MALLA BLE Sep 15, 2021

El artículo, como inicial en el Serie MESH , presenta la arquitectura y las funciones del Malla de Bluetooth 1.0 protocolo. Como protocolo complementario al protocolo Bluetooth Low Energy, el protocolo Bluetooth Mesh, independiente de Bluetooth 5.0, introduce un estándar abierto red de malla a dispositivos Bluetooth Low Energy por primera vez.


La red MESH es una inalámbrico de baja potencia tecnología para casa inteligente y automatización de edificios aplicaciones. Al principio, debido a que SIG carece de soporte para la red MESH, los ingenieros tienen que cambiar Bluetooth Low Energy a otras tecnologías (como ZigBee y Thread) para el desarrollo de aplicaciones de hogares inteligentes. La situación duró hasta que se hizo pública la especificación de la malla Bluetooth a mediados de 2017. Ahora, Bluetooth SIG ha resuelto la falta de redes MESH al introducir la especificación complementaria de Bluetooth 5.0: red de malla Bluetooth 1.0. La especificación no necesita otros soportes de hardware y puede ejecutarse en chips Bluetooth Low Energy existentes (BLE4.0, BLE4.1, BLE4.2 y BLE5.0) al actualizar el firmware. Algunos fabricantes de chips pueden admitir ahora el protocolo Bluetooth Mesh 1.0.


1. BLE MESH Market Now


Hasta el momento, 73 empresas en el mundo han certificado BLE MESH en el SIG, y el número de productos certificados llega a 461. Estos datos incluyen el número total de certificaciones de los productos terminales y el chip. La siguiente tabla enumera las empresas certificadas y el número de certificaciones de sus productos, de los cuales hay muchos productos terminales certificados por gigantes chinos de Internet.

2. Ventajas de la MESH


Bluetooth Low Energy se diseñó originalmente para complementar el alto consumo de energía del Bluetooth "clásico" al extender la tecnología inalámbrica a los dispositivos que funcionan con baterías. Por ejemplo, los cinturones de frecuencia cardíaca y las aplicaciones de juguete controladas de forma inalámbrica se comunican con un dispositivo maestro (como un teléfono móvil) a través de la tecnología Bluetooth Low Energy. Incluso un dispositivo maestro controla varios dispositivos esclavos para formar una topología de red en estrella.


Debido a la interoperabilidad de Bluetooth de baja energía y teléfonos móviles, Bluetooth de baja energía se puede extender rápidamente a otras aplicaciones como control de iluminación , hogar inteligente, etc. En este tipo de aplicaciones, aparecen las deficiencias de la red estrella. Por ejemplo, las soluciones Bluetooth de baja energía solo pueden hacer frente a un número limitado de conexiones simultáneas (normalmente ocho). Y los dispositivos de iluminación con más de 8 bombillas no se pueden controlar con un solo comando, lo que provocará retrasos en el control. Es posible que las bombillas que se encuentran lejos de la casa grande no estén dentro del alcance del controlador central y que sea necesario cambiarlo por nodos con funciones de enrutamiento.


En una red de malla, en lugar de comunicarse con cada dispositivo periférico a través de la puerta de enlace, reenvía a través de un canal de dos vías que conecta múltiples nodos , retransmitiendo mensajes desde un nodo de la red a cualquier otro nodo. Por lo tanto, la red en malla muestra sus ventajas porque permite controlar múltiples dispositivos conectados al mismo tiempo y supera las limitaciones de alcance.
3. Protocolo básico de BLE MESH

Desde el lanzamiento de Bluetooth Low Energy, ha lanzado las versiones 4.1, 4.2, 5.0, 5.1 y 5.2. Se han mejorado muchas funciones en el protocolo, como rango de transmisión, rendimiento, capacidad de carga de datos de transmisión, Posicionamiento AoA / AoD , y mejoras de convivencia . (Algunas de estas nuevas funciones son opcionales. Opcional significa que un chip que no admite estas nuevas funciones también puede ser un chip BLE 5.0).


