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蓝牙Mesh组网的原理、优势与应用场景

发布人:oCheryl时间:2022-09-22来源:工程师

蓝⽛Mesh⽹络使⽤,依赖于低功耗蓝⽛(BLE)。低功耗蓝⽛技术是蓝⽛Mesh使用的无线通信协议栈,蓝牙BR/EDR能够与实现一台设备到另一台设备的连接和通信,建立“一对一”的关系,大多数人所熟悉的“配对”一词就是这个意思。

蓝牙Mesh能够让我们建立无线设备之间的“多对多”(m:m)关系。此外,设备能够将数据中继到不在初始设备直接无线电覆盖范围内的设备,这样,Mesh网络就能够跨越非常大的物理区域,并包含大量设备。

蓝牙Mesh原理

消息发布和传递:使用 Wi-Fi 的网络围绕一个称为路由器的中心网络节点为基础,所有网络流量都通过该节点。如果路由器不可用,则整个网络将不可用。相比之下,蓝牙 Mesh 网络使用一种称为管理泛洪的技术来传递消息。由节点发布的消息将被广播,而不是直接路由到一个或多个特定节点。所有节点都接收来自自身无线电范围内的节点的所有消息,如果配置为这样做,则将中继接收到的消息。中继涉及再次广播接收到的消息,以便距离原始节点较远的其他节点能接收到广播的消息。

多路径交付:蓝牙技术使用管理泛洪的一个重要后果是,消息会通过网络中的多条路径到达目的地。这形成了高度可靠的网络,这是在蓝牙 Mesh 网络设计中选择使用泛洪方法而非路由的主要原因。

泛洪方法:蓝牙 Mesh 网络利用了泛洪方法的优势,并优化了其操作,使其既可靠又高效。在蓝牙 Mesh 网络中优化泛洪工作方式的措施是使用术语“管理泛洪”的背后。这些措施如下:

1、Heartbeats

心跳消息由节点定期发送。心跳消息向网络中的其他节点指示发送心跳的节点仍处于活动状态。此外,心跳消息还包含数据,这些数据使接收节点可以根据到达发送方所需的跳数确定发送方的距离。可以通过 TTL 字段利用此数据。

2、TTL

TTL(生存时间)是所有蓝牙 Mesh PDU 都包含的字段。它控制中继的最大跳数。设置 TTL 可以确保节点不会中继太多,从而使节点可以控制中继并节省能量。
心跳消息使节点可以确定每个发布的消息的最佳 TTL 值。

3、 Message Cache

消息缓存必须由所有节点实现。消息缓存包含所有最近收到的消息,如果发现一条消息存在于消息缓存中,表明该节点之前已经收到和处理过该消息,则立即将其丢弃。

4、 Friendship

蓝牙 Mesh 网络中最重要的优化机制可能是 Friend 节点和 Low Power 节点的组合。如所述,Friend 节点提供消息存储并将服务转发到关联的 Low Power 节点。这允许低功耗节点以高效节能的方式运行。

遍历堆栈

接收到消息的节点将其从底层低功耗蓝牙协议栈通过承载层传递到 Mesh 协议栈,到达网络层。
网络层应用各种检查来决定是否将消息传递到更高的协议栈栈或将其丢弃。
此外,PDU 具有网络 ID 字段,该字段提供了一种快速的方法来确定使用哪个 NetKey 对消息加密。如果接收节点上的网络层无法识别 NetKey,则表明它不具有相应的 NetKey,不是该子网的成员,因此 PDU 被丢弃。还有一个网络消息完整性检查(MIC)字段。如果 MIC 检查失败,则使用与 PDU 网络 ID 对应的 NetKey,则将消息丢弃。
消息被发送消息的节点范围内的所有节点接收,但是当这些节点所属的网络或子网而明显与它们无关时,许多消息将被迅速丢弃。
在上层传输层中,沿协议栈向上应用相同的原理。但是,此处的检查是针对与消息关联的 AppKey,并由 PDU 中的应用程序标识符(AID)字段标识。如果此节点无法识别 AID,则 PDU 被上层传输层丢弃。如果传输消息完整性检查(TransMIC)失败,则该消息将被丢弃。


组网优势

手机直连:大量的消费电子产品尤其是手机中集成了蓝牙的功能,如耳机、音箱、手环、智能手表、蓝牙血糖仪、蓝牙灯泡等都具备蓝牙功能,因此蓝牙能够提供多品牌更广泛的互通性。这是蓝牙独特的地方所在,是ZigBee等所望尘莫及的优势。在配网的过程中,手机作为管理者的角色,授权设备即可连入Mesh网络,非常简便灵活,同时又确保了蓝牙Mesh网络的安全性,并且用手机app对各种设备的控制更加的灵活、直接,大大满足了用户体验感,而ZigBee必须要连上网关或类似于网关的设备才能接入手机。

低功耗:在蓝牙Mesh当中有两种设备的特性:一个是Friend,一个是Low power node。可以保证节点的低功耗性能。比ZigBee等协议的功耗都要低。

广播技术用于定位和导航:蓝牙广播技术在Mesh中也进行了应用,基于低功耗蓝牙广播技术的资产定位,运动轨迹描述和导航等,都是ZigBee所不具备的特点。从实际应用场景来看,定位和导航服务在物联网的应用中迅猛发展,必然能催生更广泛的应用。


应用场景

资产追踪:低功耗蓝牙的广告模式已成为主动RFID资产跟踪的一种有吸引力的替代方法。蓝牙网格网络的出现增加了以前低功耗蓝牙广播范围的局限性,并为建立蓝牙网格资产跟踪解决方案的应用提供了可能性。

楼宇自动化:新的控制和自动化系统,无论它们涉及照明,加热/冷却还是安全保护等相关系统,未来的发展趋势将更加智能。在智能建筑物中部署BluetoothMesh网络后,建筑物中的数十,数百或数千个无线设备可以可靠,安全地相互通信并传输信息。

无线传感器网络:无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)市场正在迅速增长,特别是在工业领域。蓝牙Mesh网络旨在满足工业领域的严格可靠性,可扩展性和安全性要求。

智能家居:蓝牙控制在智能家居系统中拥有得天独厚的优势。而其低功耗、传输快、距离远等特点更为蓝牙技术在智能家居上的应用增分加彩。随着无线蓝牙技术的进一步发展,产品规模的不断扩大、技术的日益成熟和价格的下降,蓝牙技术逐渐应用到工业领域和家庭中。


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