Entwerfen mit Bluetooth Mesh:Knoten und Funktionstypen

Unbestritten hat Bluetooth Low Energy (BLE) den IoT-Bereich dominiert. Anwendungen wie Smart Home, Home-Healthcare und Asset-Tracking profitieren stark von den stromsparenden Funktionen von BLE. Die BLE-Kommunikation zwischen Geräten war jedoch entweder auf eine Eins-zu-Eins- oder eine Eins-zu-Viele-Kommunikation beschränkt. Darüber hinaus ist die Bereitstellung von BLE aufgrund der begrenzten Reichweite eine Herausforderung, insbesondere in Umgebungen wie Häusern, in denen einige Geräte im Vergleich zu anderen Geräten hinter mehreren Wänden versteckt sein können. Diese Faktoren haben es schwierig gemacht, das gesamte Haus von einem einzigen Ort aus zu steuern.

Eine Viele-zu-Viele-Kommunikation ist erforderlich, damit jeder Knoten Nachrichten von mehreren Geräten empfangen und Nachrichten an mehrere Geräte senden kann. Betrachten Sie beispielsweise eine Gruppe von vier Glühbirnen, die mit mehreren Mobiltelefonen gesteuert werden müssen. Außerdem müssen sie Set-Meldungen von einem Dimmer und/oder einem Präsenzmelder empfangen können. Dies erfordert viele-zu-viele-Kommunikation.

Damit BLE in Anwendungen wie Smart Home, Smart Buildings und Smart Cities am nützlichsten ist, benötigen Entwickler eine Many-to-Many-Kommunikation und einen Mechanismus zur Erweiterung der Reichweite, während einige Geräte mit einer kleinen Batterie betrieben werden können. Bluetooth Mesh geht diese Bedenken an.

Bluetooth Mesh entwickelt sich als bevorzugte Heimautomatisierungstechnologie, da auf Knoten in einem Bluetooth Mesh-Netzwerk direkt von einem Mobiltelefon oder Tablet aus zugegriffen werden kann, ohne dass ein Gateway erforderlich ist. Interoperabilität ist der Schlüssel zum Erfolg für jede Smart Home-Bereitstellung, da jedes Smart Home Produkte verschiedener Anbieter verwenden kann. Standardnachrichtenformate für definierte Anwendungsfälle (Modelle) ermöglichen eine schnelle Bereitstellung und Sicherstellung der Interoperabilität mit anderen BLE Mesh-Produkten.

In dieser Serie von fünf Artikeln werden Schlüsselkonzepte erörtert, die zum Verständnis von Bluetooth Mesh erforderlich sind. Es konzentriert sich auf die Energiesparfunktion von Bluetooth Mesh, die Datenschutz- und Sicherheitsfunktionen und die Auswahl eines Geräts für Ihre Smart-Home-Anwendung. Dieser erste Artikel der Serie behandelt die Schlüsselelemente eines Bluetooth-Mesh-Netzwerks.

Bluetooth-Mesh-Netzwerk

Ein Bluetooth-Mesh-Netzwerk besteht aus Knoten mit mehreren Funktionstypen. Abbildung 1 bietet eine allgemeine Darstellung eines Bluetooth-Mesh-Netzwerks. Wie in der Abbildung zu sehen ist, hat es Knoten mit den folgenden Merkmalstypen:

• Relaisknoten/Funktion
• Low Power Node (LPN)/Funktion
• Freundesknoten/Funktion
• Proxy-Knoten/-Funktion
• Anbieter

Klicken für größeres Bild

Abbildung 1:Bluetooth-Mesh-Netzwerk (Quelle:Cypress)

Jeder Knoten kann einen oder mehrere Feature-Typen unterstützen. Zum Beispiel unterstützt der R+F-Knoten in diesem Netzwerk die Relay- und die Friend-Funktion. Ebenso unterstützt der R+P-Knoten Relay- und Proxy-Funktionen.

Die Relais-Funktion ermöglicht einem Knoten, Nachrichten über den Werbeträger weiterzuleiten. Normalerweise enthält jeder wandbetriebene Knoten wahrscheinlich die Relay-Funktion, da er über die erforderliche Leistung verfügt, um kontinuierlich nach Werbepaketen zu lauschen und diese an andere Knoten weiterzuleiten. Ein Beispiel für die verwendete Relaisfunktion ist eine intelligente Glühbirne oder ein wandbetriebener Lichtschalter in der Hausautomationsanwendung. Andererseits ist es unwahrscheinlich, dass Knoten, die mit kleinen Batterien betrieben werden, über die Relay-Funktion verfügen, da Rx kontinuierlich eingeschaltet sein muss und das Gerät die angekündigten Pakete abhört. Andernfalls würde der Akku schnell entladen.

