L'articolo, come l'iniziale del serie MESH , introduce l'architettura e le funzioni del Rete Bluetooth 1.0 protocollo. Come protocollo supplementare al protocollo Bluetooth Low Energy, il protocollo Bluetooth Mesh, indipendente dal Bluetooth 5.0, introduce uno standard aperto rete a maglie ai dispositivi Bluetooth Low Energy per la prima volta.

La rete MESH è una wireless a bassa potenza tecnologia per casa intelligente e automazione degli edifici applicazioni. All'inizio, poiché a SIG manca il supporto per la rete MESH, gli ingegneri devono cambiare 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 la specifica della rete Bluetooth è stata resa pubblica 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) aggiornando il firmware. Alcuni produttori di chip possono ora supportare il protocollo Bluetooth Mesh 1.0.

1. BLE MESH Mercato ora

2. Vantaggi del 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 fasce cardio 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.

Grazie all'interoperabilità di Bluetooth Low Energy e telefoni cellulari, Bluetooth Low Energy può essere rapidamente esteso ad altre applicazioni come controllo dell'illuminazione , casa intelligente, ecc. In questi tipi di applicazioni compaiono le carenze della rete stellare. Ad esempio, le soluzioni Bluetooth a basso consumo energetico possono far fronte solo a un numero limitato di connessioni simultanee (di solito 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 essere nel raggio d'azione del controller centrale e devono essere accese 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 nel protocollo sono state migliorate, come ad esempio raggio di trasmissione, rendimento, capacità di carico di dati trasmessi, Posizionamento AoA/AoD , e miglioramenti della convivenza . (alcune di queste nuove funzionalità sono opzionali. Opzionale significa che un chip che non supporta queste nuove funzioni può essere anche 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 prodotto chip della versione precedente (BLE 4.0, BLE 4.1, BLE 4.2, BLE 5.0) può essere aggiornato. Con la premessa di risorse Flash e RAM sufficienti, è sufficiente aggiornare il firmware per eseguire la mesh Bluetooth.

Quando il nodo MESH Bluetooth 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 principali del protocollo condividono alcuni concetti con i livelli del protocollo centrale 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 come reti MESH fin dall'inizio. Le specifiche sottostanti sono basate su 802.15.4, ma non è stata considerata la compatibilità di altri protocolli tradizionali. (Negli ultimi due anni, ZigBee ha considerato l'utilizzo di dotdot al livello più alto 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 Relay Node riceve e ritrasmette messaggi mesh Bluetooth utilizzando il portatore pubblicitario. Lo svantaggio dei nodi relè 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 switch 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), in modo che possano funzionare a lungo attraverso la batteria o la raccolta di energia. Gli LPN funzionano in tandem con il nodo Friend, uno che non è vincolato all'alimentazione (ad esempio 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 Amico per "messaggi in attesa". Quando l'LPN entra in modalità di ricezione (secondo una pianificazione predeterminata), 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 attiva e interroga un nodo amico, Friend trasmetterà questi messaggi al relativo nodo a bassa potenza. I nodi amici occuperanno più memoria rispetto ad altri tipi di nodi perché devono memorizzare messaggi per uno o più nodi a basso consumo. La dimensione della memoria richiesta dipende dalla quantità di dati/comandi che devono essere archiviati nei nodi Friend e inviati ai nodi a basso consumo 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 un portatore (pubblicità o GATT) e ritrasmetterli sull'altro (pubblicità o GATT). Lo scopo fondamentale del Nodo Proxy è eseguire la conversione al portatore. Può convertire dal portatore pubblicitario al portatore GATT e viceversa. Pertanto, un dispositivo che non supporta il portatore di pubblicità 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. L'interazione è realizzata tramite trasmissione dati GATT del nodo e del dispositivo.

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

Inoltre, il nuovo nodo deve essere configurato prima di entrare nella rete mesh in modo da garantire che il nuovo dispositivo sia un dispositivo affidabile e possa accedere a tutti i nodi della rete. Dopo essere entrati, la rete MESH assegna indirizzi, tipi di dispositivo e 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 si diffonde il virus). Ogni pacchetto di dati viene inoltrato ad altri nodi della rete finché il messaggio non raggiunge il nodo di destinazione. La trasmissione dei messaggi può riguardare un singolo nodo, un gruppo di nodi e tutti i nodi. Ad esempio, possiamo definire tutte le luci di una singola stanza come un indirizzo di gruppo. 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 mesh flooding 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 dei dati medi di ricezione 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 il modo semplice di trasmissione. E lo svantaggio è che riduce la larghezza di banda della rete e aumenta il rischio di congestione.

Ci sono due metodi per la rete MESH per gestire la congestione: il primo è il TTL (tempo da vivere) , che definisce quante volte un pacchetto specifico può essere inoltrato (tipicamente tre passaggi). Il secondo è il 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 ei 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 agisce come un'entità virtuale nella mesh con un indirizzo univoco e ogni messaggio in arrivo viene elaborato dal modello nell'elemento.

Diversi modelli interagiscono tra loro attraverso "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 sull'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, Light 1, Light 2 e Light 3 possono essere accesi o spenti utilizzando l'interruttore 1.

L'interruttore 2 pubblica nell'indirizzo del gruppo Dining Room. Solo la luce 3 si è abbonata 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 iscriversi a 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 pubblicano allo stesso indirizzo Garden.

7. Rete di configurazione mesh Bluetooth

La figura seguente è un esempio di un abbonamento di rete a 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 informare che sta cercando una rete a cui unirsi. Il nodo di configurazione autentica il beacon 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 accedere alla rete e prepararsi alla configurazione. La lampadina è poi dotata del tasto APP "domotica". Imposterà lo stato di pubblicazione del "server OnOff" (controlla la lampadina) e infine aggiungerà l'abbonamento al "gruppo luci".

8. Applicazioni Bluetooth MESH

Sulla base delle statistiche preliminari dei prodotti certificati SIG, si rileva che le applicazioni di BLE MESH sono concentrate 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 di mercato di nicchia. MAGLIA ROSSA è senza dubbio il più grande concorrente di ZigBee.