BLE MESH Sep 15, 2021

Der Artikel, als Initiale im MESH-Serie , stellt die Architektur und Funktionen der Bluetooth-Mesh 1.0 Protokoll. Als ergänzendes Protokoll zum Bluetooth Low Energy Protokoll führt das Bluetooth Mesh Protokoll, unabhängig von Bluetooth 5.0, einen offenen Standard ein Mesh-Netzwerk zum ersten Mal auf Bluetooth Low Energy-Geräte.


MESH-Netzwerk ist ein stromsparendes WLAN Technologie für intelligentes Zuhause und Gebäudeautomation Anwendungen. Da SIG zunächst die Unterstützung für das MESH-Netzwerk fehlt, müssen Ingenieure Bluetooth Low Energy für die Entwicklung der Smart-Home-Anwendungen auf andere Technologien (wie ZigBee und Thread) umstellen. Die Situation hielt an, bis Mitte 2017 die Spezifikation von Bluetooth-Mesh veröffentlicht wurde. Jetzt hat die Bluetooth SIG das Fehlen von MESH-Netzwerken gelöst, indem sie die ergänzende Bluetooth 5.0-Spezifikation eingeführt hat - Bluetooth Mesh Network 1.0. Die Spezifikation benötigt keine weiteren Hardware-Unterstützungen und kann durch Flashen der Firmware auf bestehenden Bluetooth Low Energy Chips (BLE4.0, BLE4.1, BLE4.2 und BLE5.0) ausgeführt werden. Einige Chiphersteller können jetzt das Bluetooth Mesh 1.0-Protokoll unterstützen.


1. BLE MESH Markt jetzt


Bisher haben 73 Unternehmen weltweit BLE MESH im SIG zertifiziert, die Zahl der zertifizierten Produkte beträgt sogar 461. Diese Daten beinhalten die Gesamtzahl der Zertifizierungen der Terminalprodukte und des Chips. Die folgende Tabelle listet die zertifizierten Unternehmen und die Anzahl ihrer Produktzertifizierungen auf, von denen viele Terminalprodukte von chinesischen Internetgiganten zertifiziert sind.

2. Vorteile des MESH


Bluetooth Low Energy wurde ursprünglich entwickelt, um den hohen Stromverbrauch von "klassischem" Bluetooth zu ergänzen, indem die drahtlose Technologie auf batteriebetriebene Geräte ausgeweitet wird. Beispielsweise kommunizieren die Herzfrequenzgurte und die drahtlos gesteuerten Spielzeuganwendungen über die Bluetooth Low Energy-Technologie mit einem Master-Gerät (wie einem Mobiltelefon). Sogar ein Master-Gerät steuert mehrere Slave-Geräte, um eine sternförmige Netzwerktopologie zu bilden.


Aufgrund der Interoperabilität von Bluetooth Low Energy und Mobiltelefonen kann Bluetooth Low Energy schnell auf andere Anwendungen wie z Lichtsteuerung , Smart Home usw. Bei dieser Art von Anwendungen treten die Mängel des Sternnetzwerks auf. Beispielsweise können Bluetooth-Low-Energy-Lösungen nur eine begrenzte Anzahl gleichzeitiger Verbindungen (normalerweise acht) bewältigen. Und Beleuchtungsgeräte mit mehr als 8 Glühbirnen können nicht mit einem einzigen Befehl gesteuert werden, was zu Verzögerungen bei der Steuerung führt. Die Glühbirnen weit weg vom großen Haus dürfen sich nicht in Reichweite des zentralen Controllers befinden und müssen von Knoten mit Routing-Funktionen geschaltet werden.


