關(guān)于藍(lán)牙網(wǎng)格技術(shù)和家居自動(dòng)化的方案設(shè)計(jì)解析

2016年藍(lán)牙5.0規(guī)范發(fā)布，相比之前的標(biāo)準(zhǔn)它具備更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，并且為引入藍(lán)牙低功耗（BLE）網(wǎng)絡(luò)功能提供了方便，尤其是那些物聯(lián)網(wǎng)（IoT）領(lǐng)域應(yīng)用新需求的功能。就在一年后，即2017年7月31日，采用藍(lán)牙網(wǎng)格技術(shù)的設(shè)備1.0推出了，實(shí)現(xiàn)了基于藍(lán)牙的多對(duì)多通信。網(wǎng)格規(guī)范支持多達(dá)32,767（2的15次方）個(gè)節(jié)點(diǎn)，這使得其非常適合部署在需要連接大量單個(gè)設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)和智能家居應(yīng)用領(lǐng)域。

面向智能家居應(yīng)用的藍(lán)牙網(wǎng)格技術(shù)

對(duì)于智能家居和家居自動(dòng)化應(yīng)用，藍(lán)牙網(wǎng)格技術(shù)為許多新產(chǎn)品開(kāi)辟了機(jī)會(huì)。一個(gè)很好的例子就是我們現(xiàn)在可以買到用藍(lán)牙控制的燈泡。消費(fèi)者可以把家里的幾個(gè)甚至全部燈泡都換成這種類型的燈泡，藍(lán)牙網(wǎng)格技術(shù)負(fù)責(zé)將這些燈泡分配到不同的組（比如走廊、餐廳、廚房和臥室等）。藍(lán)牙網(wǎng)格技術(shù)在家居自動(dòng)化應(yīng)用中被成功采用的另一個(gè)特性是它兼容低功耗藍(lán)牙（BLE）協(xié)議，這使得其能夠向后兼容藍(lán)牙4.0，并確保用戶可以將其他設(shè)備合并到一個(gè)藍(lán)牙網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中。

藍(lán)牙網(wǎng)格星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

藍(lán)牙網(wǎng)格技術(shù)的通信方式不局限于單個(gè)網(wǎng)絡(luò)集線器或星型拓?fù)洌梢酝ㄟ^(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)消息數(shù)據(jù)。網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)還支持同時(shí)尋址和控制網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)設(shè)備。藍(lán)牙網(wǎng)格技術(shù)拓展了網(wǎng)絡(luò)的物理范圍，超出了藍(lán)牙實(shí)際的距離限制，增加了網(wǎng)絡(luò)的彈性，并且顯著提升了網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展部署的能力。藍(lán)牙網(wǎng)格可以持續(xù)擴(kuò)展其覆蓋的范圍，克服了傳統(tǒng)藍(lán)牙設(shè)備面臨的范圍限制。此外，跨網(wǎng)絡(luò)傳遞消息意味著不存在單一的故障節(jié)點(diǎn)，因此使得整個(gè)系統(tǒng)具備自我修復(fù)的能力。

網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和泛洪（flooding）技術(shù)

在藍(lán)牙規(guī)范中網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)分為四種不同的類型：中繼、低功耗、友鄰和代理（圖1）：

圖1：藍(lán)牙網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)包括的所有節(jié)點(diǎn)類型：中繼、低功耗、友鄰和代理（來(lái)源：Cypress）

中繼節(jié)點(diǎn)：這類節(jié)點(diǎn)需要始終保持喚醒狀態(tài)，因此功耗更大一些。其功能是接收和轉(zhuǎn)發(fā)跨網(wǎng)絡(luò)的消息數(shù)據(jù)包。在照明的例子中，中繼節(jié)點(diǎn)會(huì)由主電源供電，因此不會(huì)出現(xiàn)供電的問(wèn)題。

低功耗節(jié)點(diǎn)：這類節(jié)點(diǎn)通常采用電池供電，而且大部分時(shí)間處于節(jié)電的休眠模式。

友鄰節(jié)點(diǎn)：低功耗節(jié)點(diǎn)通常會(huì)匹配一個(gè)友鄰節(jié)點(diǎn)。按照規(guī)則，這個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)發(fā)一些數(shù)據(jù)包。低功耗節(jié)點(diǎn)的一個(gè)例子就是室外環(huán)境光傳感器可以在黃昏和黎明時(shí)控制室內(nèi)的照明。

代理節(jié)點(diǎn)：這些節(jié)點(diǎn)支持非BLE兼容的設(shè)備接入到網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中，采用的是藍(lán)牙通用屬性（GATT）概要接口。

網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)采用廣播到所有（broadcast-to-all）或泛洪（flooding）技術(shù)將消息數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，直到確認(rèn)消息到達(dá)目的地。消息可以針對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)組或所有節(jié)點(diǎn)。例如，可以使用一組尋址消息來(lái)打開(kāi)餐廳內(nèi)的所有燈，每個(gè)燈接收命令時(shí)幾乎沒(méi)有延遲。發(fā)布和訂閱技術(shù)可以鏈接網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中的不同節(jié)點(diǎn)類型，餐廳里的燈光可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)預(yù)設(shè)為打開(kāi)或者關(guān)閉，這些命令可以由房間內(nèi)的照明開(kāi)關(guān)系統(tǒng)發(fā)布。

Cypress EZ-BT藍(lán)牙網(wǎng)格評(píng)估套件（CYBT-213043-MESH）

對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師來(lái)說(shuō)，著手設(shè)計(jì)一款基于藍(lán)牙網(wǎng)格技術(shù)的新產(chǎn)品也不是那么簡(jiǎn)單的。藍(lán)牙特別技術(shù)小組（SIG）發(fā)布了一個(gè)列表，其中包括很多供應(yīng)商的模塊以及SoC器件，這些已經(jīng)通過(guò)了藍(lán)牙質(zhì)量認(rèn)證。除此之外，工程師還面臨其他一些問(wèn)題，比如組件規(guī)范、軟件技術(shù)棧、開(kāi)發(fā)工具和參考設(shè)計(jì)等。

Cypress的EZ- BT藍(lán)牙網(wǎng)格評(píng)估套件（CYBT-213043-MESH）是一個(gè)非常完善的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，支持藍(lán)牙網(wǎng)格技術(shù)的所有功能特性（圖2）。這個(gè)開(kāi)發(fā)套件包括四個(gè)獨(dú)立的評(píng)估板卡，每個(gè)都集成了Cypress CYBT-213043-02模塊（基于CYW20819器件）、熱敏電阻、光傳感器和PIR運(yùn)動(dòng)傳感器。CYW20819是一個(gè)超低功耗雙模式藍(lán)牙5.0 SoC器件，符合藍(lán)牙網(wǎng)格技術(shù)1.0技術(shù)規(guī)范。這款評(píng)估套件是藍(lán)牙低功耗網(wǎng)格功能設(shè)計(jì)的理想選擇，比如傳感器節(jié)點(diǎn)、照明和智能家居應(yīng)用等。

圖2：Cypress的CYBT-21304-MESH評(píng)估套件（來(lái)源：Cypress）