El artículo, como el inicial de la serie MESH , presenta la arquitectura y las funciones del protocolo Bluetooth mesh 1.0 . Como protocolo complementario al protocolo Bluetooth Low Energy, el protocolo Bluetooth Mesh, independiente de Bluetooth 5.0, presenta por primera vez una red de malla estándar abierta para dispositivos Bluetooth Low Energy.

La red MESH es una tecnología inalámbrica de bajo consumo para la automatización de edificios y hogares inteligentesaplicaciones 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 para el hogar inteligente. La situación se prolongó hasta que a mediados de 2017 se hizo pública la especificación de Bluetooth mesh. Ahora, Bluetooth SIG ha resuelto la falta de redes MESH mediante la introducción de la especificación complementaria Bluetooth 5.0: la 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) actualizando el firmware. Algunos fabricantes de chips ahora admiten el protocolo Bluetooth Mesh 1.0.

1. MALLA BLE Mercado ahora

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

2. Ventajas de la MALLA

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 juguetes 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 múltiples dispositivos esclavos para formar una topología de red en estrella.

Debido a la interoperabilidad de Bluetooth low energy y los teléfonos móviles, Bluetooth low energy puede extenderse rápidamente a otras aplicaciones como control de iluminación , hogar inteligente, etc. En este tipo de aplicaciones aparecen las carencias de la red en estrella. Por ejemplo, las soluciones de Bluetooth de bajo consumo solo pueden hacer frente a un número limitado de conexiones simultáneas (normalmente ocho). Y los dispositivos de iluminación con más de 8 bombillas no pueden controlarse con un solo comando, lo que provocará retrasos en el control. Las bombillas que se encuentran lejos de la casa grande pueden no estar dentro del alcance del controlador central, y es necesario cambiarlas mediante nodos con funciones de enrutamiento.

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 el rango de transmisión, el rendimiento, la capacidad de transmisión de datos de transmisión, el posicionamiento AoA/AoD y las mejoras de coexistencia . (Algunas de estas nuevas funciones son opcionales. Opcional significa que un chip que no admita 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 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.

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 pasa el mensaje a la capa de transporte inferior o lo descarta.

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 Bluetooth de baja energía, 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 usar 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/ )

Hay cuatro tipos de nodos de red:

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

Los nodos de bajo consumo utilizan las funciones estándar de ahorro de energía de Bluetooth Low Energy (es decir, mantener el estado de suspensión durante mucho tiempo), por lo que pueden funcionar durante mucho tiempo a través de la batería o la recolección de energía. Los LPN funcionan en conjunto con el nodo Friend, uno que no tiene restricciones de energía (egit tiene una fuente de alimentación de CA permanente). El Amigo almacena 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 (según un programa predeterminado), recibe el mensaje almacenado y sigue las instrucciones, luego regresa al modo 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 bajo consumo se despierta y sondea un nodo amigo, este transmitirá estos mensajes al nodo de bajo consumo 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 amigos y enviarse a los nodos de bajo consumo durante las operaciones de sondeo.

Nodos proxy
El Proxy Node es la clave para permitir que los dispositivos Bluetooth Low Energy que no sean de 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 usar para interactuar con una red de malla. Un Nodo Proxy puede recibir mensajes por un portador (publicidad o GATT) y retransmitirlos por el otro (publicidad o GATT). El propósito fundamental del Proxy Node es realizar la conversión de portador. Puede convertirse del soporte publicitario al soporte GATT y viceversa. Por lo tanto, un dispositivo que no sea compatible con el soporte publicitario puede 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 quiere usar un teléfono inteligente tradicional para controlar una red de iluminación inteligente.

La figura proporciona un ejemplo de una red de malla Bluetooth simple. En este ejemplo, la mayoría de los nodos, como las bombillas, están alimentados por la red eléctrica y pueden escanear continuamente los canales publicitarios en busca de mensajes entrantes. Algunos de estos nodos también pueden admitir las funciones de retransmisión, 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 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 soportar hasta 32.000 nodos.

5. Arquitectura de malla Bluetooth

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 transmisión de mensajes puede ser para un solo nodo, un grupo de nodos y todos los nodos. Por ejemplo, podemos definir todas las luces de una sola habitación como una dirección de grupo. La especificación de malla 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 de hogar inteligente. Por ejemplo, si el dispositivo Gateway en la red MESH recibe el comando "ON", que puede transmitirse 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 de inmediato.

En comparación con la red en estrella, el tiempo de espera mínimo de la recepción de datos promedio 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 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.

Existen 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 (generalmente tres pasos). El segundo es el caché de red . El dispositivo solo transmitirá 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 usar rutas de entrega grupales 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 pobre.

6. Modelo MALLA BLE

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.

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" está publicando en la dirección de grupo Cocina. Los nodos Light 1, Light 2 y Light 3 se suscriben a la dirección de la cocina y, por lo tanto, reciben y procesan los mensajes publicados en esta dirección. En otras palabras, la Luz 1, la Luz 2 y la Luz 3 se pueden encender o apagar usando el Interruptor 1.

Switch 2 publica en la dirección del grupo Dining Room. Solo la luz 3 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.

Del mismo modo, 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 equipos de registro de red de configuración Bluetooth MESH. Al principio, la bombilla envía una señal a la red MESH para informar que está buscando una red para 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. A continuación, la bombilla se proporciona con la tecla APP "domótica". Establecerá el estado de publicación del "servidor OnOff" (bombilla de control) y finalmente agregará la suscripción al "grupo de luces".

8. Aplicaciones de malla Bluetooth

Según 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 aplicación de nicho de mercado. BLE MESH es sin duda el mayor competidor de ZigBee .