L'articolo, come l'iniziale della serie MESH , introduce l'architettura e le funzioni del protocollo Bluetooth mesh 1.0 . Come protocollo aggiuntivo al protocollo Bluetooth Low Energy, il protocollo Bluetooth Mesh, indipendente da Bluetooth 5.0, introduce per la prima volta una rete mesh standard aperta ai dispositivi Bluetooth Low Energy.

La rete MESH è una tecnologia wireless a bassa potenza per la casa intelligente e l'automazione degli edificiapplicazioni. Inizialmente, poiché SIG non ha il supporto per la rete MESH, gli ingegneri devono sostituire Bluetooth Low Energy con altre tecnologie (come ZigBee e Thread) per lo sviluppo delle applicazioni per la casa intelligente. La situazione è durata fino a quando le specifiche del Bluetooth mesh non sono state rese pubbliche a metà del 2017. Ora il Bluetooth SIG ha risolto la mancanza di rete MESH introducendo la specifica supplementare Bluetooth 5.0 - Rete mesh Bluetooth 1.0. La specifica non necessita di altri supporti hardware e può essere eseguita su chip Bluetooth Low Energy esistenti (BLE4.0, BLE4.1, BLE4.2 e BLE5.0) eseguendo il flashing del firmware. Alcuni produttori di chip ora possono supportare il protocollo Bluetooth Mesh 1.0.

1. BLE MESH Mercato ora

Finora, 73 aziende nel mondo hanno certificato BLE MESH nel SIG e il numero di prodotti certificati è di ben 461. Questo dato include il numero totale di certificazioni dei prodotti terminali e del chip. La tabella seguente elenca le aziende certificate e il numero delle loro certificazioni di prodotto, di cui molti sono i prodotti terminali certificati dai colossi cinesi di Internet.

2. Vantaggi della MESH

Bluetooth Low Energy è stato originariamente progettato per integrare l'elevato consumo energetico del Bluetooth "classico" estendendo la tecnologia wireless ai dispositivi alimentati a batteria. Ad esempio, le cinture per la frequenza cardiaca e le applicazioni giocattolo controllate in modalità wireless comunicano con un dispositivo principale (come un telefono cellulare) tramite la tecnologia Bluetooth Low Energy. Anche un dispositivo master controlla più dispositivi slave per formare una topologia di rete a stella.

A causa dell'interoperabilità di Bluetooth low energy e telefoni cellulari, Bluetooth low energy può essere rapidamente esteso ad altre applicazioni come il controllo dell'illuminazione , la casa intelligente, ecc. In questi tipi di applicazioni compaiono le carenze della rete a stella. Ad esempio, le soluzioni Bluetooth a basso consumo possono far fronte solo a un numero limitato di connessioni simultanee (in genere otto). E i dispositivi di illuminazione con più di 8 lampadine non possono essere controllati da un singolo comando, il che causerà ritardi nel controllo. Le lampadine lontane dalla grande casa potrebbero non rientrare nel raggio del controller centrale e devono essere commutate da nodi con funzioni di routing.

Dal lancio di Bluetooth Low Energy, ha lanciato le versioni 4.1, 4.2, 5.0, 5.1 e 5.2. Molte funzioni del protocollo sono state migliorate, come il raggio di trasmissione, il throughput, la capacità di trasporto dei dati di trasmissione, il posizionamento AoA/AoD e i miglioramenti della coesistenza . (alcune di queste nuove funzionalità sono opzionali. Opzionale significa che un chip che non supporta queste nuove funzioni può anche essere un chip BLE 5.0).

Bluetooth Mesh 1.0 non è un semplice aggiornamento di BLE 5, ma un insieme di protocolli indipendenti dal protocollo Bluetooth. E qualsiasi versione precedente (BLE 4.0, BLE 4.1, BLE 4.2, BLE 5.0) può essere aggiornata. Con la premessa di risorse Flash e RAM sufficienti, è sufficiente aggiornare il firmware per eseguire la rete Bluetooth.

Quando il nodo Bluetooth MESH riceve un messaggio, trasferisce i dati ottenuti dal livello Bluetooth Low Energy al livello portante, quindi i dati vengono trasferiti al livello rete attraverso il livello portante. Il livello di rete utilizza vari controlli per decidere se passare il messaggio al livello di trasporto inferiore o scartarlo.

La specifica Bluetooth MESH definisce un nuovo protocollo di base. Alcuni dei livelli del protocollo di base condividono alcuni concetti con i livelli del protocollo di base Bluetooth Low Energy, ma i due protocolli non sono completamente compatibili tra loro. Questo è diverso da tecnologie come ZigBee e Thread. ZigBee e Thread sono stati progettati sin dall'inizio come reti MESH. Le specifiche sottostanti si basano su 802.15.4, ma non è stata considerata la compatibilità di altri protocolli mainstream. (Negli ultimi due anni, ZigBee ha considerato l'utilizzo di dotdot al massimo livello per essere compatibile con altri protocolli di rete e ottenere l'interconnessione. Per i dettagli, fare riferimento a https://zigbeealliance.org/solution/dotdot/ )

Esistono quattro tipi di nodi di rete:

Un nodo di inoltro riceve e ritrasmette i messaggi mesh Bluetooth utilizzando la portante pubblicitaria. Lo svantaggio dei nodi di inoltro è che devono sempre mantenere lo stato di allerta, il che aumenterà notevolmente il consumo energetico. Ha scarso effetto sulle applicazioni alimentate dall'alimentazione principale come l'illuminazione intelligente, ma è un grosso problema per i nodi alimentati a batteria come gli interruttori incorporati nella rete.

