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蓝牙Mesh技术如何实现智能应用

2018-08-27来源: 集微网 关键字:蓝牙Mesh  智能应用

蓝牙从2000年推出以来即积极追求成长,初衷只是希望取代有线技术,但旋即成为无线音频与计算机周边产品的重要标准,例如无线鼠标和键盘。

 

2010年,低功耗蓝牙的诞生让蓝牙技术又向前迈进一大步。 其影响力既深且广,应用范围涵盖智能型手机和平板、医疗和健身、智能家庭,以及穿戴式装置市场。 以Mesh网络拓扑建立的无线通信系统,已证实能够有效提供大范围的涵盖率,不仅能延伸涵盖范围,而且相当稳定可靠。 然而,在此之前这类网络都是建构在特殊技术之上,无法与大多数消费者的计算机、智能型手机与周边配件兼容,亦不适用于企业端。

 

此次蓝牙Mesh技术规格的制定是120家蓝牙技术联盟企业会员共同努力的成果,远远超越了一般正常的规模,也因此才能满足全球对于蓝牙网状网络产业标准的要求。 对蓝牙技术而言,Mesh规格的制定,象征着型态的转变,而其影响层面之庞大,也让它成为一项典范转移。 本文章共分上下篇,上篇叙述蓝牙Mesh应用与特点,下篇则描述蓝牙Mesh技术与设计架构。

 

蓝牙Mesh实现智能建筑

 

想象一下,在一个天还未亮的冬日清晨,您开车去上班,经过公司保全系统之后,系统自动分配一个车位给您(图1)。 车位上方的编号自动亮起,引导您轻松将车停好。 接着,车位分配系统立即将这个车位标记为已占用。

 

 

图1 蓝牙Mesh网状网络涵盖整个办公室和停车场。

 

走进大楼,人员传感器侦测到您的存在,立即透过您的穿戴式装置辨认您的身分。 您走进电梯,搭到二楼,然后走出电梯。 一如往常,您又是第一个进办公室。 当电梯门开启,从电梯口到您办公室及厨房的沿路,灯光自动亮起,咖啡是您公司不可或缺的要素,为了节能,其他区域依然保持在黑暗中。

 

您走进办公室,身后的门自动关上。 天花板及您桌上的台灯都已经为您开启,并且调整在您觉得最舒适的亮度。 您注意到室内的温度似乎比整个办公室稍微温暖一点,这正好是您个人最爱的温度。 您一坐下,您的计算机就自动将您登入。

 

您的一天就此顺利展开,大楼自动应答了您的需求,甚至贴心地配合您的喜好。 所有系统都很有效率地运作,而这一切是如何办到的?

 

几个月前,公司安装了一套蓝牙Mesh网状网络,一开始先安装的是Mesh照明系统;后来人员传感器、环境传感器、无线暖气空调及停车管理系统也陆续加入Mesh网络当中。 公司因此省下了不少的电费和暖气费,而且工作环境也变得更有人性,大幅提升了个人的工作效率。 不仅如此,维护成本也因而降低,因为公司再也不必为了增加新的照明开关而大费周章地布线,既省下昂贵的成本,又不会干扰正常营运。

 

与此同时,大楼管理团队也能透过各种数据来了解整个大楼及各项服务的状况,同时掌握人们的使用情况,然后再利用这些数据将系统调整至最佳状况。

 

蓝牙Mesh网状网络让您轻松、经济地掌握整栋建筑的各项服务,并透过无线方式来操控并设定自动化行为。 回想起来,您还真不知道以前没有这套先进系统时是怎么过活的。

 

蓝牙Mesh技术基本概念

 

要了解蓝牙Mesh网状网络拓扑,首先要先对一些蓝牙以外的最新科技名词和概念有所认识。 本章节将介绍一些最基本的名词和概念。

 

「网状网络」与「点对点」

 

大多数的低功耗蓝牙装置都是经由简单的「点对点」网络拓扑来和其他装置通讯(一对一通讯),在蓝牙的核心规格当中,这样的网络称为「Piconet」微微网。

 

想象一支智能型手机和一台心率监视器之间建立了点对点联机,并将数据传输到手机上。 蓝牙有一项不错的特性就是装置可以建立多个联机,因此这支智能型手机还可和另一个活动纪录器建立点对点联机。 尽管这支智能型手机可以同时和两个外部装置直接通讯,但外部装置彼此之间却无法直接通讯。

 

反观网状网络则是一种「多对多」的网络拓扑(图2),网状网络中的每个装置都能与其他任一装置通讯,这一点会在后续的文章当中详细说明。 装置之间通讯的方式是透过讯息,而且每一装置都可以转发讯息,因此从两端的通讯距离可以超越个别节点无线射频功率所及的范围。

 

 

图2 采用讯息转发架构的多对多网络拓扑。

 

装置与节点

 

