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蓝牙mesh网络技术的亮点

时间:2018-10-25 阅读:
蓝牙mesh的关键是每个节点都能够充当网络中可行的管理者,并且还能够从网络中的其他节点中继消息。通过一到多个节点连接到Internet,一个蓝牙mesh网络可以无缝地成为易于扩展且相对容易开发的物联网(IoT)网络。

引言

蓝牙是当今最主要的低功耗无线技术之一,对无线设备用户和开发人员来说也非常熟悉。在去年夏天之前,蓝牙网络类型仅限于两个设备,信标,或单个hub设备和几个只能与该hub通信的附属设备(星形网络)之间的双向通信。虽然信标(一种用于兴趣点信息传递的一对多广播技术)室内定位、资产跟踪和双向通信为蓝牙物联网应用创造了许多可能性,但最新的蓝牙更新已发展为下一代网络架构。去年夏天,蓝牙低功耗(LE)标准进行了升级,可选择mesh(网状网)作为新的网络拓扑。Mesh网络使大量蓝牙节点能够作为单个大型网络运行,从而实现新的应用领域和用例。

蓝牙mesh的关键是每个节点都能够充当网络中可行的管理者,并且还能够从网络中的其他节点中继消息。通过一到多个节点连接到Internet,一个蓝牙mesh网络可以无缝地成为易于扩展且相对容易开发的物联网(IoT)网络。

蓝牙mesh发挥用场之处

在传统的星形网络中,每个附属节点必须连接到一个中心节点。虽然适用于定义明确的静态和小型网络,但由于成本和设计方面的挑战,这种网络拓扑的局限性使得其难以用来扩展和开发移动和动态网络。由于星型网络运行要求每个附属节点必须能够返回到hub节点,因此星型网络拓扑的范围也受到限制。但是,对于mesh来说,多跳通信允许范围内的任何可行节点将节点消息转发到所需目的地的任何节点。这是蓝牙mesh发挥用场之处,因为可以将mesh网络拓扑设计成扩展到大量(目前指定为32,000个)节点并适应不断变化的网络条件。

图1

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星型网络需要有集中的hub才能工作,而网状网络可以利用网络内的节点中继消息来提高可扩展性

蓝牙mesh网络的可扩展性和可靠性

随着几乎每个行业都在发生物联网革命,以前依赖于有线可靠性但却遭遇有线可扩展性问题的许多应用开始采用无线解决方案。这些应用受益于低功耗mesh技术,因为与有线和传统的点对点无线系统相比,此类系统的可扩展性前所未有。更重要的是,对于以前点对点无线系统所饱受的可靠性问题,mesh网络也不会受其影响。

蓝牙mesh中的可扩展性涉及开发人员使mesh网络能够根据所配置的网络节点而增长。配置可以以非常安全的多授权方法来完成,或者做到像用户按智能手机虚拟按钮选择一样简单。因此,mesh部署可以以一次大型的单次安装来完成,也可以在需要额外的网络覆盖或传感器密度时或在其他受益于附加节点的场景下添加节点。此外,通过通用属性配置文件(GATT),标准蓝牙低功耗(BLE)设备可以通过代理节点与BLE mesh网络通信,从而进一步使网状网络能够按需进行扩展。

点对点和有线网络类型通常围绕单个hub部署,每个hub连接和hub基础设施都存在负担,而网状网络拓扑可以利用网络中的每个节点作为潜在的通信链路和/或hub(中继节点)。与星形网络相比,这可以实现自愈和路由优化,从而提高mesh网络的可靠性和效率。该功能被称为多路径传送,其中消息可从一个节点发送并且可由终端接收者通过网状网络的各种路径接收。

蓝牙mesh互操作性和低功耗信标

互操作性是许多新标准和技术的主要关注点,因为它可能决定仍在用的现有技术是否会因此出现部分过时。但是,对于蓝牙mesh,之前的数版BLE(例如智能手机和平板电脑版本)仍然可以通过GATT与蓝牙mesh进行通信。代理节点只是已被批准连接到其他BLE设备的蓝牙mesh节点,用于实现与蓝牙mesh的双向通信。

BLE一个显著增长的用例是信标。信标是指某个事件触发节点传输信息,其中可能包括传感器信息、位置或兴趣点信息。市场上有两种主要的信标标准:Apple的iBeacon和Google的EddyStone,每种都有各自的优势和用例。现在,任何蓝牙mesh节点都可以包含一种或两种信标标准,并且可以在作为蓝牙mesh节点运行时变成虚拟蓝牙信标。这就可以实现新的用例甚至商业模式,例如互联室内照明供应商,现在可以开始提供新的服务,例如室内定位、资产跟踪和兴趣点信息传递。

