在本文中，我們將熟悉一些基本的藍(lán)牙網(wǎng)格概念，例如節(jié)點(diǎn)和元素。我們還將看到藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)有不同的要求。為了滿足這些要求，藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議允許每個節(jié)點(diǎn)具有一些額外的可選功能，即中繼、朋友、低功耗和代理功能。

了解藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)

首先，讓我們考慮一個假設(shè)的智能家居示例來解釋這些概念。考慮圖 1 所示的平面圖。

圖 1. 智能家居布局中的節(jié)點(diǎn)示例

在此示例中，每個房間都有一個或多個燈以及用于控制室溫的恒溫器。此外，走廊中還有一個占用傳感器（圖中的節(jié)點(diǎn) 15）。這些設(shè)備中的每一個都包含一個藍(lán)牙無線電，以便能夠與系統(tǒng)的其他部分進(jìn)行通信。在藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)術(shù)語中，這些設(shè)備中的每一個都稱為一個節(jié)點(diǎn)。

換句話說，節(jié)點(diǎn)是藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的基本單元，它執(zhí)行特定功能，例如照明或感測物理參數(shù)，并且包括能夠與網(wǎng)絡(luò)的其余部分通信的藍(lán)牙無線電。

給定節(jié)點(diǎn)可以直接與一個或多個附近節(jié)點(diǎn)通信，但通常它不能直接與網(wǎng)絡(luò)中的每個其他節(jié)點(diǎn)通信。不在彼此直接無線電范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。例如，在上圖中，節(jié)點(diǎn) 11 可以通過節(jié)點(diǎn) 9 與節(jié)點(diǎn) 14 進(jìn)行通信。

藍(lán)牙 Mesh 節(jié)點(diǎn)元素

藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點(diǎn)可能有多個組成部分。在上面的例子中，一組三個燈泡被抽象為網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn) 6。在這種情況下，這三個燈泡之間的通信通過單個藍(lán)牙無線電進(jìn)行。在藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的上下文中，節(jié)點(diǎn)的組成部分稱為元素。

節(jié)點(diǎn)中的每個元素都有一個唯一的地址，稱為單播地址。通過這些單播地址，我們能夠獨(dú)立控制節(jié)點(diǎn)的元素。根據(jù)藍(lán)牙網(wǎng)格規(guī)范，元素是節(jié)點(diǎn)內(nèi)的可尋址實體。

一個節(jié)點(diǎn)可以有不同類型的元素。例如，考慮一個還包括占用傳感器的開關(guān)。在這種情況下，切換功能和占用感應(yīng)功能是節(jié)點(diǎn)的兩個不同元素。類似地，還具有光水平傳感器的占用傳感器形成具有兩個元素的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點(diǎn)至少有一個元素，稱為“主要元素”。節(jié)點(diǎn)的附加功能（如果有的話）稱為“輔助元素”。

藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)特性：節(jié)點(diǎn)是異構(gòu)的！

在藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)有不同的要求。例如，燈泡節(jié)點(diǎn)由電源供電，而傳感器節(jié)點(diǎn)可能由電池供電。這兩個節(jié)點(diǎn)的功率要求明顯不同。雖然燈泡可以一直亮著，但傳感器應(yīng)將大部分時間花在睡眠模式以節(jié)省電量。

節(jié)點(diǎn)的處理能力也不相同。例如，通過網(wǎng)絡(luò)路由信息的節(jié)點(diǎn)比不充當(dāng)路由器的網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)需要更多的處理能力。此外，網(wǎng)絡(luò)中的某些節(jié)點(diǎn)可能需要能夠與不直接支持藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備（例如智能手機(jī)和平板電腦）進(jìn)行通信。

為了滿足所有這些要求，藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議允許每個節(jié)點(diǎn)具有一些額外的可選功能。有四個預(yù)定義的節(jié)點(diǎn)特性（圖 2），即中繼、朋友、低功耗和代理特性。

圖 2. 典型的藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)由具有不同特性的節(jié)點(diǎn)組成。圖片由英飛凌提供

讓我們來看看這些節(jié)點(diǎn)特性。

中繼節(jié)點(diǎn)特性：與 Zigbee 和 Thread 的區(qū)別

中繼節(jié)點(diǎn)重新傳輸它接收到的信息。這是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的基本要求，可擴(kuò)展覆蓋范圍并增強(qiáng)可靠性。但是，應(yīng)該注意，這是一個可選功能，并非所有節(jié)點(diǎn)都需要充當(dāng)中繼器。例如，位于網(wǎng)絡(luò)邊緣的節(jié)點(diǎn)不需要是中繼節(jié)點(diǎn)。

由于中繼節(jié)點(diǎn)需要不斷地監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)并重新傳輸接收到的信息，因此其功耗較高，通常需要市電供電。

藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)與 Zigbee 和 Thread 等協(xié)議之間存在根本區(qū)別。Zigbee 和 Thread 使用路由表，這意味著為從節(jié)點(diǎn) A 到節(jié)點(diǎn) B 的消息選擇特定的路徑。但是，使用藍(lán)牙網(wǎng)格，沒有特定的路徑，數(shù)據(jù)包只是廣播到所有附近的節(jié)點(diǎn)。中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)他們收到的消息，直到它到達(dá)他們的最終目的地。

由于這種被稱為“泛洪傳輸”模型的路由方法，必須仔細(xì)選擇中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和位置，以提供足夠的傳輸路徑，而不會不必要地增加網(wǎng)絡(luò)流量。大量的中繼節(jié)點(diǎn)會增加網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包沖突率、延遲和能量消耗。

低功耗節(jié)點(diǎn)和友元特性

顧名思義，低功耗節(jié)點(diǎn) （LPN） 試圖將功耗降至最低。這對于電源有限的設(shè)備非常有用，例如家庭自動化中的電池供電傳感器節(jié)點(diǎn)和零售店中的價格標(biāo)簽。為了最大限度地降低功耗，LPN 大部分時間都處于休眠模式，此時節(jié)點(diǎn)無線電硬件已關(guān)閉。

總體而言，LPN 僅短暫喚醒以與網(wǎng)絡(luò)通信，并且無法在睡眠模式下接收其消息。因此，需要另一個沒有功率限制并且可以始終開啟的節(jié)點(diǎn)來收集應(yīng)該傳遞到 LPN 的消息。LPN 通過它與網(wǎng)絡(luò)通信的這個關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)稱為朋友節(jié)點(diǎn)。

朋友節(jié)點(diǎn)始終偵聽網(wǎng)絡(luò)并為其關(guān)聯(lián)的 LPN 收集傳入消息。當(dāng) LPN 喚醒時，它會 ping 其朋友節(jié)點(diǎn)以檢查是否有任何新消息。朋友節(jié)點(diǎn)還將來自 LPN 的消息中繼到網(wǎng)絡(luò)中，這意味著朋友節(jié)點(diǎn)也應(yīng)該是中繼節(jié)點(diǎn)。

例如，燈泡是一種常見的設(shè)備類型，可以作為附近功率受限設(shè)備的朋友節(jié)點(diǎn)。如下圖 3 所示，一個好友節(jié)點(diǎn)可以與多個 LPN 建立好友關(guān)系。

圖 3. 顯示朋友節(jié)點(diǎn)和 LPN 關(guān)系的示例

友誼功能允許我們將功率受限的設(shè)備添加到藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。想了解更多關(guān)于藍(lán)牙m(xù)esh中的友誼，請參考這篇文章。

節(jié)點(diǎn)代理功能

代理功能允許節(jié)點(diǎn)充當(dāng)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和不直接支持藍(lán)牙網(wǎng)狀但支持藍(lán)牙低功耗 （BLE）的智能手機(jī)等設(shè)備之間的接口。在藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，有兩種不同的消息傳輸方法：ADV（或廣告）承載和 GATT（或通用屬性）承載，如圖 4 所示。

圖 4. ADV 承載（左）和 GATT 承載（右）概覽。圖片由瑞薩電子提供。

ADV 承載使用 BLE 設(shè)備的廣播狀態(tài)來發(fā)送和接收消息。當(dāng) BLE 設(shè)備發(fā)布廣告時，它會定期發(fā)送數(shù)據(jù)包，這些數(shù)據(jù)包可以被附近的設(shè)備檢測和處理。ADV 承載發(fā)送的消息可以被多個節(jié)點(diǎn)同時接收。此方法用于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的通信，但并非所有可用的智能手機(jī)都支持。ADV 承載基于 BLE 的 GAP（或通用訪問配置文件）并使用一種特殊類型的廣告，稱為不可連接和不可掃描的非定向廣告。

另一方面，GATT 承載在點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)渲邪l(fā)送和接收消息。在這種情況下，需要建立連接。所有支持 BLE 的智能手機(jī)都可以通過 GATT 承載進(jìn)行通信。藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的代理節(jié)點(diǎn)支持使用 GATT 承載和 ADV 承載進(jìn)行通信。換句話說，代理節(jié)點(diǎn)具有在 GATT 和 ADV 承載之間中繼消息的能力，因此可以充當(dāng)不支持藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)但具有 BLE 功能的智能手機(jī)等設(shè)備的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)接口。

代理功能還可用于將支持 BLE 的舊傳感器連接到藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。例如，基于藍(lán)牙 4.0 的舊傳感器可以與具有代理功能的燈泡通信。在這種情況下，燈泡將消息從一個承載傳輸?shù)搅硪粋€承載，以便舊傳感器可以與網(wǎng)絡(luò)通信。