編者按：這個由兩部分組成的系列的第1部分詳細介紹了藍牙網(wǎng)格1.0協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)和功能。在這里，第2部分介紹了如何將藍牙網(wǎng)絡(luò)集成到使用芯片和開發(fā)套件的藍牙低功耗設(shè)計中。

藍牙網(wǎng)絡(luò)為流行的短程協(xié)議帶來了顯著的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢。第1部分對此進行了詳細討論。但是，規(guī)范也帶來了新的設(shè)計挑戰(zhàn)，特別是在實現(xiàn)其模型時。

克服這些挑戰(zhàn)的關(guān)鍵在于利用升級的開發(fā)工具來更好地了解藍牙網(wǎng)絡(luò)。本文介紹如何使用選擇的藍牙硬件和軟件，開發(fā)套件（DK）和軟件開發(fā)套件（SDK）來設(shè)置和構(gòu)建藍牙網(wǎng)格應(yīng)用程序。

藍牙網(wǎng)格開發(fā)工具

藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)堆棧包含一個全新的主機層，與BLE主機層共享一些概念，但與其不兼容。早期版本的藍牙網(wǎng)格堆棧現(xiàn)在可用于工程開發(fā)，通常作為SDK的一部分。

由于藍牙網(wǎng)絡(luò)是藍牙核心規(guī)范的補充規(guī)范，因此供應(yīng)商不需要更新其藍牙低功耗（BLE）物理層（PHY）或軟件堆棧來支持它。但是，添加藍牙網(wǎng)絡(luò)要求供應(yīng)商為他們的客戶推出他們自己的堆棧實現(xiàn)。

例如，BLE供應(yīng)商Nordic Semiconductor已經(jīng)推出了Mesh的nRF5 SDK。該套件包括一個藍牙網(wǎng)絡(luò)堆棧，選擇驅(qū)動程序，庫和網(wǎng)格應(yīng)用程序的示例。該SDK的幾個集成開發(fā)環(huán)境（IDE）和編譯器，包括工作SEGGER嵌入式工作室從套件含有Segger微控制器系統(tǒng)和CMake的。

由于藍牙網(wǎng)格兼容所有版本的BLE（即：4.0,4.1,4.2和5），Nordic的網(wǎng)格SDK最終將與其所有BLE芯片一起工作。但是，目前的版本僅適用于該公司最新的nRF52系列BLE解決方案，例如中檔藍牙5兼容nRF52832芯片。

由于BLE PHY或軟件堆棧沒有變化，因此可以在包含目標(biāo)設(shè)備的現(xiàn)有DK上執(zhí)行藍牙網(wǎng)格開發(fā)工作。推薦用于nRF52832的DK是nRF52 DK（圖1）。

圖1：北歐半導(dǎo)體的網(wǎng)格SDK將與包含nRF52832 SoC目標(biāo)器件的nRF52 DK配合使用。（圖片來源：北歐半導(dǎo)體）

網(wǎng)格開發(fā)需要至少三個（最好是更多）設(shè)備來進行通信和模擬網(wǎng)狀環(huán)境。理想情況下，可以使用幾個DK來表示網(wǎng)格中的節(jié)點，但是這具有顯著增加開發(fā)硬件成本的缺點。另一種方法是使用一個DK并購買經(jīng)測試和驗證的BLE模塊（基于目標(biāo)設(shè)備）以形成附加節(jié)點。對于使用Nordic nRF52832進行開發(fā)，Rigado的BMD-300或Laird的BL652-SA-01-T / R是很好的模塊選件。

賽普拉斯半導(dǎo)體對北歐采取了類似的方法。該公司為BCM92073XWICED Smart DK提供藍牙網(wǎng)格SDK，該DKM基于賽普拉斯的BCM20736S藍牙v4.1 PHY。基于此PHY的網(wǎng)格開發(fā)工作的合適BLE模塊包括Inventek的ISM20736S。

了解模型

北歐和賽普拉斯的硬件，軟件和開發(fā)工具均附有示例和教程，以指導(dǎo)開發(fā)人員完成構(gòu)建簡單的藍牙網(wǎng)格應(yīng)用程序的步驟。但是在開始第一個設(shè)計之前，它有助于貫穿相關(guān)教程，以了解藍牙網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)的獨特特性，因為它對設(shè)計過程有重大影響。

