O artigo, como inicial da série MESH , apresenta a arquitetura e as funções do protocolo Bluetooth mesh 1.0 . Como um protocolo complementar ao protocolo Bluetooth Low Energy, o protocolo Bluetooth Mesh, independente do Bluetooth 5.0, apresenta pela primeira vez uma rede mesh padrão aberta para dispositivos Bluetooth Low Energy.

A rede MESH é uma tecnologia sem fio de baixa potência para automação residencial e predial inteligenteformulários. A princípio, como o SIG não tem suporte para a rede MESH, os engenheiros precisam mudar o Bluetooth Low Energy para outras tecnologias (como ZigBee e Thread) para o desenvolvimento de aplicativos domésticos inteligentes. A situação durou até que a especificação da malha Bluetooth se tornou pública em meados de 2017. Agora, o Bluetooth SIG resolveu a falta de rede MESH introduzindo a especificação suplementar Bluetooth 5.0 - rede mesh Bluetooth 1.0. A especificação não precisa de outros suportes de hardware e pode ser executada em chips Bluetooth Low Energy existentes (BLE4.0, BLE4.1, BLE4.2 e BLE5.0) ao atualizar o firmware. Alguns fabricantes de chips podem suportar o protocolo Bluetooth Mesh 1.0 agora.

1. Mercado BLE MESH agora

Até agora, 73 empresas no mundo já certificaram BLE MESH no SIG, e o número de produtos certificados chega a 461. Esses dados incluem o número total de certificações dos produtos terminais e do chip. A tabela a seguir lista as empresas certificadas e o número de certificações de seus produtos, dos quais existem muitos terminais certificados por gigantes chineses da Internet.

2. Vantagens do MESH

O Bluetooth Low Energy foi originalmente projetado para complementar o alto consumo de energia do Bluetooth "clássico", estendendo a tecnologia sem fio a dispositivos alimentados por bateria. Por exemplo, os cintos de frequência cardíaca e os aplicativos de brinquedo controlados sem fio se comunicam com um dispositivo mestre (como um telefone celular) por meio da tecnologia Bluetooth Low Energy. Mesmo um dispositivo mestre controla vários dispositivos escravos para formar uma topologia de rede em estrela.

Devido à interoperabilidade do Bluetooth de baixa energia e telefones celulares, o Bluetooth de baixa energia pode ser rapidamente estendido a outras aplicações, como controle de iluminação , casa inteligente, etc. Nesses tipos de aplicativos, aparecem as deficiências da rede em estrela. Por exemplo, as soluções Bluetooth de baixo consumo de energia só podem lidar com um número limitado de conexões simultâneas (geralmente oito). E dispositivos de iluminação com mais de 8 lâmpadas não podem ser controlados por um único comando, o que causará atrasos no controle. As lâmpadas distantes da casa grande podem não estar dentro do alcance do controlador central e precisam ser trocadas por nós com funções de roteamento.

Desde o lançamento do Bluetooth Low Energy, lançou as versões 4.1, 4.2, 5.0, 5.1 e 5.2. Muitas funções no protocolo foram aprimoradas, como alcance de transmissão, taxa de transferência, capacidade de transporte de dados de transmissão, posicionamento AoA/AoD e melhorias de coexistência . (alguns desses novos recursos são opcionais. Opcional significa que um chip que não suporta essas novas funções também pode ser um chip BLE 5.0).

O Bluetooth Mesh 1.0 não é uma simples atualização do BLE 5, mas um conjunto de protocolos independentes do protocolo Bluetooth. E qualquer produto de chip de versão anterior (BLE 4.0, BLE 4.1, BLE 4.2, BLE 5.0) pode ser atualizado. Sob a premissa de recursos Flash e RAM suficientes, ele só precisa atualizar o firmware para executar a malha Bluetooth.

Quando o nó Bluetooth MESH recebe uma mensagem, ele transfere os dados obtidos da camada de baixa energia do Bluetooth para a camada de portador, então os dados são transferidos para a camada de rede através da camada de portador. A camada de rede usa várias verificações para decidir se deve passar a mensagem para a camada de transporte inferior ou descartá-la.

A especificação Bluetooth MESH define um novo protocolo principal. Algumas das camadas do protocolo principal compartilham alguns conceitos com as camadas do protocolo principal do Bluetooth de baixa energia, mas os dois protocolos não são totalmente compatíveis entre si. Isso é diferente de tecnologias como ZigBee e Thread. ZigBee e Thread foram projetados como redes MESH desde o início. As especificações subjacentes são baseadas em 802.15.4, mas a compatibilidade de outros protocolos principais não foi considerada. (Nos últimos dois anos, ZigBee considerou usar dotdot no nível superior para ser compatível com outros protocolos de rede e alcançar a interconexão. Para obter detalhes, consulte https://zigbeealliance.org/solution/dotdot/ )

Existem quatro tipos de nós de rede:

Um Relay Node recebe e retransmite mensagens de malha Bluetooth usando o portador de anúncio. A desvantagem dos nós de retransmissão é que eles sempre devem manter o estado de alerta, o que aumentará muito o consumo de energia. Tem pouco efeito em aplicativos alimentados por energia principal, como iluminação inteligente, mas é um grande problema para nós alimentados por bateria, como switches incorporados à rede.