网状网络中的每一个装置就是一个节点,而尚未加入的装置则称为「未启动配置装置」(Unprovisioned Device)。 因此,一个未启动配置装置转变成网络节点的过程就叫做「启动配置」(Provisioning)。 想象一个情境,用户新买了一个支持蓝牙Mesh技术的灯具带回家安装,而为了将它加入蓝牙Mesh网络,必须先启动配置灯具以便能够透过现有的蓝牙照明开关或调光器来操作。

 

启动配置是一个安全的程序,经过此一程序,未启动配置的装置会获得一连串的加密密钥,并且向「启动配置器」(Provisioner)装置(通常是平板或智能型手机)注册,其中一把密钥是「网络密钥」,简称NetKey。

 

Mesh网络中的所有节点至少都会有一把网络密钥,也正因为拥有此一密钥,装置才可算是该网络的成员,并称为一个节点。 不过,节点在能发挥作用之前,还要满足几项条件;首先最基本的就是透过一个安全的配置程序取得一把网络密钥。

 

元素

 

有些节点会有多个组成单元,每一个单元都能够独立被操控。 在蓝牙Mesh技术的术语中,这些组成单元叫做「元素」(Element)。 图3显示一个LED灯具,当它加入蓝牙Mesh网状网络时,会变成一个拥有三个元素的单一节点,每一元素则分别对应至不同的LED灯。

 

 

图3 包含三个「元素」的照明节点。

 

讯息

 

当一节点须要查询其他节点的状态,或者操控其他节点时,就要传送某种类型的讯息;若节点需要向其他节点通报自己的状态,也是藉由发送讯息通报。

 

网状网络中的所有通讯都是透过「讯息」来达成,蓝牙Mesh技术已定义了许多讯息类型,每一类都有自己独特的代码(Opcode)。

 

讯息主要分成两大类:「须确认」(Acknowledged)和「不须确认」(Unacknowledged)两种。 须确认讯息的接收端节点必须做出回应,响应有两项目的:第一,确认讯息已收到;第二,将接收端的数据传回发送端。

 

须确认讯息的发送端若未收到预期的响应,可重新发送讯息,因此须确认讯息必须具备等幂(Idempotent)特质。 换句话说,当某个节点收到多次相同的须确认讯息,效果和收到一次是一样的,不须确认讯息则不须响应。

 

地址

 

讯息的传递必须从某一地址到另一地址,蓝牙Mesh技术定义了三种地址。 单播(Unicast)地址用来对应单一元素寻址,在配置程序中,单播地址会被指派至装置。

 

群组地址是一种群播(Multicast)地址,可用来对应一个或多个元素寻址。 群组地址可由蓝牙技术联盟定义或动态指派,前者就是所谓的「SIG固定群组地址」(SIG Fixed Group Addresses)。 目前共定义了四个SIG固定群组地址,包括All-proxies、All-friends、All-relays及All-nodes。 本文后续会对代理(Proxy)、好友(Friend)和转发(Relay)等名词的意义做进一步解释。

 

动态群组地址的用意是要让用户透过一个组态设定程序,建立并对应一栋建筑的实体组态。

 

例如,建筑中的每一个房间都有对应的群组地址,虚拟地址则用来对应一个或多个元素寻址的地址,并可涵盖多个节点。 其格式是一个128位的通用唯一标识符(UUID),可对应任何元素,就如同卷标的作用。

 

发布/订阅

 

「发布」就是传送讯息的动作,而设定让节点从特定地址接收某些讯息的动作,就是「订阅」。 一般来说,讯息会发送至群组地址或虚拟地址。 群组和虚拟地址的名称,通常会让用户一看就知道用意,因此在使用上既方便又直觉。

 

如图4,我们看到「开关1」节点会发布讯息到「厨房」群组地址。 「灯泡1」、「灯泡2」、「灯泡3」这三个节点,则订阅了「厨房」这个地址, 因此会接收及处理发布至该地址的讯息。 换句话说,「灯泡1」、「灯泡2」和「灯泡3」即可透过「开关1」来操控。

 

 

 

图4 发布/订阅情境示意图

 

「开关2」会发布讯息到「餐厅」这个地址。 而图中只有「灯泡3」订阅了该地址的讯息,因此「开关2」只能控制此一灯泡。 请特别留意,此范例也示范了节点可订阅不只一个地址的讯息,这样的设计既强大又弹性。

 

同样地,请特别留意「开关5」和「开关 6」两个节点皆可发布讯息至「花园」这个地址。 采用群组和虚拟地址并搭配「发布/订阅」的通讯机制的另一绝佳优点,就是当网络中移除、更换或新增节点时,不须重新设定其他节点。

 

想象一下,如果餐厅需要新增安装一盏灯会需要哪些流程。 首先,新的装置必须经过

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关键字:蓝牙Mesh  智能应用

编辑:muyan 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/2018/ic-news082721004.html
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