蓝牙物联网应用:从BLE到Mesh

蓝牙技术已经从一种连接PC外围设备的方式演变为一种强大的工业和家庭物联网连接解决方案。但是蓝牙只适用于某些特定的用例。

蓝牙对于物联网至关重要,可以通过各种设置的mesh网络传输数据。虽然您可能不知道用于物联网的蓝牙到底是如何工作的,或者它最适合用于什么应用,但您可能熟悉一些底层技术。蓝牙为我们的家庭和日常生活中的很多产品提供了支持,比如耳机、鼠标和键盘,还能让我们在短距离传输数据,比如Airdrop。

从电缆到Mesh:蓝牙概览

1994年,电子工程师Jaap Haartsen在瑞典隆德的爱立信公司工作时发明了蓝牙技术,自那以来,蓝牙技术已经取得了长足的发展。他设想这项技术可以替代RS-232数据线,而RS-232数据线自20世纪60年代以来就一直是连接计算机外设和PC的标准。Haartsen利用2.4至2.485 GHz的超高频短波在工业、科学和医疗(ISM)频段内发送几米的短距离小而简单的数据包(“信息”),打破了这一标准。

1998年,哈特森(Haartsen)在创建蓝牙特别兴趣小组(SIG)方面发挥了关键作用,这是一个像3GPP和LoRa联盟一样的标准制定机构。自从我们将蓝牙技术嵌入到世界各地的日常生活中,这个组织就有了自己的生命。随着SIG不断完善其工业产品:蓝牙低能耗(Bluetooth Low Energy,BLE)和蓝牙网状网(Bluetooth mesh),蓝牙只会继续变得更加重要。

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不是另一种连接模式时,例如,通过LPWAN的蓝牙或基于LTE-M的NB-IoT,确保首先以明确的方式识别和阐明激发您的IoT计划的业务目标。

那么你想用物联网实现什么呢?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殊性?你是想追踪室内、室外的事物或人,还是跨越两者的界限?您是否有现成的电源,或者设备需要电池供电?您是否需要通过网络发送小数据包(例如打开/关闭或简单的活动/非活动消息),或者您认为需要通过网络传输诸如音频或图像之类的大型原始文件?探讨这些问题和其他许多问题是非常重要的。

也许您正试图追踪设备、人员和患者穿过医院建筑物时的记录。鉴于新兴的蓝牙网状网络的低功耗要求,理论上无限的可扩展性和自我修复的可靠性,经过正确设计的蓝牙IoT应用程序可有效用于此类室内资产跟踪方案。但是,同样的蓝牙解决方案对于实现其他业务目标可能不是最理想的。

像所有的连接解决方案一样,蓝牙并不是什么灵丹妙药。例如,它不能很好地跟踪港口或石油钻井平台上的水下资产。蓝牙的2.4GHz信号不能很好地穿透水中。对于需要通过网络发布可视、音频或生物特征信息的安全解决方案来说,蓝牙也是一个糟糕的选择,因为这类数据类型在网络上的负载很大。我们将在下面深入探讨蓝牙物联网应用的一些重要技术特征,但我首先要强调的是,每种连接模式的最终有效性与每种模式的技术特征与三个共同相关因素的匹配程度密切相关:

1)你的商业目标

2)当地的空间环境条件

3)你希望实现目标的地方广播和数字生态系统

归根结底,你要了解你的商业目标,在连接性模式的技术特征方面保持对话,与能够理解你的商业目标并帮助你做出负责任的决定的领域专家合作。

蓝牙物联网应用的体系结构

要了解为什么蓝牙标准的最新变化对物联网应用具有重大意义,我们必须首先深入研究蓝牙“堆栈(stack)”。蓝牙从替代RS-232数据电缆到强大的大规模物联网连接解决方案的演变,就是在堆栈上增加了新的层。请记住,在此上下文中的“堆栈”本质上是指协议、过程和应用程序的自下而上的分层,其中每个较高的层都依赖于该层,并基于其下一层。IoT的最新蓝牙规范Bluetooth mesh必须基于BLE 4.xx或5.xx堆栈(Bluetooth Core (“classic”) 规范的扩展)进行设计。因此,新兴的Bluetooth mesh堆栈包括三个堆栈层:核心,然后是BLE,顶部是mesh。从下向上阅读下面的mesh堆栈图。

蓝牙拓扑:配对(Pair),广播(Broadcast),网状(Mesh)

在过去的24年里,蓝牙不断发展,以适应不断变化的需求:

1)点对点Point-to-point):蓝牙作为配对两个设备的一种方式。

例如:将计算机与无线鼠标配对。

2)一对多One-to-many):蓝牙可以让一个设备向多个设备广播信息,反之亦然。

例如:使用智能手机在智能扬声器上播放音乐,并将照片同时投射到投影仪上。

3)多对多Many-to-many):蓝牙是将许多设备连接到许多其他设备的一种方式,就像在蜘蛛网中一样。

例如:将仓库内的1278盏顶灯相互连接,根据活动和个人喜好自动调暗或调亮灯。

技术演进:BLE

2009年推出的蓝牙低功耗(BLE)为物联网领域的未来应用奠定了基础。BLE是一个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,这些应用要求设备使用最小功率发送少量数据。

蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)对蓝牙经典技术进行了几处更改,以在不影响通信范围的情况下减少耗电量,这些更改对于蓝牙物联网应用至关重要。增加调制指数和限制负载密集型(也是功率密集型)数据类型使蓝牙能够将功耗降低95%到99%(取决于使用情况)。将信息加密升级到128位AES-CCM(政府级别)是将BLE拓扑结构从传统蓝牙耳机上转向在仓库和智能家居之间传输简单信息的低功耗节点群的最后先决条件。