Os nós de baixo consumo de energia usam os recursos padrão de economia de energia do Bluetooth Low Energy (que mantém o estado de suspensão por um longo tempo), para que possam funcionar por um longo período por meio de bateria ou coleta de energia. Os LPNs funcionam em conjunto com o nó Friend, que não é limitado por energia (por exemplo, possui uma fonte de alimentação CA permanente). O Friend armazena mensagens endereçadas ao LPN e as entrega ao LPN sempre que o LPN consulta o nó Friend em busca de “mensagens em espera”. Quando o LPN entra no modo de recebimento (de acordo com uma programação predeterminada), ele recebe a mensagem armazenada e segue as instruções, depois retorna ao modo de suspensão de economia de energia.

Nó Amigo
Um Nó Amigo pode armazenar e posteriormente encaminhar mensagens endereçadas a um Nó de Baixo Consumo associado. Quando um nó de baixo consumo é ativado e pesquisa um nó amigo, o amigo transmitirá essas mensagens para o nó de baixo consumo relevante. Os nós amigos ocuparão mais memória do que outros tipos de nós porque precisam armazenar mensagens para um ou mais nós de baixa potência. O tamanho de memória necessário depende da quantidade de dados/comandos que precisam ser armazenados em nós Friend e enviados para nós de baixa potência durante as operações de polling.

nós de proxy
O Proxy Node é a chave para permitir que dispositivos Bluetooth Low Energy não mesh (como um telefone celular) façam parte de uma rede mesh Bluetooth. Os nós proxy expõem uma interface GATT que os dispositivos Bluetooth LE podem usar para interagir com uma rede mesh. Um Proxy Node pode receber mensagens por um portador (advertising ou GATT) e retransmiti-las por outro (advertising ou GATT). O propósito fundamental do Proxy Node é realizar a conversão do portador. Ele pode converter do portador de publicidade para o portador do GATT e vice-versa. Portanto, um dispositivo que não suporta o portador de publicidade pode, em vez disso, enviar e receber vários tipos de mensagens de malha Bluetooth através de uma conexão GATT. Por exemplo, a função é útil quando o usuário deseja usar um smartphone tradicional para controlar uma rede de iluminação inteligente.

A figura fornece um exemplo de uma rede mesh Bluetooth simples. Neste exemplo, a maioria dos nós, como as lâmpadas, são alimentados pela rede elétrica e podem verificar continuamente os canais de publicidade em busca de mensagens recebidas. Alguns desses nós também podem suportar os recursos de retransmissão, proxy e amigo. Além disso, na topologia deste exemplo, o sensor de temperatura de baixa potência usa o recurso de baixa potência e é assistido por um dos nós alimentados pela rede elétrica que possui o recurso amigo implementado. Da mesma forma, um smartphone que não possui suporte para o portador de publicidade se comunica com a rede mesh por meio de um nó que suporta o recurso de proxy.

Além disso, o novo nó deve ser configurado antes de ingressar na rede mesh para garantir que o novo dispositivo seja um dispositivo confiável e possa acessar todos os nós da rede. Depois de entrar, a rede MESH atribui endereços, tipos de dispositivo e chaves de dispositivo para o novo nó. Em seguida, a chave do dispositivo é usada para estabelecer um canal seguro para configurar novos nós. Em teoria, a rede Bluetooth MESH pode suportar até 32.000 nós.

5. Arquitetura MALHA Bluetooth

A rede mesh Bluetooth usa a tecnologia "flooding" para enviar mensagens na rede (é semelhante à forma como o vírus se espalha). Cada pacote de dados é encaminhado para outros nós da rede até que a mensagem chegue ao nó de destino. A transmissão de mensagens pode ser para um único nó, um grupo de nós e todos os nós. Por exemplo, podemos definir todas as luzes em uma única sala como um endereço de grupo. A especificação de malha Bluetooth define quatro endereços de grupo fixos: "All-Proxies", "All-Friends", "All-Relays" e "All-nodes". (O LPN não tem a função de encaminhar mensagens, pois precisa manter um baixo consumo de energia.)