In einem Mesh-Netzwerk kommuniziert es nicht mit jedem Peripheriegerät über das Gateway, sondern leitet es über einen Zwei-Wege-Kanal weiter mehrere Knoten , Weiterleiten von Nachrichten von einem Knoten im Netzwerk an beliebige andere Knoten. Daher zeigt das Mesh-Netzwerk seine Vorteile, da es die gleichzeitige Steuerung mehrerer angeschlossener Geräte ermöglicht und Reichweitenbeschränkungen überwindet.
3. BLE MESH Core-Protokoll

Seit der Einführung von Bluetooth Low Energy wurden die Versionen 4.1, 4.2, 5.0, 5.1 und 5.2 auf den Markt gebracht. Viele Funktionen im Protokoll wurden erweitert, wie z Übertragungsbereich, Durchsatz, Tragfähigkeit von Sendedaten, AoA/AoD-Positionierung , und Koexistenz-Verbesserungen . (einige dieser neuen Funktionen sind optional. Optional bedeutet, dass ein Chip, der diese neuen Funktionen nicht unterstützt, auch ein BLE 5.0-Chip sein kann).


Bluetooth Mesh 1.0 ist kein einfaches Upgrade von BLE 5, sondern eine Reihe von Protokollen, die unabhängig vom Bluetooth-Protokoll sind. Und alle Chipprodukte der vorherigen Version (BLE 4.0, BLE 4.1, BLE 4.2, BLE 5.0) können aktualisiert werden. Unter der Voraussetzung ausreichender Flash- und RAM-Ressourcen muss nur die Firmware aktualisiert werden, um das Bluetooth-Mesh auszuführen.


Das Merkmal der Kompatibilität des BLE MESH-Kernprotokolls mit dem Bluetooth-Protokoll besteht darin, dass das Bluetooth MESH-Netzwerk kein unverzichtbarer Bestandteil des BLE-Protokollstapels ist, sondern eine separate neue Einheit, die aus sieben Schichten besteht. Einige dieser Knoten können mit dem Bluetooth-Protokoll interagieren.



Wenn der Bluetooth MESH-Knoten eine Nachricht empfängt, überträgt er die von der Bluetooth-Low-Energy-Schicht erhaltenen Daten an die Trägerschicht, dann werden die Daten durch die Trägerschicht an die Netzwerkschicht übertragen. Die Vermittlungsschicht verwendet verschiedene Prüfungen, um zu entscheiden, ob die Nachricht an die untere Transportschicht weitergegeben oder verworfen wird.


Die Bluetooth MESH-Spezifikation definiert ein neues Kernprotokoll. Einige der Kernprotokollschichten teilen einige Konzepte mit den Bluetooth-Kernprotokollschichten mit niedriger Energie, aber die beiden Protokolle sind nicht vollständig miteinander kompatibel. Dies unterscheidet sich von Technologien wie ZigBee und Thread. ZigBee und Thread wurden von Anfang an als MESH-Netzwerke konzipiert. Die zugrunde liegenden Spezifikationen basieren auf 802.15.4, die Kompatibilität mit anderen Mainstream-Protokollen wurde jedoch nicht berücksichtigt. (In den letzten zwei Jahren hat ZigBee erwogen, dotdot auf der obersten Ebene zu verwenden, um mit anderen Netzwerkprotokollen kompatibel zu sein und eine Verbindung herzustellen. Weitere Informationen finden Sie unter https://zigbeealliance.org/solution/dotdot/)


4. Bluetooth-Mesh-Knoten

Es gibt vier Arten von Netzwerkknoten:


Relaisknoten

Ein Relaisknoten empfängt und überträgt Bluetooth-Mesh-Nachrichten unter Verwendung des Werbeträgers. Der Nachteil von Relay-Knoten besteht darin, dass sie immer den Alarmzustand beibehalten müssen, was den Stromverbrauch stark erhöht. Es hat wenig Auswirkungen auf Anwendungen, die mit Hauptstrom versorgt werden, wie z. B. intelligente Beleuchtung, aber es ist ein großes Problem für batteriebetriebene Knoten wie in das Netzwerk integrierte Switches.