這些教程強調(diào)，盡管藍牙網(wǎng)格節(jié)點有四種通用類型（參見這兩部分系列文章的第1部分），但每種類型的功能都取決于其模型。了解模型是充分利用藍牙網(wǎng)絡(luò)功能的關(guān)鍵。

藍牙網(wǎng)格提供了構(gòu)建新型網(wǎng)格應(yīng)用所需的靈活性，因為開發(fā)人員可以構(gòu)建模型，使設(shè)備具有許多自定義行為。模型定義了所需的狀態(tài)，作用于這些狀態(tài)的消息以及相關(guān)的行為。所有通過網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的通信都通過消息來促進。

狀態(tài)是表示元素狀態(tài)的值。元素是設(shè)備或節(jié)點的可尋址實體。每個設(shè)備至少有一個（主要）元素，并可能有一個或多個次要元素。元素的數(shù)量和結(jié)構(gòu)在整個節(jié)點的生命周期中都不會改變。“暴露”狀態(tài)的元素稱為服務(wù)器。元素“訪問”狀態(tài)被稱為客戶端。

重要的是，模型有三種類型;服務(wù)器，客戶端和控制。服務(wù)器模型由跨越一個或多個元素的一個或多個狀態(tài)組成。它定義了一組可發(fā)送或接收的強制性消息，發(fā)送和接收消息時的元素行為以及發(fā)送或接收消息后發(fā)生的任何其他行為。

客戶端模型定義了一組客戶端用于請求，更改或“消耗”相應(yīng)服務(wù)器狀態(tài)的消息，如服務(wù)器模型所定義的。客戶端模型沒有狀態(tài)。

控制模型可以結(jié)合客戶端模型功能（與其他服務(wù)器模型進行通信）和服務(wù)器模型功能（與其他客戶端模型進行通信）。控制模型還可能包含控制邏輯 - 一組規(guī)則和行為，用于協(xié)調(diào)控制模型與控制模型連接的其他模型之間的交互作用（圖2）。

圖2：所示為實現(xiàn)控制模型的藍牙網(wǎng)狀設(shè)備的元件模型結(jié)構(gòu)。設(shè)備C可以作為客戶端（分別為消息X，Y和Z以及消息R，S和T）與客戶端模型（在設(shè)備D內(nèi)）作為服務(wù)器與服務(wù)器模型（設(shè)備A和B內(nèi)）進行通信（支持消息A，B和C）。（圖片來源：藍牙SIG）

為了說明模型在實際應(yīng)用中的用途，考慮一個電源板，它包括兩個獨立的電源插座，每個電源插座都能夠控制功率輸出，并集成一個BLE收音機，從而允許連接藍牙網(wǎng)絡(luò)。

該設(shè)備（電源板）具有兩個代表兩個電源插座的元件。每個元素的功能由通用功率級別服務(wù)器模型定義，該模型定義服務(wù)器上的一組狀態(tài)，以及一組對這些狀態(tài)進行操作的消息。通用功率電平設(shè)置消息可以被發(fā)送到設(shè)備以控制輸出功率。該消息被發(fā)送到一個套接字的元素。

套接字也可以由實現(xiàn)通用級客戶端模型的通用設(shè)備（如調(diào)光器）控制。該模型將期望水平設(shè)置為零，最大值或兩者之間的值。通過狀態(tài)綁定來控制插座的電源。在每個電源插座中，通用電源實際狀態(tài)都綁定到通用電平狀態(tài)。通用級客戶端將通用級消息發(fā)送到通用級服務(wù)器。通用級別狀態(tài)發(fā)生改變，反過來（通過已定義的綁定）改變控制功率輸出的通用功率實際狀態(tài)。

因為元素可以報告狀態(tài)，所以每個套接字可以報告功率水平以及插入插座的設(shè)備的能量消耗。使用Sensor Server模型定義的消息報告能耗。

構(gòu)建藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

假設(shè)開發(fā)人員已經(jīng)對藍牙網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)和BLE開發(fā)有所了解（請參閱Digi-Key文章：“藍牙4.1,4.2和5兼容的藍牙低功耗SoC和工具滿足IoT挑戰(zhàn)”以了解關(guān)于通用BLE設(shè)計的更多信息），并配備藍牙網(wǎng)格SDK，主機SDK，DK和附加模塊或DK來建立網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)人員可以相對輕松地配置藍牙網(wǎng)格實現(xiàn)。

