Entwerfen mit Bluetooth Mesh:Knotenkommunikation

Der erste Teil dieser Artikelserie gab einen Überblick über Bluetooth Mesh und die von ihm unterstützten grundlegenden Knoten- und Funktionstypen. Diese Folge behandelt, wie die Kommunikation innerhalb des Bluetooth Mesh-Netzwerks abläuft und verschiedene Konzepte, die beim Entwerfen einer Anwendung mit Bluetooth Mesh wichtig zu verstehen sind.

Kommunikation von einem Knoten zum anderen

Bluetooth Mesh verwendet eine verwaltete Flut Operation zum Übertragen von Nachrichten von einem Knoten zu einem anderen. Managed Flood ist eine Multi-Path-Implementierung, die gerade genug Redundanz enthält, um sicherzustellen, dass eine Nachricht ihr Ziel erreicht.

Bei einer einfachen Flood-Implementierung leitet jeder Knoten blind jede Nachricht weiter, die er empfängt. Der von Bluetooth Mesh verwaltete Flood-Vorgang verhindert, dass Mesh-Geräte zuvor empfangene Nachrichten weiterleiten, indem alle Nachrichten zu einer zwischengespeicherten Liste hinzugefügt werden. Wenn eine Nachricht empfangen wird, wird sie mit der Liste verglichen und ignoriert, wenn sie bereits vorhanden ist. Darüber hinaus enthält jede Nachricht einen Time-to-Live-Wert (TTL), der die Anzahl der Weiterleitungsvorgänge einer Nachricht im Netzwerk begrenzt. Jedes Mal, wenn eine Nachricht von einem beliebigen Gerät empfangen und dann weitergeleitet wird (bis zu maximal 126 Mal), wird der TTL-Wert um 1 verringert.

Bluetooth Mesh implementiert eine Veröffentlichungs- und Abonnement-basierte Kommunikation Ansatz, um sicherzustellen, dass verschiedene Arten von Produkten in einem Netzwerk nebeneinander existieren können, ohne durch Nachrichten von Geräten gestört zu werden, die sie nicht abhören müssen. Ein Herausgeberknoten sendet Nachrichten nur an Knoten, die den Herausgeber abonniert haben und auf diese Nachrichten reagieren. Ein Beispiel für diesen Vorgang ist die Verwendung in verschiedenen Räumen Ihres Hauses. Jeder Raum konnte die Nachrichten der spezifischen Lichtschalter für diesen Raum abonnieren. Darüber hinaus können Nachrichten entweder Unicast, Multicast und/oder Broadcast sein, was bedeutet, dass eine Nachricht einen, einige oder alle Knoten im Netzwerk erreichen kann.

Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für eine Kommunikationsimplementierung auf Basis von Bluetooth Mesh Publish und Abonnement unter Verwendung der CYBT-213043-MESH-Evaluierungskits. Das CYBT-213043-MESH-Kit verwendet das CYBT-213043-02-Modul, um die Bluetooth-Mesh-Kommunikation zu implementieren. In Kombination mit der integrierten Benutzertaste und der RGB-LED ahmen Evaluierungsplatinen Bluetooth Mesh Switch bzw. Bluetooth Mesh Bulb nach.

Abbildung 1. Beispiel für Bluetooth Mesh Publish and Subscribe für verbundene Beleuchtung. (Quelle:Cypress)

Wie in der Abbildung gezeigt, veröffentlicht der erste Schalter von links die Nachrichten an die Gruppe Esszimmer. Die erste und zweite Glühbirne von rechts haben nur die Esszimmergruppe abonniert. Die dritte Glühbirne hat jedoch die Nachrichten der Gruppen Esszimmer und Küche abonniert. Wenn also Switch 1 die Nachrichten veröffentlicht, können die ersten drei Glühbirnen (Esszimmer und Küche) gesteuert werden. Wenn Switch 2 die Nachrichten veröffentlicht, kann jedoch nur die dritte Glühbirne (Küche) gesteuert werden.

Netzknotenarchitektur

Da wir bereits besprochen haben, wie Nachrichten zwischen Knoten kommuniziert werden, schauen wir uns nun die Bluetooth-Mesh-Knotenarchitektur auf funktionaler Ebene an und sehen, was Bluetooth-Mesh-Geräte interoperabel macht.

Elemente die Funktionalität eines Knotens definieren. Jeder Knoten hat mindestens ein Element, das als „Primary Element“ bezeichnet wird. Zum Beispiel hat eine Glühbirne im Allgemeinen ein Element. Dieses Element stellt die Ein/Aus- und Helligkeitssteuerungsfunktionen des Knotens bereit. Ein weiteres Beispiel ist eine dimmbare Glühbirne mit integriertem Präsenzmelder. Dieser Knoten hat zwei Elemente. Das erste Element wird für die Lichtfunktion und das zweite für die Sensorfunktion verwendet. Das primäre Element wäre in diesem Fall die Beleuchtungsfunktion.

Jedes Element innerhalb eines Knotens hat eine eindeutige Adresse, die als Unicast-Adresse bekannt ist. Dadurch kann jedes Element unabhängig von anderen Elementen innerhalb desselben Knotens adressiert werden. Abbildung 2 zeigt Beispiele für beide Knotentypen – den ersten mit nur einem Element und den anderen mit zwei Elementen. Abbildung 2 zeigt auch zusätzliche Konzepte, die in den folgenden Abschnitten diskutiert werden und wie sie in der Bluetooth Mesh-Implementierung miteinander zusammenhängen.