Low-Power-Knoten (LPN)

Low-Power-Knoten verwenden die standardmäßigen Energiesparfunktionen von Bluetooth Low Energy (d. h., der Schlafzustand für lange Zeit aufrechtzuerhalten), sodass sie lange Zeit durch Batterie oder Energy Harvesting betrieben werden können. LPNs arbeiten zusammen mit dem Friend-Knoten, einem, der nicht strombeschränkt ist (z. B. hat er eine permanente Wechselstromquelle). Der Friend speichert Nachrichten, die an den LPN adressiert sind, und liefert sie immer dann an den LPN, wenn der LPN den Friend-Knoten nach „warteenden Nachrichten“ abfragt. Wenn das LPN in den Empfangsmodus eintritt (gemäß einem vorbestimmten Zeitplan), empfängt es die gespeicherte Nachricht und folgt den Anweisungen und kehrt dann in den energiesparenden Schlafmodus zurück.

Freundesknoten
Ein Friend Node kann Nachrichten, die an einen zugeordneten Low Power Node adressiert sind, speichern und später weiterleiten. Wenn ein Low-Power-Knoten aufwacht und einen Friend-Knoten abfragt, überträgt Friend diese Nachrichten an den entsprechenden Low-Power-Knoten. Friend-Knoten belegen mehr Speicher als andere Arten von Knoten, da sie Nachrichten für einen oder mehrere Low-Power-Knoten speichern müssen. Die erforderliche Speichergröße hängt von der Menge an Daten/Befehlen ab, die in Friend-Knoten gespeichert und während Abfragevorgängen an Low-Power-Knoten gesendet werden müssen.


Proxy-Knoten
Der Proxy-Knoten ist der Schlüssel, um Bluetooth-Low-Energy-Geräte ohne Mesh (wie z. B. ein Mobiltelefon) in ein Bluetooth-Mesh-Netzwerk einzubinden. Proxy-Knoten legen eine GATT-Schnittstelle offen, die Bluetooth LE-Geräte verwenden können, um mit einem Mesh-Netzwerk zu interagieren. Ein Proxy-Knoten kann Nachrichten über einen Träger empfangen (Werbung oder GATT) und sie über den anderen (Werbung oder GATT) erneut übertragen. Der grundlegende Zweck des Proxy-Knotens besteht darin, eine Inhaberumwandlung durchzuführen. Es kann vom Werbeträger in den GATT-Träger umgewandelt werden und umgekehrt. Daher kann ein Gerät, das den Werbeträger nicht unterstützt, stattdessen verschiedene Arten von Bluetooth-Mesh-Nachrichten über eine GATT-Verbindung senden und empfangen. Die Funktion ist beispielsweise nützlich, wenn der Benutzer ein herkömmliches Smartphone verwenden möchte, um ein intelligentes Beleuchtungsnetzwerk zu steuern. Die Interaktion wird durch GATT-Datenübertragung des Knotens und des Geräts realisiert.

Die Abbildung zeigt ein Beispiel für ein einfaches Bluetooth-Mesh-Netzwerk. In diesem Beispiel werden die meisten Knoten, wie die Glühbirnen, mit Strom versorgt und können die Werbekanäle kontinuierlich nach eingehenden Nachrichten absuchen. Einige dieser Knoten unterstützen möglicherweise auch die Funktionen Relay, Proxy und Friend. Darüber hinaus verwendet in der Topologie dieses Beispiels der Niedrigenergie-Temperatursensor das Niedrigenergie-Merkmal und wird von einem der netzgespeisten Knoten unterstützt, der das Friend-Merkmal implementiert hat. Ebenso kommuniziert ein Smartphone, das den Werbeträger nicht unterstützt, mit dem Mesh-Netzwerk über einen Knoten, der die Proxy-Funktion unterstützt.

