Ontwerpen met Bluetooth Mesh:knooppunten en functietypen

Zonder enige twijfel heeft Bluetooth Low Energy (BLE) de IoT-ruimte gedomineerd. Toepassingen zoals smart home, thuiszorg en het volgen van activa profiteren enorm van de energiezuinige mogelijkheden van BLE. BLE-communicatie tussen apparaten is echter beperkt tot één-op-één of één-op-veel. Bovendien is de implementatie van BLE een uitdaging vanwege het beperkte bereik, vooral in omgevingen zoals huizen waar sommige apparaten achter verschillende muren verborgen kunnen zijn ten opzichte van andere apparaten. Door deze factoren was het moeilijk om het hele huis vanaf één locatie te bedienen.

Veel-op-veel-communicatie is nodig, zodat elk knooppunt berichten van meerdere apparaten kan ontvangen en berichten naar meerdere apparaten kan verzenden. Denk bijvoorbeeld aan een groep van vier gloeilampen die met meerdere mobiele telefoons moeten worden bediend. Ze moeten ook Set-berichten kunnen ontvangen van een dimmer en/of een aanwezigheidssensor. Dit vereist veel-op-veel communicatie.

Om BLE het meest bruikbaar te maken in toepassingen zoals smart home, slimme gebouwen en slimme steden, hebben ontwikkelaars veel-op-veel-communicatie nodig en een mechanisme om het bereik uit te breiden, terwijl sommige apparaten kunnen werken met een kleine batterij. Bluetooth Mesh lost deze problemen op.

Bluetooth Mesh is in opkomst als een voorkeurstechnologie voor huisautomatisering, aangezien knooppunten in een Bluetooth Mesh-netwerk direct toegankelijk zijn vanaf een mobiele telefoon of tablet zonder dat er een gateway nodig is. Interoperabiliteit is de sleutel tot succes voor elke smart home-implementatie, aangezien elk smart home producten van verschillende leveranciers kan gebruiken. Standaard berichtformaten voor gedefinieerde use-cases (modellen) maken snelle implementatie en interoperabiliteitsgarantie met andere BLE Mesh-producten mogelijk.

Deze serie van vijf artikelen bespreekt de belangrijkste concepten die nodig zijn om Bluetooth Mesh te begrijpen. Het richt zich op de energiezuinigheid, privacy- en beveiligingsfuncties van Bluetooth Mesh en hoe u een apparaat voor uw smart home-toepassing kunt selecteren. Dit eerste artikel in de serie bespreekt de belangrijkste elementen van een Bluetooth mesh-netwerk.

Bluetooth Mesh-netwerk

Een Bluetooth mesh-netwerk bestaat uit knooppunten met verschillende functietypes. Afbeelding 1 geeft een weergave op hoog niveau van een Bluetooth mesh-netwerk. Zoals te zien is in de afbeelding, heeft het knooppunten met de volgende functietypes:

• Relaisknooppunt/functie
• Low Power Node (LPN)/functie
• Vriendknooppunt/functie
• Proxy-knooppunt/functie
• Provider

klik voor grotere afbeelding

Figuur 1:Bluetooth Mesh-netwerk (bron:Cypress)

Elk knooppunt kan een of meer functietypen ondersteunen. Het R+F-knooppunt in dit netwerk ondersteunt bijvoorbeeld de Relay- en de Friend-functie. Op dezelfde manier ondersteunt het R+P-knooppunt Relay- en Proxy-functies.

De Relay-functie stelt een knooppunt in staat om berichten over de reclamedrager door te sturen. Doorgaans zal elk knooppunt met wandvoeding waarschijnlijk de Relay-functie bevatten, omdat ze de kracht hebben die nodig is om continu naar advertentiepakketten te luisteren en deze door te geven aan andere knooppunten. Een voorbeeld van de gebruikte relaisfunctie is een slimme gloeilamp of een wandgevoede lichtschakelaar in de domoticatoepassing. Aan de andere kant is het onwaarschijnlijk dat knooppunten die op kleine batterijen werken de Relay-functie hebben, omdat Rx continu moet zijn ingeschakeld en het apparaat naar de geadverteerde pakketten moet luisteren. Hierdoor zou de batterij snel leeglopen.