第一步是構(gòu)建網(wǎng)格堆棧。在北歐的情況下，堆棧是使用選定的IDE構(gòu)建的。例如，使用SEGGER Embedded Studio，通過使用Bluetooth mesh SDK中包含的一個示例（例如“l(fā)ight switch”示例）和使用IDE進行編譯來構(gòu)建堆棧。

然后，DK上的目標(biāo)PHY被擦除，并用編譯的藍牙網(wǎng)格堆棧和BLE堆棧重新編程。一旦堆棧被編程和驗證，SDK就可以用來設(shè)置和建立網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

配置：Nordic的開發(fā)工具包括配置應(yīng)用程序編程接口（API），用于將新設(shè)備添加到網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。供應(yīng)由供應(yīng)商（已經(jīng)連接到網(wǎng)絡(luò)并且先前為供應(yīng)任務(wù)配置的設(shè)備）處理，用于向新設(shè)備提供他們需要加入網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)所需的信息。最初，設(shè)備提供了一個網(wǎng)絡(luò)密鑰，一個地址和一個設(shè)備密鑰，用于在配置之后建立用于配置的安全通道。

API允許開發(fā)人員開始監(jiān)聽在BLE的三個廣告頻道中的一個上發(fā)送的未提供（或供應(yīng)商 - 要添加到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備）節(jié)點的廣播信標(biāo)。藍牙網(wǎng)格使用BLE的廣告通道而不是37個全帶寬數(shù)據(jù)通道傳輸和接收消息。通道上的入局鏈接請求將被自動接受。

鏈接建立后，使用帶外（OOB）方法對其進行身份驗證，以確保加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備是預(yù)期的目標(biāo)。使用OOB方法可以減少設(shè)備監(jiān)聽BLE頻譜分配的“中間人”攻擊機會。API事件然后為設(shè)備提供配置數(shù)據(jù)和設(shè)備密鑰。

配置：Nordic的“燈開關(guān)”應(yīng)用程序（包含在SDK中）顯示了如何開發(fā)具有供應(yīng)者和供應(yīng)者角色的應(yīng)用程序。在演示中，一個燈開關(guān)客戶端模型（開關(guān)）是供應(yīng)商，燈開關(guān)服務(wù)器模型（燈泡）是供應(yīng)商。

Nordic的例子充分利用了藍牙網(wǎng)絡(luò)規(guī)范中最簡單的服務(wù)器是Generic OnOff服務(wù)器的事實，表示服務(wù)器處于開啟或關(guān)閉狀態(tài)。例如，最簡單的客戶端是通用OnOff客戶端，它能夠通過通用OnOff模型定義的消息來控制通用OnOff服務(wù)器。

當(dāng)此服務(wù)器模型從客戶端模型接收到GET或（可靠）SET消息時，它將發(fā)送OnOff狀態(tài)的當(dāng)前值作為響應(yīng)。這可以使客戶端了解服務(wù)器狀態(tài)（圖3）。

Name定義操作碼描述參數(shù)參數(shù)大小組SIMPLE_ON_OFF_OPCODE_SET0xc1設(shè)置當(dāng)前的開/關(guān)狀態(tài)新的狀態(tài)1個字節(jié)得到SIMPLE_ON_OFF_OPCODE_GET為0xC2獲取當(dāng)前的開/關(guān)狀態(tài)N / A沒有參數(shù)SET不可靠SIMPLE_ON_OFF_OPCODE_SET_UNRELIABLE0xc3設(shè)置當(dāng)前的開/關(guān)狀態(tài)新的狀態(tài)1個字節(jié)狀態(tài)SIMPLE_ON_OFF_OPCODE_STATUS0xc4包含當(dāng)前狀態(tài)當(dāng)前狀態(tài)1個字節(jié)

圖3：通用OnOff模型支持的消息和ATT操作碼。（圖片來源：北歐半導(dǎo)體）

配置服務(wù)器用于表示設(shè)備的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)配置，并且是藍牙網(wǎng)狀節(jié)點的強制要求。配置服務(wù)器處理與配置客戶端（由配置器控制）的通信以及來自配置客戶端的指令。