Außerdem muss der neue Knoten vor dem Beitritt zum Mesh-Netzwerk konfiguriert werden, um sicherzustellen, dass das neue Gerät ein vertrauenswürdiges Gerät ist und auf alle Knoten im Netzwerk zugreifen kann. Nach der Eingabe vergibt das MESH-Netzwerk Adressen, Gerätetypen und Geräteschlüssel für den neuen Knoten. Dann wird der Geräteschlüssel verwendet, um einen sicheren Kanal aufzubauen, um neue Knoten zu konfigurieren. Theoretisch kann das Bluetooth MESH-Netzwerk bis zu 32.000 Knoten unterstützen.



5. Bluetooth MESH-Architektur


Das Bluetooth-Mesh-Netzwerk verwendet die "Flooding"-Technologie, um Nachrichten im Netzwerk zu senden (Es ist ähnlich wie bei der Verbreitung des Virus). Jedes Datenpaket wird an andere Knoten im Netzwerk weitergeleitet, bis die Nachricht den Zielknoten erreicht. Message Broadcast kann für einen einzelnen Knoten, eine Gruppe von Knoten und alle Knoten erfolgen. Beispielsweise können wir alle Leuchten in einem Raum als Gruppenadresse definieren. Die Bluetooth-Mesh-Spezifikation definiert vier feste Gruppenadressen: „All-Proxies“, „All-Friends“, „All-Relays“ und „All-Nodes“. (LPN hat keine Funktion zum Weiterleiten von Nachrichten, da es einen geringen Stromverbrauch aufrechterhalten muss.)


Die überflutende Mesh-Architektur und die Wahl der Gruppenadresse verbessern die Unterstützung des Bluetooth-Mesh-Netzwerks für Smart-Home-Anwendungen. Zum Beispiel, wenn das Gateway-Gerät im MESH-Netzwerk den "ON"-Befehl empfängt, der schnell über das MESH-Netzwerk an das gesamte Netzwerk gesendet werden kann. Jedes Knotengerät im Netzwerk erhält den Befehl und reagiert entsprechend, die Lichter in der Zielgruppe können sofort eingeschaltet werden.


Im Vergleich zum Sternnetz ist die minimale Wartezeit der durchschnittlichen Empfangsdaten für die MESH-Netzknoten deutlich geringer als beim Sternnetz. Denn das Zentralgerät muss an jede angeschlossene Glühbirne im Sternnetz einen eigenen Befehl senden. Und die CPU muss in Zeitintervallen Befehle an alle Untergeräte senden.


Es gibt einige Unterschiede zwischen Bluetooth MESH und herkömmlichem Bluetooth. Alle Mesh-Daten werden nur auf drei Werbekanälen 37, 38 und 39 übertragen. Das hat seine Vor- und Nachteile. Der Vorteil ist ein hoher Wirkungsgrad und eine einfache Übertragungsart. Und der Nachteil ist, dass es die Netzwerkbandbreite reduziert und das Überlastungsrisiko erhöht.


Es gibt zwei Methoden für das MESH-Netzwerk, um Überlastungen zu bewältigen: Die erste ist die TTL (Zeit zu leben) , die definiert, wie oft ein bestimmtes Paket weitergeleitet werden kann (normalerweise drei Schritte). Das zweite ist das Netzwerkcache . Das Gerät sendet nur einmal, nachdem es ein weitergeleitetes Datenpaket erfasst hat. Das Gerät leitet es nicht weiter, wenn es das nächste Mal dasselbe Informationspaket empfängt, das von anderen Geräten gesendet wird.


Entwickler können auch optionale Gruppenzustellrouten verwenden und die Relaisfunktion beibehalten. Nach der Einstellung kann der Knoten Datenpakete empfangen, aber nicht senden. Daher wird die Flexibilität des Knotens schlecht.