I nodi a basso consumo utilizzano le funzionalità standard di risparmio energetico di Bluetooth Low Energy (che mantiene lo stato di sospensione per lungo tempo), quindi possono funzionare a lungo tramite la batteria o la raccolta di energia. Gli LPN funzionano in tandem con il nodo Friend, uno che non è vincolato dall'alimentazione (egit ha una fonte di alimentazione CA permanente). L'amico memorizza i messaggi indirizzati all'LPN e li consegna all'LPN ogni volta che l'LPN interroga il nodo dell'amico per "messaggi in attesa". Quando l'LPN entra in modalità di ricezione (secondo un programma prestabilito), riceve il messaggio memorizzato e segue le istruzioni, quindi torna alla modalità di sospensione a risparmio energetico.

Nodi amici
Un nodo amico può archiviare e successivamente inoltrare messaggi indirizzati a un nodo a basso consumo associato. Quando un nodo a bassa potenza si sveglia ed esegue il polling di un nodo amico, quest'ultimo trasmetterà questi messaggi al relativo nodo a bassa potenza. I nodi amici occuperanno più memoria rispetto ad altri tipi di nodi perché devono memorizzare i messaggi per uno o più nodi a basso consumo. La dimensione della memoria richiesta dipende dalla quantità di dati/comandi che devono essere memorizzati nei nodi amici e inviati ai nodi a bassa potenza durante le operazioni di polling.

Nodi proxy
Il nodo proxy è la chiave per consentire ai dispositivi Bluetooth Low Energy non mesh (come un telefono cellulare) di far parte di una rete mesh Bluetooth. I nodi proxy espongono un'interfaccia GATT che i dispositivi Bluetooth LE possono utilizzare per interagire con una rete mesh. Un Nodo Proxy può ricevere messaggi su una portante (pubblicità o GATT) e ritrasmetterli sull'altra (pubblicità o GATT). Lo scopo fondamentale del Proxy Node è eseguire la conversione della portante. Può convertire da portante pubblicitario a portante GATT e viceversa. Pertanto, un dispositivo che non supporta la portante pubblicitaria può invece inviare e ricevere vari tipi di messaggi mesh Bluetooth tramite una connessione GATT. Ad esempio, la funzione è utile quando l'utente desidera utilizzare uno smartphone tradizionale per controllare una rete di illuminazione intelligente.

La figura fornisce un esempio di una semplice rete mesh Bluetooth. In questo esempio, la maggior parte dei nodi, come le lampadine, sono alimentati dalla rete e possono scansionare continuamente i canali pubblicitari per i messaggi in arrivo. Alcuni di questi nodi possono anche supportare le funzionalità di inoltro, proxy e amico. Inoltre, nella topologia di questo esempio, il sensore di temperatura a basso consumo utilizza la funzione di basso consumo ed è assistito da uno dei nodi alimentati dalla rete che ha implementato la funzione amico. Allo stesso modo, uno smartphone che non supporta il portatore pubblicitario comunica con la rete mesh tramite un nodo che supporta la funzione proxy.

Inoltre, il nuovo nodo deve essere configurato prima di entrare a far parte della rete mesh in modo da garantire che il nuovo dispositivo sia un dispositivo attendibile e possa accedere a tutti i nodi della rete. Dopo l'accesso, la rete MESH assegna gli indirizzi, i tipi di dispositivo e le chiavi del dispositivo per il nuovo nodo. Quindi la chiave del dispositivo viene utilizzata per stabilire un canale sicuro per configurare nuovi nodi. In teoria, la rete Bluetooth MESH può supportare fino a 32.000 nodi.

5. Architettura MESH Bluetooth

La rete mesh Bluetooth utilizza la tecnologia "flooding" per inviare messaggi nella rete (è simile al modo in cui il virus si diffonde). Ogni pacchetto di dati viene inoltrato ad altri nodi della rete finché il messaggio non raggiunge il nodo di destinazione. La trasmissione del messaggio può essere per un singolo nodo, un gruppo di nodi e tutti i nodi. Ad esempio, possiamo definire come indirizzo di gruppo tutte le luci di una singola stanza. La specifica mesh Bluetooth definisce quattro indirizzi di gruppo fissi: "All-Proxies", "All-Friends", "All-Relays" e "All-nodes". (LPN non ha la funzione di inoltro dei messaggi, perché deve mantenere un basso consumo energetico.)

L'architettura flooding mesh e la scelta dell'indirizzo di gruppo migliorano il supporto della rete mesh Bluetooth per le applicazioni smart home. Ad esempio, se il dispositivo Gateway nella rete MESH riceve il comando "ON", che può essere rapidamente trasmesso all'intera rete attraverso la rete MESH. Ogni dispositivo nodo nella rete riceve il comando e agisce di conseguenza, le luci nel gruppo target possono essere accese immediatamente.