Abbildung 2. Knoten mit einem und zwei Elementen. (Quelle:Cypress)

Jeder Bluetooth Mesh-Knoten verwendet ein oder mehrere Mesh-Modelle die die Funktionalität eines bestimmten Knotens definieren. Die Modelle entsprechen den Diensten in normalen Bluetooth-Geräten. Es gibt drei Arten von Mesh-Modellen – Client-Modelle, Server-Modelle und Steuerungsmodelle (die sowohl einen Client als auch einen Server in einem einzigen Modell implementieren).

Ein Servermodell kann einen oder mehrere Zustände haben, die sich über ein oder mehrere Elemente erstrecken. Das Servermodell legt den Zustand der Elemente des Geräts offen, die von einem Clientknoten gelesen oder gesteuert werden können. Beispielsweise verwendet eine Bluetooth-Mesh-Glühbirne ein Servermodell. In dieser Anwendung kann entweder ein On/Off Server oder Light Lightness Server verwendet werden. Ein Ein/Aus-Servermodell zeigt den aktuellen Zustand der Glühbirne an und ändert den Zustand basierend auf der Eingabe des Clients, um den Zustand der Glühbirne zwischen Ein und Aus umzuschalten. Wenn ein Light Lightness Server verwendet wird, ermöglicht es einem Client, den aktuellen Zustand der Glühbirne zu lesen, ihre Helligkeit zu steuern und sie ein- oder auszuschalten. Eine andere Anwendung des Servermodells wäre ein Sensorknoten, der dem Client nur erlaubt, den Sensorstatus zu lesen, aber nicht zulässt, dass sein Status geändert wird.

Ein Kundenmodell ermöglicht anderen Knoten, Nachrichten zu senden, um den Zustand eines Serverknotens anzufordern und/oder zu ändern. Das häufigste Beispiel für eine Anwendung mit einem Client-Modell ist ein Bluetooth-Mesh-Switch. Ein Bluetooth Mesh Switch kann das On/Off Client-Modell verwenden. Es kann entweder den aktuellen Status eines Servergeräts anfordern oder eine Nachricht senden, um den Status auf Ein oder Aus zu ändern. Ein weiteres Beispiel wäre ein Bluetooth Mesh Dimmer, der den Level Client verwendet. Über die Fähigkeiten eines Schalters hinaus ermöglicht dieses Modell die Steuerung des Ausgangspegels des Servers, beispielsweise die Steuerung der Helligkeit der Glühbirne.

In den meisten Anwendungen müssen Server- und Client-Modelle zusammen mit einem Steuercode verwendet werden, der basierend auf den empfangenen Nachrichten oder Benutzereingaben agiert. Eine Kombination aus Server- und/oder Client-Modell und einer Kontrolllogik führt zu einem Kontrollmodell .

Bluetooth-Mesh-Modelle können die Funktionalität anderer Modelle erweitern. Mit dieser Funktion können Mesh-Knoten mit unterschiedlichen Fähigkeiten durch dieselbe Nachricht gesteuert werden.

Nehmen wir das Beispiel Beleuchtungsanwendungen. Eine Glühbirne, mit der die Helligkeit gesteuert werden kann, verwendet im Allgemeinen das Light Lightness Server-Modell. Einige Lampen verwenden möglicherweise das Generic Level Server Model, um die Ausgangsleistung und damit die Helligkeit zu steuern. Eine einfache Bluetooth-Mesh-Birne mit nur Ein/Aus-Funktionen würde wahrscheinlich das Ein/Aus-Servermodell verwenden. Das Light Lightness Server-Modell erweitert jedoch die Funktionalität des On/Off-Server-Modells und des Level-Server-Modells. Das bedeutet, dass eine Ein/Aus-Nachricht, die von einem Ein/Aus-Client gesendet wird, den Zustand aller drei Lampentypen unabhängig vom verwendeten Modell steuert.

Die Bedingungen eines Elements werden in den States stored gespeichert . Jeder Zustand ist ein Wert eines bestimmten Typs. Zusätzlich zu den Werten weisen Zustände Verhaltensweisen auf, die mit diesem Zustand verbunden sind. Diese Zustände werden von der Bluetooth SIG definiert. Ein Ein/Aus-Server in einer Ein/Aus-Glühbirne oder eine Sprinklersteuerung hat beispielsweise einen Zustand namens Generic OnOff, der einen von zwei Werten annehmen kann – ON und OFF. Dies ist nützlich für Geräte wie Glühbirnen oder Sprinklersteuerungen. Der Begriff „Generisch“ wird verwendet, um darauf hinzuweisen, dass dieser Zustand und sein Verhalten bei verschiedenen Arten von Mesh-Geräten nützlich sein können.

Sie können sich auch das Video Learning More about Bluetooth Mesh ansehen, um weitere Informationen zur Bluetooth-Mesh-Kommunikation und zu den ersten Schritten mit einem Bluetooth-Mesh-Design zu erhalten.

In der nächsten Folge dieser Artikelserie werden wir die Datenschutz- und Sicherheitsfunktionen von Bluetooth Mesh untersuchen.