Die Low-Power-Node-Funktion ist eine der wichtigsten Funktionen von Bluetooth Mesh. Im Gegensatz zu einem Knoten mit der Relay-Funktion muss ein Knoten mit der Low-Power-Knoten-Funktion nicht ständig auf angekündigte Pakete hören. Ein Knoten mit Low-Power-Node-Funktion verbringt die meiste Zeit im Energiesparmodus des Geräts, während sein Friend-Knoten Nachrichten in seinem Namen sammelt. Der Low-Power-Knoten wacht in definierten Intervallen auf und pingt seinen Friend-Knoten, um nach ausstehenden Nachrichten zu suchen. Nach der Kommunikation mit dem Friend Node geht der Low-Power-Node zurück in einen Low-Power-Schlafzustand. Dies ist eine nützliche Funktion für Anwendungen, die mit einer Batterie betrieben werden. Anwendungen wie Sensorknoten in der Hausautomation, Preisschilder im Einzelhandel usw. können von der Low-Power-Node-Funktion profitieren.

Ein Knoten mit der Freundschaftsfunktion lauscht auf alle Nachrichten, die im Netzwerk weitergeleitet werden und für einen zugeordneten Low-Power-Knoten bestimmt sind. Der Friend-Knoten speichert diese Nachrichten und liefert sie an den zugehörigen Low-Power-Knoten, wenn der Low-Power-Knoten aufwacht und den Friend-Knoten abfragt. Da der Friend-Knoten Nachrichten für einen oder mehrere Low-Power-Knoten speichern muss, benötigt der Friend-Knoten möglicherweise mehr Speicher als andere Knotentypen. Die erforderliche Speichermenge hängt von der Menge an Daten/Befehlen ab, die auf dem Friend-Knoten gespeichert werden müssen und die während eines Abfragevorgangs an den Low-Power-Knoten übermittelt werden.

Die Proxy-Funktion ermöglicht Geräten wie einem Smartphone oder einem Wi-Fi-Bluetooth-Mesh-Gateway, mit dem Mesh-Netzwerk zu kommunizieren. Ein Knoten mit der Proxy-Funktion ist der Einstiegspunkt in das Mesh-Netzwerk für diejenigen Geräte, die Bluetooth Mesh nicht direkt unterstützen. Im Bluetooth-Mesh-Netzwerk werden Nachrichten über den Werbeträger weitergeleitet. Das Proxy-Merkmal ermöglicht es einem Knoten, Nachrichten zwischen dem GATT (General ATtribute) und Werbeträgern weiterzuleiten. In einem Bluetooth Mesh-Netzwerk können mehrere Knoten die Proxy-Funktion unterstützen. Jeder Knoten, der die Proxy-Funktion unterstützt, kann über eine GATT-Verbindung als Schnittstelle für ein Smartphone/PC fungieren. Es ist eine gute Idee, mehrere Proxy-Knoten zu haben, damit beim Ausfall eines Proxy-Knotens nicht das gesamte Netzwerk von Proxy-Geräten isoliert wird. Diese Funktion macht Bluetooth Mesh im Vergleich zu anderen Mesh-Technologien wie ZigBee robuster.

In einem Bluetooth-Mesh-Netzwerk Bereitstellung ist der Prozess des Hinzufügens eines neuen Knotens zu einem Netzwerk. Die Bereitstellung erfordert mehrere Schritte, um sicherzustellen, dass keine unbeabsichtigten Geräte für das Netzwerk bereitgestellt werden. Ein nicht bereitgestelltes Gerät sendet Beacons in einem vorgegebenen Intervall. Ein Bereitstellungsgerät leitet den Bereitstellungsprozess ein, sobald das nicht bereitgestellte Gerät gefunden und ausgewählt wurde. In dem in Abbildung 1 gezeigten Beispiel fungieren das Smartphone und das Tablet als Bereitstellungsgeräte im Netzwerk.