下面重点介绍了从Classic到BLE的一些重要转变:

阅读上表,你会发现活动节点的数量从7个增加到“无限(unlimited)”,这是该技术从小型个人应用向大规模可扩展物联网解决方案转型的关键时刻。

Bluetooth Mesh:从人到物

蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)于2017年发布了“mesh规范(mesh specification)”,对BLE的理论上无限多对多功能进行了标准化。以前的蓝牙拓扑主要是关于人与物之间的接口。虽然最终目标仍然是扩大人类的潜能,但网格拓扑从根本上讲是关于事物如何大规模地相互通信的。它是许多设备与许多其他设备之间的通信。

mesh拓扑具有许多新特性,使其对某些物联网应用有效。

全向性(Omnidirectionality),模块化(Modularity)和修复(Healing)

在网状网络中,所有节点都起着传送器、中继器和接收器的作用。从它的起源开始,一个给定的信息是全方向而不是线性地从一个节点跳到另一个节点。想象一下蜘蛛网而不是高速公路。因此,这种拓扑结构消除了网关故障导致依赖的传感器集群失效的问题,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mesh网络中的区域。因此,该拓扑结构不仅健壮而且是模块化的。

受监管的大量信息A Managed Flood of Messages

使蓝牙网状网络成为强大拓扑的许多功能源于蓝牙SIG对“泛洪(flooding)”技术的改进。flooding类似于互联网的工作方式。当给定的网格节点发布数据时,它通过“flooding(淹没)”直接范围内的所有节点来进行发布。这些节点依次淹没了其范围内的所有节点,依此类推。而且,由于只有显式寻址或“订阅”的节点才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器,而不仅仅是网关。尽管flooding听起来效率低下,但它允许进行流畅的硬件设计,简单的命令执行以及节点之间的“跳跃”,而这种效率直接转化为低功耗,低单位成本和可扩展性。

“Managed flooding”是对BLE伪网(pseudo-meshes)中使用的flooding的改进。它使标准化的网状网络能够在可扩展的蓝牙IoT应用中更有效地运行。Managed flooding是指网状拓扑的几个技术特征的独特组合:

1)每个网状节点都会定期发出“心跳(heartbeats)”,以提醒附近的节点它处于活动状态并准备好传递消息。

2)接收到给定心跳的节点能够计算到与心跳源的距离。当您希望消息通过网格的“跳数(hops)”数量受到限制时,知道间隔可以使网络通过为消息选择最佳生存时间(TTL)值来节省能量。

3)网格(Meshes)可以划分为“子网(subnets)”,这些子网将大量的消息解析为不同的网络区域,从而在只增加拓扑最小维复杂度的同时节约能源。

4)每个节点缓存通过它的每个消息,因此当消息在节点上泛滥时,它知道丢弃而不是中继缓存中包含的任何消息。缓存使节点能够“管理”flood,同时保持电路简单和节省能源。

Friendship与Proxies

“Friendship”是新网状拓扑的一项巧妙功能,可以使其进一步管理大量信息,同时还节省能源。您可以将某些设备设置为低功耗节点(LPN),将其他设备设置为它们的“friend”。friend通常不受功率限制(即,它连接到电网而不是电池)。在没有功率限制的情况下,friend节点会像语音信箱那样疯狂地收听并排队发给LPN的消息,而LPN则使其接收器保持关闭状态以节省功率。当LPN定期唤醒时,它可以询问friend是否存储了消息,打开接收器,以及让friend节点在LPN返回睡眠之前以突发方式发送整个队列。这使解决方案提供商可以在灵活的网格框架内利用广播蓝牙拓扑的优势,根据用例的特定数据和电源需求定制最终结果。

mesh拓扑的最后一个令人兴奋的特性是,它可以在不使用mesh堆栈的情况下与蓝牙设备进行连接并包含这些设备。与BLE兼容的旧设备包括自2009年BLE推出以来售出的数十亿部智能手机。能够与使用旧技术的网状网络进行交互的好处是显而易见的。

回想一下,网格堆栈是在BLE堆栈的顶部分层的。并考虑到所有BLE设备都有一个通用属性(GATT)配置文件。如果您提供一个mesh节点作为代理,它将公开GATT接口,任何BLE设备都可以通过该接口“加入”mesh网络并与其节点交互。总之,mesh的代理协议使其向后兼容。

Mesh的混合未来

尽管显然网状结构代表了蓝牙的重要而强大的一步,但我要重申,我们绝不能成为所有炒作和令人兴奋的功能的牺牲品。再次以你的商业目标为基础。蓝牙网格是否适合您的物联网计划?蓝牙的未来可能会涉及到混合连接。

当爱立信提出与蓝牙相关的想法时,我们应该倾听,因为您会回想起哈特森(Haartsen)在该公司率先开发了蓝牙。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,这种能力可能来自多模式,启用BLE的设备,这些设备充当“毛细管网关(capillary gateways)”到其他连接模式,例如: 蜂窝网络。结果将是有效的混合核心网络。这样的混合网络将不再是网状网络保持离散和隔离的状态,而是更具适应性,模块化和可扩展性。

当用例需要时,为什么未来不应该是混合的呢?最终,一些用例将通过单一连接模式得到最好的服务,但其他用例可能受益于创造性地组合多种模式,以提高可靠性、健壮性和实用性。

第一步始终是相同的:定义业务目标,弄清用例的复杂性,并开发解决方案以从头开始进行匹配。话虽这么说,我不知道为什么有些人会考虑多样化和混合的用例,例如,在室内和室外跟踪资产,可以通过一种连接方式或另一种方式进行服务。世界是混乱的和混合的。为了解决根本问题,我们的网络可能需要反映一些这种混杂性。

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