物联网通信应用,蓝牙的从BLE到Mesh

1、蓝牙技术已经从将PC外围设备连接到强大的工业和家庭物联网连接解决方案的方式发展而 来。但蓝牙仅适用于某些用例。您可能无法完全理解蓝牙物联网应用程序的细节，但我敢打 赌您熟悉基础技术。蓝牙将各种耳机和扬声器连接到智能手机和计算机。它为您的无线鼠标 和键盘供电。它允许您通过汽车扬声器接听电话，方便地短距离传输文件。蓝牙“经典”主 要是关于将您连接到一些日常设备。支持物联网应用的新型蓝牙技术更多的是将设备连接到 家庭，城市和工业场景中的大规模“网状”网络中的其他设备。从Cables到Mesh:蓝牙一览自从电子工程师Jaap Haartsen于1994年在瑞典隆德的爱立信工作时发明了该技术以来， 蓝牙

2、已经走过了漫长的道路。他将该技术设想为RS-232数据线的替代品，自20世纪60年 代以来，它一直是将计算机外围设备连接到PC的标准。Haartsen通过在2.4到2.485 GHz 的工业，科学和医疗（ISM）频段使用短波UHF无线电波来破坏该标准，以便在几米的短距 离内发送小而简单的数据包（“消息”）。1998年，Haartsen在创建蓝牙特别兴趣小组（SIG） 方面发挥了关键作用，像3GPP和LoRa Alliance这样的标准制定机构。自从我们将蓝牙技 术嵌入到全球日常生活中以来，该集团已经拥有了自己的生命。随着SIG改进其工业产品， 蓝牙只会继续变得更加重要：蓝牙低功耗（BLE）和蓝

3、牙网。使用蓝牙物联网应用实现业务目标当选择一种连接模式而非另一种模式，例如通过LPWAN的蓝牙或基于蜂窝无线网络的NB- IoT时，首先要确保首先明确地指出并明确表达激发您的物联网计划的业务目标。那么你想 用物联网做些什么呢？您的业务，行业，服务以及您，您的员工和客户的运营空间有哪些特 点？您是想在室内，室外还是跨越两者的边界追踪事物或人物？您是否可以随时使用电源， 或者设备是否需要电池供电？你需要发送小数据包（例如通过网络打开/关闭或简单的活动 /非活动消息，或者您认为您需要通过网络传输大型原始文件，如音频或图像？在围绕一种 连接模式进行营销炒作之前，探索这些问题以及其他许多其他问题至关重要

4、。当蓝牙工作正常也许你正试图在医院建筑物中编织时跟踪设备，人员和病人。考虑到新兴蓝牙网状网络的低 功耗要求，理论上无限可扩展性和自我修复可靠性，正确设计的蓝牙物联网应用对于此类室 内资产跟踪方案非常有效。但是，相同的蓝牙解决方案对于实现其他业务目标而言并不是最 理想的。当蓝牙短缺时与所有连接解决方案一样，蓝牙也不是银弹。例如，它不适用于跟踪港口或石油钻井平台的 水下资产。蓝牙的2.4 GHz信号不能很好地穿透水。对于需要通过网络发布视觉，音频或生 物识别信息的安全解决方案，蓝牙也是一个糟糕的选择，因为这些数据类型存在于网络上。 我们将深入探讨下面的蓝牙物联网应用的一些重要技术特性，但我首先要强

5、调的是，每种模 式的最终有效性与每种模式的技术特征与三个共同依赖的技术特征的良好关系密切相关。因 素：您的业务目标当地的空间和环境条件您希望实现目标的当地无线电和数字生态系统 这一切都归结为了解您的业务目标，在连接模式的技术功能中进行对话，以及与能够理解您 的业务目标并帮助您做出负责任的决策的领域专家合作。蓝牙物联网应用的架构为了理解最近蓝牙标准的变化对于物联网应用的重要性，我们必须首先深入了解蓝牙“堆 栈”。蓝牙从替代RS-232数据线到强大而庞大的物联网连接解决方案的演变是一个故事。向 堆栈添加新图层。请记住，在此上下文中的“堆栈”实质上是指协议，流程和应用程序的自 下而上的分层，其中每个

6、更高层依赖于它，并建立在它下面的层上。IoT-Bluetooth网格的 最新蓝牙规范必须在BLE 4.xx或5.xx堆栈上进行设计-蓝牙核心（“经典”）规范的扩展。 因此，新兴的蓝牙网格堆栈包括三个堆叠层：核心，然后是BLE，以及顶部的网格。从下向 上读取下面的网格堆栈图。蓝牙拓扑：配对，广播，网状在过去的24年中，蓝牙已经发展到适应不断变化的需求，具体如下：点对点：蓝牙作为配对两个设备的手段o 示例：计算机与无线鼠标配对-一对多：蓝牙作为让一个设备向许多设备广播信息的手段，反之亦然o 示例：使用单个iPhone在智能扬声器上播放音乐并同时将照片投射到投影仪上多对多：蓝牙作为一种将许多设备连接

7、到许多其他设备的方式，就像在蜘蛛网中一样o 示例：根据活动和个人喜好，将仓库中的1,278顶灯相互连接，以自动调暗灯光。技术演变：BLE蓝牙低功耗（BLE）于2009年推出，为物联网的未来应用奠定了基础BLE是一种主要针对 小型物联网应用的规范，如可穿戴设备和广播信标，要求设备以最小的功率发送少量数据。 蓝牙技术联盟对蓝牙经典技术进行了一些更改，以降低功耗，同时不影响通信范围-对蓝 牙物联网应用程序至关重要的变化。增加调制指数和限制负载密集型（以及功耗密集型）数 据类型使蓝牙能够将功耗降低95%到99%（具体取决于用例）。蓝牙网：从人到事蓝牙技术联盟于2017年宣布了 “网格规范”，标准化了