De Low-Power Node-functie is een van de belangrijkste kenmerken van Bluetooth Mesh. In tegenstelling tot een node met de Relay-functie, hoeft een node met de Low-Power Node-functie niet continu naar geadverteerde pakketten te luisteren. Een knooppunt met de functie Low-Power Node brengt het grootste deel van zijn tijd door in de energiebesparende modus van het apparaat, terwijl het Friend-knooppunt namens hem berichten verzamelt. De Low-Power Node wordt wakker met gedefinieerde intervallen en pingt zijn Friend-knooppunt om te controleren op berichten die in behandeling zijn. Na communicatie met de Friend Node, gaat de Low-Power Node terug naar een slaapstand met laag vermogen. Dit is een handige functie voor toepassingen die op een batterij werken. Toepassingen zoals sensornodes in de domotica, prijskaartjes in een winkel, enz. kunnen profiteren van de Low-Power Node-functie.

Een node met de Vriend-functie zal luisteren naar berichten die in het netwerk worden doorgestuurd en bedoeld zijn voor een bijbehorend Low-Power Node. Het Friend-knooppunt slaat deze berichten op en bezorgt ze aan het bijbehorende Low-Power-knooppunt wanneer het Low-Power-knooppunt ontwaakt en het Friend-knooppunt opvraagt. Aangezien de Friend Node berichten moet opslaan voor een of meer Low-Power Nodes, heeft de Friend Node mogelijk meer geheugen nodig dan andere typen knooppunten. De benodigde hoeveelheid geheugen is afhankelijk van de hoeveelheid gegevens/commando's die moet worden opgeslagen op de Friend-node die tijdens een polling-operatie wordt gecommuniceerd naar de Low-Power Node.

De Proxy-functie laat apparaten, zoals een smartphone of een Wi-Fi-Bluetooth Mesh-gateway, communiceren met het Mesh-netwerk. Een knooppunt met de Proxy-functie is het toegangspunt tot het Mesh-netwerk voor die apparaten die Bluetooth Mesh niet rechtstreeks ondersteunen. In het Bluetooth Mesh-netwerk worden berichten doorgestuurd via de reclamedrager. Met de Proxy-functie kan een knooppunt berichten doorgeven tussen de GATT (General ATTribute) en advertentiedragers. In een Bluetooth Mesh-netwerk kunnen meerdere nodes de Proxy-functie ondersteunen. Elk knooppunt dat de Proxy-functie ondersteunt, kan via een GATT-verbinding fungeren als interface voor een smartphone/pc. Het is een goed idee om meerdere proxy-knooppunten te hebben, zodat als één proxy-knooppunt uitvalt, dit niet het hele netwerk isoleert van proxy-apparaten. Deze functie maakt Bluetooth Mesh robuuster in vergelijking met andere Mesh-technologieën zoals ZigBee.

In een Bluetooth Mesh-netwerk, Provisioning is het proces van het toevoegen van een nieuw knooppunt aan een netwerk. Provisioning vereist verschillende stappen om ervoor te zorgen dat onbedoelde apparaten niet worden ingericht op het netwerk. Een apparaat dat niet is ingericht, verzendt bakens met een vooraf bepaald interval. Een inrichtingsapparaat start het inrichtingsproces zodra het niet-geprovisioneerde apparaat is gevonden en geselecteerd. In het voorbeeld in afbeelding 1 fungeren de smartphone en de tablet als de inrichtingsapparaten in het netwerk.