Bluetooth Mesh 1.0 no es una simple actualización de BLE 5, sino un conjunto de protocolos independientes del protocolo Bluetooth. Y cualquier producto de chip de la versión anterior (BLE 4.0, BLE 4.1, BLE 4.2, BLE 5.0) se puede actualizar. Bajo la premisa de suficientes recursos Flash y RAM, solo necesita actualizar el firmware para ejecutar la malla Bluetooth.


La característica de la compatibilidad del protocolo central BLE MESH con el protocolo Bluetooth es que la red Bluetooth MESH no es una parte indispensable de la pila de protocolos BLE, sino una nueva entidad separada compuesta por siete capas. Algunos de estos nodos pueden interactuar con el protocolo Bluetooth.



Cuando el nodo Bluetooth MESH recibe un mensaje, transfiere los datos obtenidos de la capa de baja energía de Bluetooth a la capa portadora, luego los datos se transfieren a la capa de red a través de la capa portadora. La capa de red utiliza varias comprobaciones para decidir si pasar el mensaje a la capa de transporte inferior o descartarlo.


La especificación Bluetooth MESH define un nuevo protocolo central. Algunas de las capas del protocolo central comparten algunos conceptos con las capas del protocolo central de baja energía de Bluetooth, pero los dos protocolos no son completamente compatibles entre sí. Esto es diferente de tecnologías como ZigBee y Thread. ZigBee y Thread se han diseñado como redes MESH desde el principio. Las especificaciones subyacentes se basan en 802.15.4, pero no se ha considerado la compatibilidad de otros protocolos principales. (En los últimos dos años, ZigBee ha considerado el uso de dotdot en el nivel superior para ser compatible con otros protocolos de red y lograr la interconexión. Para obtener más detalles, consulte https://zigbeealliance.org/solution/dotdot/)


4. Nodos de malla Bluetooth

Hay cuatro tipos de nodos de red:


Nodos de retransmisión

Un nodo de retransmisión recibe y retransmite mensajes de malla de Bluetooth utilizando el portador de publicidad. La desventaja de los nodos de retransmisión es que siempre deben mantener el estado de alerta, lo que aumentará considerablemente el consumo de energía. Tiene poco efecto en las aplicaciones que funcionan con energía principal, como la iluminación inteligente, pero es un gran problema para los nodos que funcionan con baterías, como los interruptores incorporados a la red.


Nodos de baja potencia (LPN)

Los nodos de bajo consumo utilizan las funciones estándar de ahorro de energía de Bluetooth Low Energy (que mantiene el estado de suspensión durante mucho tiempo), por lo que pueden funcionar durante mucho tiempo mediante la recolección de energía o la batería. Los LPN funcionan en conjunto con el nodo Friend, uno que no tiene restricciones de energía (por ejemplo, tiene una fuente de alimentación de CA permanente). El amigo almacena los mensajes dirigidos a la LPN y los entrega a la LPN cada vez que la LPN sondea el nodo amigo en busca de "mensajes en espera". Cuando el LPN ingresa al modo de recepción (de acuerdo con un programa predeterminado), recibe el mensaje almacenado y sigue las instrucciones, luego regresa al modo de suspensión de ahorro de energía.

Nodos amigos
Un nodo amigo puede almacenar y luego reenviar mensajes dirigidos a un nodo de bajo consumo asociado. Cuando un nodo de baja potencia se despierta y sondea un nodo Friend, Friend transmitirá estos mensajes al nodo de baja potencia correspondiente. Los nodos amigos ocuparán más memoria que otros tipos de nodos porque necesitan almacenar mensajes para uno o más nodos de bajo consumo. El tamaño de memoria requerido depende de la cantidad de datos / comandos que deben almacenarse en los nodos Friend y enviarse a los nodos de bajo consumo durante las operaciones de sondeo.