A arquitetura de malha de inundação e a escolha do endereço de grupo aprimoram o suporte da rede de malha Bluetooth para aplicativos domésticos inteligentes. Por exemplo, se o dispositivo Gateway na rede MESH receber o comando "ON", que pode ser transmitido rapidamente para toda a rede por meio da rede MESH. Cada dispositivo de nó na rede recebe o comando e age de acordo, as luzes no grupo de destino podem ser ligadas imediatamente.

Comparado com a rede em estrela, o tempo mínimo de espera do recebimento médio de dados para os nós da rede MESH é muito menor do que o da rede em estrela. Porque o dispositivo central é obrigado a enviar um comando separado para cada lâmpada conectada na rede em estrela. E a CPU precisa enviar comandos para todos os subdispositivos em intervalos de tempo.

Existem algumas diferenças entre o Bluetooth MESH e o Bluetooth tradicional. Todos os dados mesh serão transmitidos apenas em três canais de publicidade 37, 38 e 39. Tem suas vantagens e desvantagens. A vantagem é a alta eficiência e a forma de transmissão simples. E a desvantagem é que reduz a largura de banda da rede e aumenta o risco de congestionamento.

Existem dois métodos para a rede MESH lidar com o congestionamento: o primeiro é o TTL (Time To Live) , que define quantas vezes um pacote específico pode ser encaminhado (normalmente três etapas). O segundo é o cache de rede . O dispositivo transmitirá apenas uma vez após a captura de um pacote de dados encaminhado. O dispositivo não o encaminhará mais quando receber o mesmo pacote de informações transmitido por outros dispositivos na próxima vez.

Os desenvolvedores também podem usar rotas de entrega de grupo opcionais e manter a função de retransmissão. Após a configuração, o nó pode receber pacote de dados, mas não pode transmiti-lo. Portanto, a flexibilidade do nó ficará ruim.

6. Modelo BLE MESH

O conceito de modelo MESH é semelhante ao conceito de perfil Bluetooth. O modelo especifica uma estrutura de informação pública, que pode conter um ou mais serviços (o conceito de modelo é usado para definir dispositivos terminais).

O modelo contém os comportamentos e serviços específicos dos nós e define um conjunto de status e mensagens que atuam sobre o status. O modelo padrão pode funcionar nas aplicações típicas, como configuração de dispositivos, leituras de sensores e controle de iluminação. E os desenvolvedores também podem criar modelos personalizados.

Os modelos nos nós são organizados por elementos. Cada elemento atua como uma entidade virtual na malha com um endereço exclusivo e cada mensagem recebida é processada pelo modelo no elemento.

Diferentes modelos interagem uns com os outros por meio de "publicar e assinar". O nó de publicação envia uma mensagem e o nó configurado para assinar irá processá-la após receber a mensagem.

Na figura a seguir, podemos ver que o nó “Switch 1” está publicando no endereço do grupo Kitchen. Os nós Light 1, Light 2 e Light 3 se inscrevem no endereço Kitchen e, portanto, recebem e processam mensagens publicadas nesse endereço. Em outras palavras, Light 1, Light 2 e Light 3 podem ser ligados ou desligados usando o Interruptor 1.

O switch 2 publica no endereço do grupo Dining Room. A Light 3 é a única assinada neste endereço e, portanto, é a única light controlada pelo Switch 2. Observe que este exemplo também ilustra o fato de que os nós podem assinar mensagens endereçadas a mais de um endereço distinto. Isso é poderoso e flexível.

Da mesma forma, observe como ambos os nós Switch 5 e Switch 6 publicam no mesmo endereço Garden.

7. Rede de configuração de malha Bluetooth

A figura a seguir é um exemplo de uma assinatura de rede de configuração completa. O processo é o processo padrão para equipamentos de registro de rede de configuração Bluetooth MESH. No início, a lâmpada envia um sinal para a rede MESH para informar que está procurando uma rede para se conectar. O nó de configuração autentica o farol da lâmpada e o convida a ingressar na rede. Se a autenticação for bem-sucedida, o dispositivo receberá as chaves e endereços necessários para se conectar à rede e se preparar para a configuração. Em seguida, a lâmpada é fornecida com a chave APP "domótica". Ele definirá o status de publicação do "servidor OnOff" (lâmpada de controle) e, finalmente, adicionará a assinatura ao "grupo de luz".

8. Aplicações MALHA Bluetooth

Com base nas estatísticas preliminares dos produtos certificados pela SIG, verifica-se que as aplicações do BLE MESH estão concentradas principalmente em residências inteligentes e aplicações de controle de iluminação, com controle de iluminação representando 60%, residências inteligentes representando 30% e os últimos 10% pertencente à certificação de chip do fabricante original e aplicação de nicho de mercado. O BLE MESH é sem dúvida o maior concorrente do ZigBee .