藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)用于智能家居的解決方案

　　網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是面向智能家居和智能工業(yè)應(yīng)用的低功耗無線技術(shù)的一項(xiàng)關(guān)鍵要求，因?yàn)樗朔朔秶拗啤⒑喕丝蓴U(kuò)展性并增強(qiáng)了穩(wěn)健性。不過，設(shè)法使用低功耗藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)計(jì)人員之前一直因缺乏網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)支持而遇到挫折，這種情況直到最近才有所改觀。

　　由于低功耗藍(lán)牙缺乏該項(xiàng)支持，設(shè)計(jì)人員不得不為智能家居應(yīng)用選擇 Zigbee 和 Thread 等其他技術(shù)，若非如此，低功耗藍(lán)牙可能完全適合該項(xiàng)應(yīng)用，并且受到廣泛支持。（參見 Digi-Key 文章“低功耗無線技術(shù)之比較”。）

　　藍(lán)牙 SIG 現(xiàn)在通過引入補(bǔ)充規(guī)范藍(lán)牙網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò) 1.0 來彌補(bǔ)此弱點(diǎn)。該規(guī)范不需要額外的硬件，可以在所有低功耗藍(lán)牙芯片（v4.0、4.1、4.2 和 5）上運(yùn)行。一些供應(yīng)商已通過在自己的固件中實(shí)施該規(guī)范和采用相關(guān)開發(fā)工具，來支持藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò) 1.0。

　　不過，在開始采用新規(guī)范的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該熟悉藍(lán)牙 SIG 的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)實(shí)施與替代技術(shù)的不同之處。例如，需要權(quán)衡簡易性、功耗和靈活性，因?yàn)檫@些差異會(huì)影響設(shè)計(jì)的選擇和工藝。

　　本文采用該規(guī)范，并為設(shè)計(jì)人員解釋了藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)。文中說明了藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的操作特性，以及該架構(gòu)如何支持智能家居和智能照明等應(yīng)用。最后介紹了一些合適的藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)工具以及輔助的硬件和軟件解決方案。

　　網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)

　　低功耗藍(lán)牙最初設(shè)計(jì)為通過將無線技術(shù)擴(kuò)展到具有適中電池容量的外圍設(shè)備來補(bǔ)充“傳統(tǒng)”藍(lán)牙。外圍設(shè)備的示例包括運(yùn)動(dòng)傳感器（例如心率帶）和無線控制玩具。每個(gè)外圍設(shè)備通過獨(dú)立通道與中央監(jiān)控設(shè)備（例如智能手機(jī)）通信，從而構(gòu)成星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

　　低功耗藍(lán)牙能夠迅速擴(kuò)展到其他領(lǐng)域，包括照明控制等智能家居應(yīng)用，部分歸因于它與智能手機(jī)的互操作性。在這些類型的應(yīng)用中，星形網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)很快暴露無遺。

　　例如，低功耗藍(lán)牙解決方案只能同時(shí)處理有限數(shù)量的連接（通常為 8 個(gè)）。使用單個(gè)命令無法控制大于該燈泡數(shù)量的照明裝置，因而造成延遲。其次，在大間房屋中，遠(yuǎn)距離位置的燈泡可能超出中央控制器的范圍。

　　在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，消息是通過在連接多個(gè)節(jié)點(diǎn)的雙向通道中跳躍，從網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)點(diǎn)中轉(zhuǎn)到任何其他點(diǎn)，而沒有采用與單獨(dú)外圍設(shè)備通信的中央設(shè)備。通過這種方式，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)帶來明顯的優(yōu)勢，因?yàn)樗试S同時(shí)控制數(shù)十個(gè)連接的設(shè)備，克服了范圍限制，并內(nèi)置了冗余。（圖 1.）

　　圖 1：網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。消息通過在連接多個(gè)節(jié)點(diǎn)的雙向通道中跳躍，從網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)點(diǎn)中轉(zhuǎn)到任何其他點(diǎn)。（圖片來源：Silicon Labs）

　　藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)堆棧

　　自引入低功耗藍(lán)牙作為藍(lán)牙核心規(guī)范 4.0 版的一部分以來，低功耗藍(lán)牙已經(jīng)過 4.1、4.2 和 5 版多次修訂。藍(lán)牙 5 引入了范圍、吞吐量、廣播和共存性方面的改善。（參見 Digi-Key 文章“兼容藍(lán)牙 4.1、4.2 和 5 的低功耗藍(lán)牙 SoC 和工具可應(yīng)對 IoT 挑戰(zhàn)”。）

