早期,家庭/楼宇自动化、信标、照明和资产追踪/管理等组网应用主要采用ZigBee网络。然而,ZigBee需要设计路由器/网关,这对开发者形成负担。另一方面,随着智能手机的普及,业界也希望直接利用智能手机来实现这些组网应用的访问与控制,进而实现潜在的云连接。

Bluetooth SIG在7月发布了Bluetooth Mesh(蓝牙网状网络)更新。随着网状网络的加入,蓝牙也有潜力被应用于这些场景上。

蓝牙网状网络扩展了蓝牙的覆盖范围。早期的蓝牙基本速率/增强数据率(BR/EDR)主要用于音频和语音串流应用。随着2009年蓝牙低功耗(BLE)的切入,再到现在的蓝牙网状网络,我们正看到并将看到有更多的新应用出现。

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网状网络与星形网络的差异

以前,蓝牙的主流是点对点的应用。“虽然有厂商宣称自己的产品可以1对多,但仍是星形网络。”芯科科技(Silicon Labs)公司亚太区高级市场经理陈雄基日前在媒体交流会上向记者表示。

蓝牙早期是星形网络,从中心节点到其他节点是点对点应用。星形网络有一些先天不足,比如距离限制。网状网络可以改善这个问题。它通过将其他节点作为中继,来增加射频传输距离,从而进行更好覆盖。

“蓝牙网状网络通过路由功能解决单点故障问题。它理论上可支持相对多的节点。安全性是一大关注,蓝牙网状网络提供一定安全支持。”陈雄基强调,“蓝牙和WiFi之所以被大众接受的程度高,在于它们提供良好的互操作性。蓝牙网状网络从应用层到网络层、物理层等进行了全部定义。这是与ZigBee和Thread之间的一个重要差异。”

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四大功能完整覆盖各应用场景

蓝牙网状网络包括中继功能、低功耗功能、朋友功能和代理功能。

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蓝牙网状网络需要有至少一个代理节点来实现和手机的通信。手机提供的是蓝牙BLE连接,因此代理节点需要同时支持BLE和网状网络。“蓝牙网状网络最大的优势实际上是支持手机连接,然而现在的手机还不支持蓝牙网状网络,所以必须通过代理节点来进行切入。”陈雄基补充道。

除了手机和代理节点之间的通信外,其他部分就是网状网络部分。其中,绝大部分照明节点都会提供中继功能(中继节点)。低功耗功能是指低功耗设备处于睡眠状态时,需要有朋友节点帮助存储请求数据。当它醒来时就可以从朋友节点获取更新数据。这样就可以保证所有信息都被收到。“代理节点至少要有一个,从而对整个应用场景提供支持,否则与其他私有协议就没有差异。”陈雄基说。

另外,边缘节点是指周围的节点,没有中继功能。“节点太多、不停重发会导致无线频谱无法支撑,而导致整个网络失去反应。蓝牙网状网络通过增加边缘节点选项进行改善。”陈雄基透露。

下图是蓝牙网状网络应用层的定义。它和ZigBee、Thread有比较大的差异,进行了详细底层定义,甚至是开关服务器都有在协议里定义,这样就能够提供更好的兼容性。另外它通过传感器设定服务器、时间服务器等来支持睡眠产品的定时器动作。

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面向蓝牙网状网络应用的Wireless Gecko(小壁虎)产品组合

Silicon Labs为组网应用提供Wireless Gecko产品组合。对于蓝牙网状网络应用,开发者可选择SoC芯片或模块(SiP或PCB模块)进行开发。

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陈雄基告诉记者,对于Blue Gecko的三款SoC产品,EFR32BG13 Blue Gecko鉴于其Flash容量(512kB)和RAM大小(64kB),最适合蓝牙网状网络应用。

512kB的Flash允许放BLE和蓝牙网状网络的协议,同时也能做OTA的更新。同时它提供时钟功能,其高精度低频RCO用来取代外置32.768kHz晶振。此外,该芯片也提供能源管理,包括DC-DC转换和低电压检测等。安全则包括一系列加速引擎。在串行接口方面,URART、GPIO、I2C、USART通通提供支持。计时器和触发器部分加强了时钟功能。模拟模块可用作照明驱动。无线部分支持BT 5高速率和远距离。

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对于Blue Gecko蓝牙模块,SiP模块可直接用于可穿戴设计。它集成了天线、晶振以及所有相关射频部分(稳定性都已通过测试)。同时也通过了各种认证,包括FCC、CE通用认证,以及各国认证,从而开发人员可以放心使用。

下图是Blue Gecko模块产品组合。其中,BGM111是PCB模块。BGM12x和BGM11S都是SiP模块。BGM13S的13是指和EFR32BG13对应的型号,S是指SiP模块。这款模块将在年底推出,而PCB模块则是会马上推出。

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开发工具支持

对于硬件,所有Wireless Gecko产品都是基于同一套底板开发。其上可以换不同的模块,包括不同系列的Wireless Gecko、不同的RF输出以及不同频点。对于软件,Silicon Labs可提供整套相关SDK,把网状网络模型和BLE(即GATT、ATT、GAP SM和L2CAP部分)合并,从而让开发人员可以开发代理节点设备。

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陈雄基透露,对于网络分析,过去绝大部分BLE应用都是做点对点应用,对网络分析要求很低。而在做网状网络时,由于无线频谱有复杂表现,对网络分析的要求会相应提高。如果没有工具分析,开发人员将不知道会发生什么问题。因此,Silicon Labs在硬件上提供Packet trace工具。相对于其他监听(sniffer)工具只是单纯看空中流量,它是直接连到芯片上抓数据。这样甚至连芯片是否有发信号、收到信号做了哪些处理都清楚。

Bluetooth Mesh、Thread、ZigBee技术比较

另外,在实际的应用场景,灯、风扇、门锁可能已经有WiFi、蓝牙无线连接之外的其他连接,这就提出了多协议的需求。比如Amazon Echo就支持WiFi和ZigBee,这就需要支持相应的生态系统。

再就是应用层的需求、性能需求(家庭覆盖范围、吞吐量以及是做视频传送应用还是做简单监控应用等)以及IP连接需求(比如Thread就是为了对IPv6提供支持)。

下图是网状网络技术比较。从应用层可以看出,目前Bluetooth Mesh的网络模型(主要定义灯、开关)相比ZigBee的dotdot还不够完善,毕竟ZigBee已经有十多年的历史,比如dotdot对灯(调光、色温、组网等)、门锁、传感器、开关等的定义非常丰富,可以很好配合智能家居使用。

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然而,ZigBee有路由需求,需要设计网关。这对很多开发者来说是个负担。因此,具体采用哪种无线连接开发,要根据终端市场需求进行判断,陈雄基补充说。

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