8、BLE理论上无限的多对多功能。以前 的蓝牙拓扑主要是关于人与物之间的接口。尽管最终目标仍在放大人类潜力，但网状拓扑基 本上是关于事物如何大规模地相互通信。这是与许多其他设备交谈的许多设备。网状拓扑具有许多新功能，使其对某些IoT应用程序有效。全向性，模块化和治疗在网状网络中，所有节点都用作发送器，中继器和接收器。从它的起源，给定的消息从一个 节点到另一个节点全方位地而不是线性地跳动。想象一下蜘蛛网而不是高速公路。因此，拓 扑结构消除了网关故障导致相关传感器集群崩溃的问题，因为网格通过在死节点周围推送消 息而自动“自我修复”。除了配置和状态配置之外，还可以添加或删除网状网络的区域，而 不会遇到任

9、何麻烦。因此，拓扑不仅稳健而且模块化。管理泛滥的消息许多使蓝牙网格成为强大拓扑的功能源于蓝牙SIG对“泛滥”技术的改进。洪水与互联网的 运作方式类似。当给定的网格节点发布数据时，它通过“泛滥”直接范围内的所有节点来实 现。这些节点反过来淹没其范围内的所有节点，依此类推。并且由于只有明确寻址或“订阅” 的节点对通过它们的数据起作用，因此您可以将每个设备用作中继-而不仅仅是网关。虽 然洪水可能听起来效率低下，但它可以实现时尚的硬件设计，简单的命令执行以及节点之间 的短暂“跳跃”-效率可直接转化为低功耗，低单位成本和可扩展性。“管理洪水“是对 BLE伪网格中使用的泛洪的改进。它使标准化网状网络能够在

10、可扩展的蓝牙IoT应用中更有 效地运行。管理洪泛是指几种网状拓扑技术特征的独特组合:每个网状节点周期性地发出“心跳”，以警告附近的节点它处于活动状态并准备传送消息。接收给定心跳的节点能够计算心跳起点的距离。知道间隔允许网络通过在约束希望消息通过网格的“跳跃”数量时为消息选择最佳生存时间（TTL）值来节省能量。可以将网格划分为“子网”，将大量消息解析为不同的网络区域，从而节省能量，同时仅为拓扑添加最小的维度复杂性。每个节点都缓存通过它的每条消息，因此当消息泛滥到节点上时，它知道丢弃而不是中继其缓存包含的任何消息。缓存使节点能够“管理”洪水，同时保持电路简单并节省能源。 友谊和代理我为最后一个保存

11、了两个更有趣的功能。“友谊”是新网状拓扑的一个巧妙特征，它允许它 进一步管理大量消息，同时还节约能源。您可以将某些设备配置为低功耗节点（LPN），将其 他设备配置为其“朋友”。该朋友通常不受功率约束（即它连接到能源网而不是电池）。在没 有功率限制的情况下，朋友节点贪婪地监听并且将诸如语音邮箱之类的寻址到LPN的消息 排队，同时LPN保持其接收器关闭以节省电力。当LPN周期性地唤醒时，它可以询问朋友它 是否在存储中有消息，在接收器上翻转，并且让朋友节点在LPN返回睡眠之前以突发方式发 送整个队列。这使得解决方案提供商能够利用广播蓝牙拓扑的优势，但在灵活的网状框架内， 根据用例的特定数据和功率要求

12、定制最终结果。网状拓扑的最后一个令人兴奋的特性是它可以与没有网格堆栈的蓝牙设备连接并包含蓝牙 设备。较旧的BLE兼容设备包括自2009年BLE推出以来销售的数十亿部智能手机。使用旧 技术与网状网络交互的好处应该是明确的。请注意网格堆栈是在BLE堆栈顶部分层的。并且 考虑所有BLE设备都具有通用属性（GATT）配置文件。如果将网格节点设置为代理，它将公 开GATT接口，任何BLE设备都可以通过该接口 “加入”网状网络并与其节点交互。总而言 之，mesh的代理协议使其向后兼容。Mesh的混合未来？虽然很明显网格代表了蓝牙的重要而有力的一步，但我要重申，我们不能成为所有炒作和令 人兴奋的功能的牺牲品

13、。再次为自己的业务目标奠定基础。蓝牙网是否适合您的物联网计划? 值得庆幸的是，你真的不必决定，因为蓝牙的未来可能涉及 混合连接。当爱立信有一个与 蓝牙相关的想法时，我们应该听，因为你会记得，Haartsen在公司开创了蓝牙。爱立信认为 网状网络的真正力量可能在于代理协议。更具体地说，该功率可以源于多模式，支持BLE的 设备，其充当到其他连接模式的“毛细管网关”，例如蜂窝。结果实际上是混合核心网络。 不是网状网络保持离散和隔离，这种混合网络将更具适应性，模块化和可扩展性。在网状区域网络中支持蓝牙和蜂窝连接的智能电话和/或代理节点等毛细管网关的存在将极 低功耗，存储和存储器受限设备的可访问性扩展到核心网络和云端。当用例需要时，为什么未来不应该是混合型？最