配置完成后開始配置。供應(yīng)商讀取供應(yīng)商的組成數(shù)據(jù)以識別設(shè)備的元數(shù)據(jù)以及哪些模型綁定到設(shè)備中的元素。接下來，將應(yīng)用程序和/或網(wǎng)絡(luò)密鑰添加并綁定到不同的模型（圖4）。

圖4：nRF5 SDK for Mesh的配置和配置流程圖。“nrf_mesh ...”標(biāo)注是API函數(shù)。（圖片來源：北歐半導(dǎo)體）

向網(wǎng)絡(luò)添加更多設(shè)備僅僅是為每個新節(jié)點重復(fù)供應(yīng)和配置過程的情況。

發(fā)布和訂閱：設(shè)置和構(gòu)建初始應(yīng)用程序的最后階段是配置模型的發(fā)布狀態(tài)。例如，用于發(fā)布狀態(tài)事件的地址，使用什么密鑰，使用什么“生存時間”（TTL）值，以及設(shè)置訂閱。

消息在從每個模型的發(fā)布地址發(fā)布時發(fā)送。例如，通過傳感器節(jié)點定期報告數(shù)據(jù)來使用發(fā)布。消息只能發(fā)布一次或重復(fù)發(fā)送，并發(fā)送到單播，組或虛擬地址（請參閱本文的第1部分）。客戶機模型也使用發(fā)布向服務(wù)器模型發(fā)送消息。

發(fā)布相關(guān)狀態(tài)的配置通常由配置者通過配置模型來控制。

使用Nordic SDK時，使用“access_model_publish（）”API函數(shù)發(fā)布消息，該函數(shù)將根據(jù)發(fā)布模型的發(fā)布設(shè)置（間隔，目標(biāo)）發(fā)布消息。

訂閱允許模型監(jiān)聽來自特定地址的傳入消息。例如，這可用于偵聽從傳感器節(jié)點發(fā)布的周期性消息。Nordic SDK允許模型通過使用“access_model_subscription_list_alloc（）”API函數(shù)分配預(yù)訂列表來預(yù)訂地址。

請注意，使用客戶端模型時，不需要訂閱發(fā)送消息的地址以接收對這些消息的回復(fù)。訂閱僅用于接收來自節(jié)點的未經(jīng)請求的消息。

在開發(fā)過程中，將非藍牙網(wǎng)格功能的設(shè)備連接到藍牙網(wǎng)格可能會有所幫助。一個例子可能是開發(fā)人員希望用來控制原型智能照明網(wǎng)格應(yīng)用的智能手機。手機和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)之間的互動是通過藍牙堆棧中的智能電話和節(jié)點設(shè)備的通用屬性配置文件（GATT）接口實現(xiàn)的，而不是藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)堆棧。

結(jié)論

藍牙網(wǎng)格為BLE應(yīng)用程序增加了新功能。然而，由于它不是原始核心規(guī)范的一部分，網(wǎng)格的采用已經(jīng)引入了一些折衷并增加了設(shè)計過程的一些復(fù)雜性。熟悉使用藍牙協(xié)議棧進行設(shè)計的開發(fā)人員對那些沒有知識的人來說是一個優(yōu)勢，但即使對于經(jīng)驗豐富的工程師來說，實現(xiàn)藍牙網(wǎng)絡(luò)也需要學(xué)習(xí)一種新的體系結(jié)構(gòu)并了解它的細微差別，例如狀態(tài)，元素和模型。

通過與Nordic半導(dǎo)體或賽普拉斯半導(dǎo)體等供應(yīng)商合作，可以緩解設(shè)計挑戰(zhàn)。這些供應(yīng)商現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)布了藍牙網(wǎng)格堆棧，以補充他們成熟的BLE解決方案。該堆棧附帶有專門設(shè)計的軟件開發(fā)工具包，可讓開發(fā)人員使用他們熟悉的芯片，固件和設(shè)計工具加速設(shè)計藍牙網(wǎng)格應(yīng)用程序的學(xué)習(xí)過程。

參考

1. “Mesh Profile”，藍牙規(guī)范v1.0，藍牙SIG，2017年7月。