6. BLE MESH-Modell


Das Konzept des MESH-Modells ähnelt dem Konzept des Bluetooth-Profils. Das Modell spezifiziert eine öffentliche Informationsstruktur, die einen oder mehrere Dienste enthalten kann (der Begriff des Modells wird verwendet, um Endgeräte zu definieren).


Das Modell enthält die spezifischen Verhaltensweisen und Dienste von Knoten und definiert einen Satz von Status und Nachrichten, die auf den Status einwirken. Das Standardmodell kann in den typischen Anwendungen wie Gerätekonfiguration, Sensorablesungen und Lichtsteuerung arbeiten. Und Entwickler können auch benutzerdefinierte Modelle erstellen.


Die Modelle in den Knoten sind nach Elementen angeordnet. Jedes Element fungiert als virtuelle Einheit im Mesh mit einer eindeutigen Adresse, und jede eingehende Nachricht wird vom Modell im Element verarbeitet.


Unterschiedliche Modelle interagieren miteinander durch "Publizieren und Abonnieren". Der Veröffentlichungsknoten sendet eine Nachricht, und der zum Abonnieren konfigurierte Knoten verarbeitet sie nach dem Empfang der Nachricht.


In der folgenden Abbildung können wir sehen, dass der Knoten „Switch 1“ an die Gruppenadresse Kitchen veröffentlicht. Die Nodes Light 1, Light 2 und Light 3 abonnieren jeweils die Kitchen-Adresse und empfangen und verarbeiten daher an diese Adresse veröffentlichte Nachrichten. Mit anderen Worten, Licht 1, Licht 2 und Licht 3 können mit Schalter 1 ein- oder ausgeschaltet werden.


Schalter 2 veröffentlicht an die Gruppenadresse Esszimmer. Licht 3 allein hat diese Adresse abonniert und ist somit das einzige Licht, das von Switch 2 gesteuert wird. Beachten Sie, dass dieses Beispiel auch die Tatsache veranschaulicht, dass Knoten Nachrichten abonnieren können, die an mehr als eine unterschiedliche Adresse adressiert sind. Dies ist sowohl leistungsstark als auch flexibel.


Beachten Sie in ähnlicher Weise, wie beide Knoten Switch 5 und Switch 6 an dieselbe Garden-Adresse veröffentlichen.

7. Bluetooth-Mesh-Konfigurationsnetzwerk


Die folgende Abbildung ist ein Beispiel für ein vollständiges Konfigurationsnetzwerk-Abonnement. Der Prozess ist der Standardprozess für Geräte zur Netzwerkregistrierung mit Bluetooth MESH-Konfiguration. Zu Beginn sendet die Glühbirne ein Signal an das MESH-Netzwerk, um zu informieren, dass sie nach einem Netzwerk sucht, dem sie beitreten kann. Der Konfigurationsknoten authentifiziert das Leuchtfeuer der Glühbirne und lädt es ein, dem Netzwerk beizutreten. Bei erfolgreicher Authentifizierung erhält das Gerät die notwendigen Schlüssel und Adressen, um sich dem Netzwerk anzuschließen und die Konfiguration vorzubereiten. Anschließend wird die Glühbirne mit dem APP-Schlüssel „Hausautomation“ versehen. Es setzt den Veröffentlichungsstatus des "OnOff-Servers" (Kontrolllampe) und fügt das Abonnement schließlich der "Lichtgruppe" hinzu.




8. Bluetooth MESH-Anwendungen


Basierend auf den vorläufigen Statistiken von SIG-zertifizierten Produkten wird festgestellt, dass sich die Anwendungen von BLE MESH hauptsächlich auf Smart Homes und Lichtsteuerungsanwendungen konzentrieren, wobei die Lichtsteuerung 60 %, die Smart Homes 30 % und die letzten 10 % Zugehörigkeit zum ursprünglichen Hersteller-Chip-Zertifizierung und Nischenmarkt-Anwendung. BLE MESH ist zweifellos der größte Konkurrent von ZigBee.

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