　　作為最新引入的生產(chǎn)版本，我們可能設(shè)想藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò) 1.0 僅構(gòu)成藍(lán)牙 5 的升級(jí)，但事實(shí)并非如此。任何舊式（4.0、4.1、4.5、5）低功耗藍(lán)牙芯片都可以通過升級(jí)固件進(jìn)行修改，來運(yùn)行藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，從而讓現(xiàn)場安裝裝置能夠利用新技術(shù)。

　　這種向后兼容性的關(guān)鍵在于，藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)不是低功耗藍(lán)牙堆棧的一個(gè)組成部分，而是一個(gè)包含七層的獨(dú)立新實(shí)體（圖 2）。

　　圖 2：藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)包含補(bǔ)充低功耗藍(lán)牙協(xié)議的七層堆棧。（圖片來源：藍(lán)牙 SIG）

　　當(dāng)藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)收到消息時(shí)，會(huì)通過承載層將消息從底層低功耗藍(lán)牙堆棧向上傳遞到網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用各種檢查來決定是將消息傳遞到傳輸層還是將其丟棄。

　　請注意，藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)規(guī)范定義了一個(gè)全新的主機(jī)層，該主機(jī)層與低功耗藍(lán)牙主機(jī)層共享某些概念但與之不兼容。這與 Zigbee 和 Thread 等競爭技術(shù)有些不同，后者從一開始就設(shè)計(jì)為包括網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能（圖 3）。

　　圖 3：藍(lán)牙低功耗協(xié)議（深藍(lán)色）內(nèi)的藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)堆棧（淺藍(lán)色）排列。藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)規(guī)范定義了一個(gè)全新的主機(jī)層，該主機(jī)層與低功耗藍(lán)牙主機(jī)層共享某些概念但與之不兼容。（圖片來源： Nordic Semiconductor）

　　藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

　　藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)使用四種類型的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)：

　　中繼節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。中繼節(jié)點(diǎn)的缺點(diǎn)是它們必須始終保持警醒狀態(tài)，這會(huì)顯著增加功耗。這對于智能照明等市電供電應(yīng)用來說不是缺點(diǎn)，但對于融入網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)等非市電供電節(jié)點(diǎn)來說則是一個(gè)問題。

　　低功耗節(jié)點(diǎn) （LPN） 具有低功耗藍(lán)牙的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能特性（即：長時(shí)間保持休眠狀態(tài)），因此可以通過電池或能量收集長時(shí)間運(yùn)行。每個(gè) LPN 連接到市電供電的 Friend 節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)將保持喚醒狀態(tài)并緩存定向至 LPN 的任何消息。當(dāng) LPN 進(jìn)入接收模式（根據(jù)預(yù)定時(shí)間表）時(shí)，它會(huì)接受緩存的消息，按照指示操作，然后返回節(jié)能休眠模式。

　　代理節(jié)點(diǎn)允許不包括藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)堆棧的設(shè)備連接到藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。例如，如果消費(fèi)者希望使用傳統(tǒng)智能手機(jī)來控制智能照明網(wǎng)絡(luò)，這會(huì)非常有用。通過節(jié)點(diǎn)和設(shè)備的通用屬性配置文件 （GATT） 接口可實(shí)現(xiàn)交互（圖 4）。

　　圖 4：藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)使用四種節(jié)點(diǎn)類型。在此圖像中，除了最左邊的燈泡外，所有燈泡和開關(guān)都是市電供電的中繼節(jié)點(diǎn)。（圖片來源：Ericsson）

　　溫度傳感器是電池供電的 LPN，并且周期性地從最左邊燈泡形成的市電供電 Friendship 節(jié)點(diǎn)接收消息。智能手機(jī)通過使用低功耗藍(lán)牙堆棧的 GATT 接口而不是藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)堆棧形成代理節(jié)點(diǎn)。

　　在新節(jié)點(diǎn)參與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)例程操作之前，必須由調(diào)配者進(jìn)行調(diào)配。調(diào)配者是一個(gè)可訪問網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的受信設(shè)備。為新節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)地址，以及網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備密鑰。完成調(diào)配后，使用設(shè)備密鑰建立安全通道以配置新節(jié)點(diǎn)。藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可支持多達(dá) 32，000 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

　　藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)使用“泛洪”技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送消息。每個(gè)數(shù)據(jù)包都會(huì)廣播到網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，直至到達(dá)目標(biāo)。消息可定向至單個(gè)節(jié)點(diǎn)、一組節(jié)點(diǎn)或所有節(jié)點(diǎn)。