Nodos proxy
El nodo Proxy es la clave para permitir que los dispositivos Bluetooth de baja energía sin malla (como un teléfono móvil) formen parte de una red de malla Bluetooth. Los nodos proxy exponen una interfaz GATT que los dispositivos Bluetooth LE pueden utilizar para interactuar con una red de malla. Un nodo proxy puede recibir mensajes a través de un portador (publicidad o GATT) y retransmitirlos a través del otro (publicidad o GATT). El propósito fundamental del nodo proxy es realizar la conversión de portador. Puede convertir de portador de publicidad a portador del GATT y viceversa. Por lo tanto, un dispositivo que no es compatible con el portador de publicidad puede, en cambio, enviar y recibir varios tipos de mensajes de malla Bluetooth a través de una conexión GATT. Por ejemplo, la función es útil cuando el usuario desea utilizar un teléfono inteligente tradicional para controlar una red de iluminación inteligente. La interacción se realiza a través de la transmisión de datos GATT del nodo y el dispositivo.

La figura proporciona un ejemplo de una red de malla Bluetooth simple. En este ejemplo, la mayoría de los nodos, como las bombillas, se alimentan de la red y pueden escanear continuamente los canales publicitarios en busca de mensajes entrantes. Algunos de estos nodos también pueden admitir las funciones de relevo, proxy y amigo. Además, en la topología de este ejemplo, el sensor de temperatura de baja potencia utiliza la función de baja potencia y es asistido por uno de los nodos alimentados por la red que tiene implementada la función de amigo. De manera similar, un teléfono inteligente que no tiene soporte para el portador de publicidad se comunica con la red de malla a través de un nodo que admite la función de proxy.

Además, el nuevo nodo debe configurarse antes de unirse a la red de malla para garantizar que el nuevo dispositivo sea un dispositivo confiable y pueda acceder a todos los nodos de la red. Después de ingresar, la red MESH asigna direcciones, tipos de dispositivos y claves de dispositivos para el nuevo nodo. Luego, la clave del dispositivo se usa para establecer un canal seguro para configurar nuevos nodos. En teoría, la red Bluetooth MESH puede admitir hasta 32.000 nodos.



5. Arquitectura Bluetooth MESH


La red de malla Bluetooth utiliza tecnología de "inundación" para enviar mensajes en la red (es similar a la forma en que se propaga el virus). Cada paquete de datos se reenvía a otros nodos de la red hasta que el mensaje llega al nodo de destino. La difusión de mensajes puede ser para un solo nodo, un grupo de nodos y todos los nodos. Por ejemplo, podemos definir todas las luces en una sola habitación como una dirección de grupo. La especificación de la malla de Bluetooth define cuatro direcciones de grupo fijas: "Todos los proxies", "Todos los amigos", "Todos los relés" y "Todos los nodos". (LPN no tiene la función de reenviar mensajes, porque tiene que mantener un bajo consumo de energía).


La arquitectura de malla de inundación y la elección de la dirección de grupo mejoran el soporte de la red de malla Bluetooth para aplicaciones domésticas inteligentes. Por ejemplo, si el dispositivo Gateway en la red MESH recibe el comando "ON", que se puede transmitir rápidamente a toda la red a través de la red MESH. Cada dispositivo de nodo en la red recibe el comando y actúa en consecuencia, las luces en el grupo objetivo se pueden encender inmediatamente.


En comparación con la red en estrella, el tiempo mínimo de espera del promedio de recepción de datos para los nodos de la red MESH es mucho menor que el de la red en estrella. Porque se requiere que el dispositivo central envíe un comando separado a cada bombilla conectada en la red en estrella. Y la CPU necesita enviar comandos a todos los subdispositivos en intervalos de tiempo.


Existen algunas diferencias entre Bluetooth MESH y Bluetooth tradicional. Todos los datos de la malla solo se transmitirán en tres canales publicitarios 37, 38 y 39. Tiene sus ventajas y desventajas. La ventaja es la alta eficiencia y la forma de transmisión simple. Y la desventaja es que reduce el ancho de banda de la red y aumenta el riesgo de congestión.