Gemäß der Bluetooth-Spezifikation sind nicht alle Knoten obligatorisch. Mit anderen Worten, ein Gerät kann für Bluetooth Mesh qualifiziert werden, ohne alle Knoten-/Funktionstypen zu unterstützen. In den meisten Fällen unterstützen Siliziumanbieter keine Bluetooth SIG-qualifizierten Friend- und Low Power Node-Funktionen. Das macht es schwierig, batteriebetriebene Bluetooth Mesh-Anwendungen zu unterstützen.

Um herauszufinden, welche Bluetooth-Mesh-Knoten-/Funktionstypen von einem Bluetooth-Mesh-Gerät unterstützt werden, gehen Sie zur Bluetooth SIG-Website und klicken Sie auf „Produkt suchen“. Geben Sie dann das Produkt ein, für das Sie die unterstützten Knoten-/Funktionstypen wissen möchten.

Wenn Sie beispielsweise auf einem Cypress Bluetooth Mesh-Modul CYBT-413034-02 nach unterstützten Knoten-/Funktionstypen suchen möchten, geben Sie dies in die Produktsuche ein und es werden die Deklarations-ID, QDID, Firma, Produkte, Spezifikationsname und Auflistung angezeigt Datum für das Produkt. Klicken Sie auf die Deklarations-ID, in diesem Fall D040142. Diese Seite enthält die Liste der vom Gerät unterstützten Layer. Klicken Sie dort auf „ICS-Details anzeigen“. Dies zeigt die Liste der Kernprotokollschichten sowie Profil und Dienste an. Sie können auf jede dieser Funktionen klicken, um zu erfahren, welche Funktionen unterstützt werden. Wenn das Mesh-Profil unterstützt wird, wird es unter Traditionelle Profile aufgelistet.

Klicken Sie nun auf MESH (Mesh Profiles). Dies enthält die Liste der Rollen und Versionen und die Knotenrollenanforderungen und ob die Funktion unterstützt wird. Da wir nach Details zu CYBT-413043-02 gesucht haben, zeigen die folgenden Screenshots von der Bluetooth SIG-Website, dass dieses Modul sowohl die Node- als auch die Provisioner-Rolle unterstützt, wie unter Rollen aufgeführt (siehe Abbildung 2). Es unterstützt auch die Relay-Funktion, wie unter Network Layer-Funktionen gezeigt (siehe Abbildung 3). Die Friend- und Low-Power-Node-Funktionen werden unterstützt, wie unter Funktionen der oberen Transportschicht gezeigt (siehe Abbildung 4). Die Proxy-Funktion wird unterstützt, wie unter Proxy-Fähigkeit gezeigt (siehe Abbildung 5).

Obwohl dieses Gerät alle diese Knotenfunktionstypen unterstützt, ist es erwähnenswert, dass die meisten dieser Knotentypen gemäß den Kommentaren optional sind. Beispielsweise sind die Funktionen Relay, Friend und Low Power Node optional, wenn Advertising Bearer unterstützt wird. Für ein effizientes Bluetooth-Mesh-Netzwerk werden jedoch alle diese Funktionstypen benötigt.

Klicken für größeres Bild

Abbildung 2:Rollen und Versionen für ein bestimmtes Produkt werden auf der Bluetooth SIG-Website angezeigt. In diesem Fall unterstützt das Produkt sowohl Knoten- als auch Bereitstellungsrollen. (Quelle:Cypress)

Klicken für größeres Bild

Abbildung 3:Die Bluetooth SIG-Website zeigt auch die Knotenrollenfunktionen für ein bestimmtes Produkt. In diesem Fall unterstützt das Produkt die Relaisfunktion. (Quelle:Cypress)

Klicken für größeres Bild

Abbildung 4:Die Funktionen Friend und Low-Power Node werden von diesem Produkt unterstützt, wie unter Funktionen der oberen Transportschicht gezeigt. (Quelle:Cypress)

Klicken für größeres Bild

Abbildung 5:Die Proxy-Funktion wird unterstützt, wie unter Proxy-Fähigkeit gezeigt. (Quelle:Cypress)

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

Im nächsten Artikel dieser Serie werden wir darüber sprechen, wie die Kommunikation im Bluetooth-Mesh-Netzwerk abläuft und verschiedene Konzepte wie Mesh-Modelle, die Produkte in jedem Anwendungssegment interoperabel machen.