　　使用定義網(wǎng)絡(luò)元素（例如，單個(gè)房間中的燈）的組地址來定向節(jié)點(diǎn)組。此外，該規(guī)范還定義了四個(gè)固定的組地址：All-proxies、All-friends、All-relay 和 All-nodes，專門用于定向相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)類型。（請注意，由于 LPN 依賴于 Friend 節(jié)點(diǎn)，因此無法指定專門的地址。）

　　泛洪式網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和組尋址的選擇，決定了藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是否適合智能家居應(yīng)用。例如，泛洪式網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)允許通過智能燈網(wǎng)絡(luò)快速傳播來自開關(guān)的“開啟”命令，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)收到該命令并執(zhí)行相應(yīng)的操作。目標(biāo)組中的燈幾乎瞬間亮起。例如，該網(wǎng)絡(luò)中的最小延遲遠(yuǎn)低于星形網(wǎng)絡(luò)的延遲，后者需要中央設(shè)備向每個(gè)連接的燈發(fā)送單獨(dú)的命令。

　　在典型操作中，低功耗藍(lán)牙的廣告通道用于通告是否存在藍(lán)牙設(shè)備，并掃描其他希望通信的設(shè)備。一旦設(shè)備完成配對，通信就會(huì)進(jìn)入 37 個(gè)全帶寬通道之一，從而加快吞吐量。

　　相比之下，藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點(diǎn)完成鏈接后不會(huì)進(jìn)入全帶寬通道，而是繼續(xù)使用廣告通道來傳輸信息，從而保持了簡單的操作并降低了延遲。

　　此安排的缺點(diǎn)是降低了網(wǎng)絡(luò)帶寬并存在擁堵的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)橹挥腥齻€(gè)吞吐量受限的頻率可以處理所有流量。有兩種機(jī)制有助于解決擁堵問題。第一個(gè)是“生存時(shí)間”（TTL） 計(jì)數(shù)器，它定義特定數(shù)據(jù)包可以中繼的次數(shù)（典型值為三步）。第二個(gè)是數(shù)據(jù)包緩存，它捕獲已在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中完成全流通的數(shù)據(jù)包，這些數(shù)據(jù)包在被捕獲時(shí)假定無需進(jìn)一步傳輸。

　　開發(fā)人員還可以使用可選的帶寬保留中繼功能，通過它，節(jié)點(diǎn)可以接收但不能傳遞數(shù)據(jù)包。代價(jià)是損失一定的靈活性。

　　藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)：模型而不是配置文件

　　藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)遵循藍(lán)牙技術(shù)的架構(gòu)，使用 GATT 配置文件允許多個(gè)用例共享公共信息結(jié)構(gòu)。但在藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)堆棧中，這些配置文件被稱為模型。

　　一個(gè)模型代表一種特定的行為或服務(wù)，并且定義了一組狀態(tài)和響應(yīng)這些狀態(tài)的消息。標(biāo)準(zhǔn)模型涵蓋了典型的使用場景，如設(shè)備配置、傳感器讀數(shù)和燈控制。供應(yīng)商還可以創(chuàng)建自定義模型。

　　節(jié)點(diǎn)中的模型按元素排列；每個(gè)元素充當(dāng)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中具有唯一地址的虛擬實(shí)體。每個(gè)傳入消息由元素中的一個(gè)模型進(jìn)行處理（圖 5）。

　　圖 5：每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）包含按元素分組的模型。每個(gè)元素都有一個(gè)唯一地址，元素中的模型用于處理傳入的消息。（圖片來源：Nordic Semiconductor）

　　模型通過“發(fā)布和訂閱”系統(tǒng)相互通信。發(fā)布功能會(huì)發(fā)送消息，節(jié)點(diǎn)則配置為訂閱發(fā)送到特定地址的消息以進(jìn)行處理。

　　在圖 6 中，最左側(cè)的燈開關(guān)（開關(guān) 1）發(fā)布消息到廚房組地址。節(jié)點(diǎn)燈 1、燈 2 和燈 3 訂閱了此廚房地址，因此接收、處理和響應(yīng)發(fā)布到此地址的消息（例如“開”和“關(guān)”命令）。請注意，燈 3 還訂閱了餐廳地址，因此可以從開關(guān) 2 和開關(guān) 1 進(jìn)行操作。