Hay dos métodos para que la red MESH maneje la congestión: el primero es el TTL (tiempo de vida) , que define cuántas veces se puede reenviar un paquete específico (normalmente tres pasos). El segundo es el caché de red . El dispositivo solo emitirá una vez después de capturar un paquete de datos reenviado. El dispositivo no lo reenviará más cuando reciba el mismo paquete de información transmitido por otros dispositivos la próxima vez.


Los desarrolladores también pueden utilizar rutas de entrega en grupo opcionales y conservar la función de retransmisión. Después de la configuración, el nodo puede recibir paquetes de datos, pero no puede transmitirlos. Por lo tanto, la flexibilidad del nodo será deficiente.


6. Modelo BLE MESH


El concepto de modelo MESH es similar al concepto de perfil Bluetooth. El modelo especifica una estructura de información pública, que puede contener uno o más servicios (el concepto de modelo se utiliza para definir dispositivos terminales).


El modelo contiene los comportamientos y servicios específicos de los nodos y define un conjunto de estados y mensajes que actúan sobre el estado. El modelo estándar puede funcionar en las aplicaciones típicas, como configuración de dispositivos, lecturas de sensores y control de iluminación. Y los desarrolladores también pueden crear modelos personalizados.


Los modelos en los nodos están ordenados por elementos. Cada elemento actúa como una entidad virtual en la malla con una dirección única, y cada mensaje entrante es procesado por el modelo en el elemento.


Los diferentes modelos interactúan entre sí a través de "publicar y suscribirse". El nodo de publicación envía un mensaje y el nodo configurado para suscribirse lo procesará después de recibir el mensaje.


En la siguiente figura, podemos ver que el nodo "Switch 1" se está publicando en la dirección del grupo Cocina. Los nodos Light 1, Light 2 y Light 3 se suscriben cada uno a la dirección de la cocina y, por lo tanto, reciben y procesan los mensajes publicados en esta dirección. En otras palabras, Light 1, Light 2 y Light 3 se pueden encender o apagar usando el Interruptor 1.


El conmutador 2 se publica en la dirección del grupo Comedor. La luz 3 sola se suscribió a esta dirección y, por lo tanto, es la única luz controlada por el conmutador 2. Tenga en cuenta que este ejemplo también ilustra el hecho de que los nodos pueden suscribirse a mensajes dirigidos a más de una dirección distinta. Esto es poderoso y flexible.


De manera similar, observe cómo ambos nodos Switch 5 y Switch 6 publican en la misma dirección de Garden.

7. Red de configuración de malla Bluetooth


La siguiente figura es un ejemplo de una suscripción de red de configuración completa. El proceso es el proceso estándar para el equipo de registro de red de configuración de Bluetooth MESH. Al principio, la bombilla envía una señal a la red MESH para informar que está buscando una red a la que unirse. El nodo de configuración autentica la baliza de la bombilla y la invita a unirse a la red. Si la autenticación es exitosa, el dispositivo recibirá las claves y direcciones necesarias para unirse a la red y prepararse para la configuración. Luego, la bombilla se proporciona con la tecla de aplicación "domótica". Establecerá el estado de publicación del "servidor OnOff" (bombilla de luz de control) y, finalmente, agregará la suscripción al "grupo de luz".




8. Aplicaciones Bluetooth MESH


Con base en las estadísticas preliminares de los productos certificados por SIG, se encuentra que las aplicaciones de BLE MESH se concentran principalmente en hogares inteligentes y aplicaciones de control de iluminación, con el control de iluminación representando el 60%, los hogares inteligentes representando el 30% y el último 10%. perteneciente a la certificación de chip del fabricante original y la aplicación de nicho de mercado. MALLA BLE es sin duda el mayor competidor de ZigBee.

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