Rispetto alla rete a stella, il tempo minimo di attesa della ricezione media dei dati per i nodi della rete MESH è molto inferiore a quello della rete a stella. Perché il dispositivo centrale deve inviare un comando separato a ciascuna lampadina collegata nella rete a stella. E la CPU deve inviare comandi a tutti i sottodispositivi a intervalli di tempo.

Ci sono alcune differenze tra Bluetooth MESH e Bluetooth tradizionale. Tutti i dati mesh verranno trasmessi solo su tre canali pubblicitari 37, 38 e 39. Ha i suoi vantaggi e svantaggi. Il vantaggio è l'alta efficienza e la semplice modalità di trasmissione. E lo svantaggio è che riduce la larghezza di banda della rete e aumenta il rischio di congestione.

Esistono due metodi per la rete MESH per gestire la congestione: il primo è il TTL (Time To Live) , che definisce quante volte un pacchetto specifico può essere inoltrato (in genere tre passaggi). Il secondo è la cache di rete . Il dispositivo trasmetterà solo una volta dopo aver acquisito un pacchetto di dati inoltrato. Il dispositivo non lo inoltrerà ulteriormente quando riceverà lo stesso pacchetto di informazioni trasmesso da altri dispositivi la volta successiva.

Gli sviluppatori possono anche utilizzare percorsi di consegna di gruppo opzionali e mantenere la funzione di inoltro. Dopo l'impostazione, il nodo può ricevere il pacchetto di dati, ma non può trasmetterlo. Pertanto, la flessibilità del nodo diventerà scarsa.

6. Modello BLE MESH

Il concetto di modello MESH è simile al concetto di profilo Bluetooth. Il modello specifica una struttura informativa pubblica, che può contenere uno o più servizi (il concetto di modello è utilizzato per definire i dispositivi terminali).

Il modello contiene i comportamenti e i servizi specifici dei nodi e definisce un insieme di stati e messaggi che agiscono sullo stato. Il modello standard può funzionare nelle applicazioni tipiche, come la configurazione del dispositivo, le letture dei sensori e il controllo dell'illuminazione. E gli sviluppatori possono anche creare modelli personalizzati.

I modelli nei nodi sono organizzati per elementi. Ogni elemento funge da entità virtuale nella mesh con un indirizzo univoco e ogni messaggio in arrivo viene elaborato dal modello nell'elemento.

Diversi modelli interagiscono tra loro tramite "pubblica e iscriviti". Il nodo di pubblicazione invia un messaggio e il nodo configurato per la sottoscrizione lo elaborerà dopo aver ricevuto il messaggio.

Nella figura seguente, possiamo vedere che il nodo "Switch 1" sta pubblicando all'indirizzo di gruppo Kitchen. I nodi Light 1, Light 2 e Light 3 si iscrivono ciascuno all'indirizzo Kitchen e quindi ricevono ed elaborano i messaggi pubblicati a questo indirizzo. In altre parole, Luce 1, Luce 2 e Luce 3 possono essere accese o spente utilizzando l'interruttore 1.

Switch 2 pubblica all'indirizzo di gruppo Dining Room. Solo la luce 3 si è iscritta a questo indirizzo e quindi è l'unica luce controllata dall'interruttore 2. Si noti che questo esempio illustra anche il fatto che i nodi possono sottoscrivere messaggi indirizzati a più di un indirizzo distinto. Questo è sia potente che flessibile.

Allo stesso modo, nota come entrambi i nodi Switch 5 e Switch 6 pubblichino allo stesso indirizzo Garden.

7. Rete di configurazione Bluetooth Mesh

La figura seguente è un esempio di una sottoscrizione di rete di configurazione completa. Il processo è il processo standard per le apparecchiature di registrazione della rete di configurazione Bluetooth MESH. All'inizio, la lampadina invia un segnale alla rete MESH per informarla che sta cercando una rete a cui unirsi. Il nodo di configurazione autentica il faro della lampadina e lo invita a unirsi alla rete. Se l'autenticazione ha esito positivo, al dispositivo verranno fornite le chiavi e gli indirizzi necessari per connettersi alla rete e prepararsi per la configurazione. Poi la lampadina viene fornita con la chiave APP "domotica". Imposterà lo stato di pubblicazione del "server OnOff" (lampadina di controllo) e infine aggiungerà l'abbonamento al "gruppo luci".

8. Applicazioni Bluetooth MESH

Sulla base delle statistiche preliminari dei prodotti certificati SIG, è emerso che le applicazioni di BLE MESH si concentrano principalmente nelle case intelligenti e nelle applicazioni di controllo dell'illuminazione, con il controllo dell'illuminazione che rappresenta il 60%, le case intelligenti che rappresentano il 30% e l'ultimo 10% appartenente alla certificazione del chip del produttore originale e all'applicazione del mercato di nicchia. BLE MESH è senza dubbio il più grande concorrente di ZigBee .