　　圖 6：模型通過發(fā)布和訂閱系統(tǒng)相互通信。模型可以訂閱多個(gè)發(fā)布者。（圖片來源：藍(lán)牙 SIG）

　　（請注意，模型是一個(gè)復(fù)雜的主題。建議讀者閱讀參考文獻(xiàn) 1，了解本文中概述的詳細(xì)信息。）

　　使用藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)

　　一些低功耗藍(lán)牙供應(yīng)商已經(jīng)推出了符合標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)堆棧。由于藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是對成熟的低功耗藍(lán)牙協(xié)議的補(bǔ)充，因此開發(fā)人員無需使用新的技術(shù)來替換成熟且經(jīng)過驗(yàn)證的低功耗藍(lán)牙堆棧，便可利用藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)格。而且，藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)固件將該技術(shù)的所有功能引入了新設(shè)計(jì)或現(xiàn)有設(shè)計(jì)，因而開發(fā)人員無需編寫大量新代碼。

　　例如，Nordic Semiconductor 最近將 nRF5 SDK for Mesh 添加到其開發(fā)套件系列中。該軟件開發(fā)套件包括精選的驅(qū)動(dòng)程序、庫和范例，設(shè)計(jì)為在多個(gè)集成開發(fā)環(huán)境 （IDE） 和編譯器（包括 Cmake 和 SEGGER Embedded Studio）上運(yùn)行。

　　編譯后的代碼在基于該公司的 nRF52832 芯片的 nRF52 DK 開發(fā)套件上運(yùn)行。

　　Nordic 的說明文檔詳細(xì)介紹了如何開發(fā)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，其中包含了有關(guān)如何編譯藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)堆棧、如何調(diào)配網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、如何構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)以及如何創(chuàng)建新模型的明確說明。

　　在下面的圖 7 中，使用 nRF5 SDK for Mesh 調(diào)配和配置新設(shè)備（燈泡）。在此插圖中，燈泡向調(diào)配者發(fā)出信號(hào)，表示正在尋找要加入的網(wǎng)絡(luò)。調(diào)配者驗(yàn)證燈泡的信標(biāo)并邀請它加入網(wǎng)絡(luò)。如果驗(yàn)證成功，則為設(shè)備提供必要的密鑰和地址，以便加入網(wǎng)絡(luò)并準(zhǔn)備配置。下一步，為燈泡提供“家庭自動(dòng)化”應(yīng)用密鑰。設(shè)置“OnOff 服務(wù)器”（用于控制燈泡）的發(fā)布狀態(tài)，最后添加“燈組”訂閱。

　　圖 7：使用 Nordic Semiconductor 的 nRF5 SDK for Mesh 調(diào)配和配置燈泡。（圖片來源：Nordic Semiconductor）

　　Silicon Labs 還提供與其 EFR32 Blue Gecko 藍(lán)牙入門套件搭配使用的藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。該公司建議購買三個(gè)或四個(gè)套件來構(gòu)建原型網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。該套件基于該公司的 EFR32MG1 低功耗藍(lán)牙 SoC。除硬件外，開發(fā)人員還需要藍(lán)牙 SDK 和藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò) SDK，這些 SDK 均可從公司網(wǎng)站下載。

　　需要 Simplicity Studio IDE 來建立和運(yùn)行 Silicon Labs 的藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。開發(fā)工具包括預(yù)編譯的演示、應(yīng)用說明和示例。可使用 Android 應(yīng)用程序從智能手機(jī)應(yīng)用程序調(diào)配、配置和控制藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

　　STMicroelectronics 采用與 Nordic Semiconductor 和 Silicon Labs 類似的方法，使用 SDK 來基于該公司的 BlueNRG-2 低功耗藍(lán)牙 SoC 開發(fā)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

　　總結(jié)

　　藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)為低功耗藍(lán)牙引入網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能，因而無需為智能家居應(yīng)用使用專有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)固件。

　　該技術(shù)會(huì)犧牲一定的簡易性，略微提高功耗和某些靈活性。其關(guān)鍵的優(yōu)勢在于，該技術(shù)與所有低功耗藍(lán)牙芯片而不僅是最新的藍(lán)牙 5 產(chǎn)品兼容。

　　低功耗藍(lán)牙芯片供應(yīng)商已開始推出藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)軟件開發(fā)套件，以補(bǔ)充其成熟的硬件和協(xié)議固件產(chǎn)品。

　　本文的第 2 部分將詳細(xì)介紹如何使用現(xiàn)成的硬件、固件和開發(fā)套件，將藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)集成到低功耗藍(lán)牙中。

　　參考

　　“藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)/開發(fā)人員簡介”，藍(lán)牙 SIG，2017 年 8 月。