Volgens de Bluetooth-specificatie zijn niet alle knooppunten verplicht. Met andere woorden, een apparaat kan Bluetooth Mesh-gekwalificeerd zijn zonder alle typen knooppunten/functies te ondersteunen. Meestal ondersteunen siliciumleveranciers geen Bluetooth SIG-gekwalificeerde Friend- en Low Power Node-functies. Dat maakt het moeilijk om Bluetooth Mesh-toepassingen op batterijen te ondersteunen.

Om te zien welke Bluetooth Mesh Node/Feature types worden ondersteund door een Bluetooth Mesh-apparaat, gaat u naar de Bluetooth SIG-website en klikt u op 'Find a Product'. Voer vervolgens het product in waarvan u de ondersteunde typen knooppunten/functies wilt weten.

Als u bijvoorbeeld wilt zoeken naar ondersteunde knooppunt-/functietypes op een Cypress Bluetooth Mesh-module CYBT-413034-02, voert u dat in bij het zoeken naar producten en toont het de declaratie-ID, QDID, bedrijf, producten, specificatienaam en lijst Datum voor het product. Klik op de Aangifte-ID, in dit geval D040142. Deze pagina biedt de lijst met ondersteunde lagen door het apparaat. Klik daar op ‘Bekijk ICS Details’. Dit toont de lijst met kernprotocollagen en Profiel en Services. U kunt op elk van deze klikken om te zien welke functies worden ondersteund. Als het Mesh-profiel wordt ondersteund, wordt het weergegeven onder Traditionele profielen.

Klik nu op MESH (Mesh Profiles). Dit biedt de lijst met rollen en versies en de vereiste node-rol en of de functie wordt ondersteund. Omdat we op zoek waren naar details over CYBT-413043-02, laten de volgende schermafbeeldingen van de Bluetooth SIG-website zien dat deze module zowel Node- als Provisioner-rollen ondersteunt, zoals vermeld onder Rollen (zie Afbeelding 2). Het ondersteunt ook de Relay-functie zoals weergegeven onder Netwerklaagmogelijkheden (zie afbeelding 3). De Friend- en de Low-Power Node-functies worden ondersteund zoals weergegeven onder Mogelijkheden van de bovenste transportlaag (zie afbeelding 4). De proxyfunctie wordt ondersteund zoals weergegeven onder Proxymogelijkheid (zie afbeelding 5).

Hoewel dit apparaat al deze typen knooppunten ondersteunt, is het vermeldenswaard dat volgens de opmerkingen de meeste van deze typen knooppunten optioneel zijn. De functies Relay, Friend en Low Power Node zijn bijvoorbeeld optioneel als Advertising Bearer wordt ondersteund. Maar voor een efficiënt Bluetooth Mesh-netwerk zijn al deze soorten functies nodig.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 2:Rollen en versies voor een specifiek product worden weergegeven op de Bluetooth SIG-website. In dit geval ondersteunt het product zowel de Node- als de Provisioner-rollen. (Bron:Cypress)

klik voor grotere afbeelding

Figuur 3:De Bluetooth SIG-website toont ook de node-rolmogelijkheden voor een specifiek product. In dit geval ondersteunt het product de Relay-functie. (Bron:Cypress)

klik voor grotere afbeelding

Afbeelding 4:De Friend- en de Low-Power Node-functies worden door dit product ondersteund, zoals weergegeven onder Mogelijkheden van de bovenste transportlaag. (Bron:Cypress)

klik voor grotere afbeelding

Afbeelding 5:De proxyfunctie wordt ondersteund zoals weergegeven onder Proxymogelijkheid. (Bron:Cypress)

U kunt ook de video Meer informatie over Bluetooth Mesh bekijken voor meer informatie over Bluetooth Mesh-knooppunten en functietypen en hoe u aan de slag kunt gaan met een Bluetooth Mesh-ontwerp.

In het volgende artikel in deze serie zullen we praten over hoe communicatie plaatsvindt in het Bluetooth Mesh-netwerk en over verschillende concepten zoals Mesh-modellen die producten interoperabel maken in elk toepassingssegment.