
    发表于 09-07 06:30

    解密:Ble低功耗蓝牙蓝牙mesh网络之间的关系

    并非无线通信技术,而是一种网络技术蓝牙mesh网络依赖于低功耗
    的头像 发表于 06-12 11:12 9333次阅读

    蓝牙Mesh网状网络对物联网有哪些影响?SKYLAB来告诉你

    关键词:蓝牙mesh网状网络 , 低功耗蓝牙 最新消息,蓝牙
    发表于 08-13 11:36 313次阅读