图2

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星型网络需要一个集中式hub来工作,而mesh网络可以利用网络内的节点中继消息来提高可扩展性。

蓝牙mesh开发者的好处

幸运的是,对于已经拥有成熟BLE堆栈和部署的开发者来说,蓝牙mesh是对既定BLE协议的补充。使用供应商的蓝牙Mesh SDK,可以对给定应用快速开发和优化mesh网络,熟悉以前蓝牙版本和SDK的开发者可以轻松完成。此外,先前的技术可以通过GATT与新的蓝牙mesh设备通信,这意味着只有需要mesh功能的技术才需要mesh开发。最后,就像许多蓝牙设备一样,用户设备设置和配置都可以通过智能手机/平板电脑和APP界面轻松实现。

图3

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蓝牙堆栈的多功能性使蓝牙mesh网络能够通过该mesh网络中的代理节点与BLE设备(例如用户/客户的智能手机/平板电脑)进行通信。

蓝牙mesh和家庭自动化

智能灯泡、恒温器、通风口、运动传感器以及许多其他智能家居物联网应用正越来越受到欢迎。通常,这些家庭自动化设备使用各种不同的无线标准和技术,需要在整个家庭中使用各种互联hub以及网络路由。蓝牙mesh作为一种简化智能家居自动化过程的协议很有前途,它可以通过用户的智能手机或平板电脑轻松设置和配置各种mesh网络设备。

对用户的好处是其可以利用mesh网络互联设备实现消息的多路径中继,这可以同时增加可靠性和网络覆盖。即使在大型家庭中,只需要在整个家庭中布置几个节点,蓝牙mesh就可以到达家庭的每个角落,并防止由于单个节点出现故障而导致的服务中断。例如,如果将家庭照明蓝牙mesh中的几个节点连接到家庭网络,即使其中一个家庭网络互联节点发生故障,来自其余mesh节点的消息仍然可以达到用户的控制/报告设备。传统上,如果hub设备发生故障,整个网络将无法使用。这用灯亮和灯灭之间的区别来形容可能再恰当不过。

零售、智能楼宇和仓库自动化应用中的蓝牙mesh

许多商业和工业环境都在从物联网加强中受益。其中一些应用包括资产跟踪、定位服务信标、高级照明控制、环境监控、病人监控和其他自动化功能。对于这些应用,蓝牙mesh能够简化可大规模扩展的多功能网络的部署,而无需修改网络的底层基础设施。鉴于许多无线通信技术需要复杂的开发或单独的网络来执行多种功能,上述潜力相当强大。

例如,单个蓝牙mesh网络即可支持增强的客户信息和交互服务以及零售商店仓库中的资产跟踪信标,同时支持报告商店货架状态的资产跟踪信标。这样的集成系统可以超越简单的低货架库存报告,实际上可以用它来自动地将员工引导到仓库中商品的确切位置,然后将其拿回货架或拿到在智能手机上发现感兴趣商品的潜在客户的位置。

蓝牙mesh也可用于低延迟场景。Silicon Labs目前的基准测试表明,蓝牙mesh解决方案可以实现每跳低于10ms的延迟,单个数据包的有效负载最多可达11个字节的数据(测试数据已证明6跳往返延迟约为110ms,或只有55ms的单向延迟)。当然,随着网络或有效负载大小的增加,延迟也会增加。幸运的是,对于某些应用,网络大小对延迟的影响小于有效负载大小。这意味着可以使用功能节点和中继节点优化特定网络来减少网络延迟,同时保持覆盖范围和可靠性。Silicon Labs的基准测试还表明,大型蓝牙网络可以很好地运行。在Silicon Labs进行的240个节点的网络测试中,通过适当的中继位置选择,mesh网络实现了99%以上的可靠性,98%的数据包在60ms或更短的时间内到达节点。

总结

尽管蓝牙mesh最近才出现制造商提供的芯片组和SDK,并且未来可能会受益于标准的增强,但蓝牙标准的mesh网络将为家庭、商业和工业自动化提供许多独特的功能。这些优势包括蓝牙mesh能够轻松开发和部署可扩展的mesh网络,这种网络非常可靠,并可轻松地用于执行多项任务。由于蓝牙mesh网络可以由具有各种功能的节点组成,例如支持低功耗的节点和其朋友节点,以及支持在蓝牙mesh和BLE设备之间相互通信的代理节点,因此该功能得到进一步增强。鉴于其灵活性和易开发性,我们将有望看到开发人员使用最新的低功耗mesh网络技术实现各种令人兴奋的解决方案。

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