Projetando com Bluetooth Mesh:Nó de comunicações

A primeira parte desta série de artigos forneceu uma visão geral do Bluetooth Mesh e o nó básico e os tipos de recursos suportados por ele. Esta parte cobre como a comunicação acontece dentro da rede Bluetooth Mesh e vários conceitos que são importantes para entender ao projetar um aplicativo com Bluetooth Mesh.

Comunicação de um nó para outro

Bluetooth Mesh usa uma inundação gerenciada operação para transferir mensagens de um nó para outro. O flood gerenciado é uma implementação de múltiplos caminhos que inclui redundância suficiente para garantir que uma mensagem chegue ao seu destino.

Em uma implementação de inundação básica, cada nó retransmite cegamente todas as mensagens que recebe. A operação de inundação gerenciada do Bluetooth Mesh evita que os dispositivos Mesh retransmitam mensagens recebidas anteriormente, adicionando todas as mensagens a uma lista em cache. Quando uma mensagem é recebida, ela é verificada na lista e ignorada se já estiver presente. Além disso, cada mensagem inclui um valor de tempo de vida (TTL) que limita o número de vezes que uma mensagem pode ser retransmitida na rede. Cada vez que uma mensagem é recebida e retransmitida (até no máximo 126 vezes) por qualquer dispositivo, o valor TTL é diminuído em 1.

A malha Bluetooth implementa uma comunicação baseada em publicação e assinatura abordagem para garantir que diferentes tipos de produtos possam coexistir em uma rede sem serem incomodados por mensagens de dispositivos que eles não precisam ouvir. Um Nó Publicador envia mensagens apenas para nós que se inscreveram no Publicador e atuará nessas mensagens. Um exemplo dessa operação é o uso em diferentes cômodos de sua casa. Cada sala poderia assinar as mensagens dos interruptores de luz específicos para aquela sala. Além disso, as mensagens podem ser unicast, multicast e / ou broadcast, o que significa que uma mensagem pode atingir um, alguns ou todos os nós da rede.

A Figura 1 mostra um exemplo de implementação de comunicação baseada em publicação e assinatura de Bluetooth Mesh usando os kits de avaliação CYBT-213043-MESH. O kit CYBT-213043-MESH usa o módulo CYBT-213043-02 para implementar a comunicação Bluetooth Mesh. Em combinação com o botão do usuário integrado e o LED RGB, as placas de avaliação imitam o Bluetooth Mesh Switch e o Bluetooth Mesh Bulb, respectivamente.

Figura 1. Exemplo de publicação e assinatura de malha Bluetooth para iluminação conectada. (Fonte:Cypress)

Conforme mostrado na figura, o primeiro switch da esquerda publica as mensagens para o grupo Dining room. A primeira e a segunda lâmpadas da direita se inscreveram apenas no grupo Dining Room. No entanto, a terceira lâmpada assinou as mensagens dos grupos Sala de Jantar e Cozinha. Assim, quando o Switch 1 publica as mensagens, as três primeiras lâmpadas (Sala de Jantar e Cozinha) podem ser controladas. No entanto, quando o Switch 2 publica as mensagens, apenas a terceira lâmpada (Cozinha) pode ser controlada.

Arquitetura de nó de malha

Agora, como já discutimos como as mensagens são comunicadas entre os nós, vamos olhar para a arquitetura do nó Bluetooth Mesh no nível funcional e ver o que torna os dispositivos Bluetooth Mesh interoperáveis.

Elementos definir a funcionalidade de um nó. Cada nó tem pelo menos um elemento denominado “Elemento primário”. Por exemplo, uma lâmpada geralmente tem um Elemento. Este elemento expõe as funcionalidades On / Off e controle de brilho do nó. Outro exemplo é uma lâmpada regulável com um sensor de ocupação integrado. Este nó terá dois elementos. O primeiro elemento é usado para a função de iluminação e o segundo para a função de sensor. O elemento primário, neste caso, seria a função de iluminação.

Cada elemento em um nó possui um endereço exclusivo, conhecido como endereço unicast. Isso permite que cada Elemento seja endereçado independentemente de outros Elementos dentro do mesmo nó. A Figura 2 mostra exemplos de ambos os tipos de nós - o primeiro com apenas um elemento e o outro com dois elementos. A Figura 2 também mostra conceitos adicionais que são discutidos nas seções a seguir e como eles estão relacionados na implementação do Bluetooth Mesh.

Figura 2. Nós com um e dois Elementos. (Fonte:Cypress)

Cada nó Bluetooth Mesh usa um ou mais Modelos de malha que definem a funcionalidade de um determinado nó. Os modelos são análogos aos serviços em dispositivos Bluetooth regulares. Existem três tipos de modelos de malha - modelos de cliente, modelos de servidor e modelos de controle (que implementam um cliente e um servidor em um único modelo).

Um modelo de servidor pode ter um ou mais estados abrangendo um ou mais elementos. O modelo de servidor expõe o estado dos elementos do dispositivo que podem ser lidos ou controlados por um nó cliente. Por exemplo, uma lâmpada Bluetooth Mesh usa um modelo de servidor. Nesta aplicação, tanto um On / Off Server ou Light Lightness Server podem ser usados. Um modelo de servidor liga / desliga irá expor o estado atual da lâmpada e alterar o estado com base na entrada do cliente para alternar o estado da lâmpada entre ligada e desligada. Se um servidor Light Lightness for usado, ele permitirá que um cliente leia o estado atual da lâmpada, controle seu brilho e ligue-a ou desligue-a. Outra aplicação do modelo de Servidor seria um nó de sensor que permite apenas ao Cliente ler o estado do sensor, mas não permite que seu estado seja alterado.

Um modelo de cliente permite que outros nós enviem mensagens para solicitar e / ou alterar o estado de um nó de servidor. O exemplo mais comum de um aplicativo com um modelo de cliente é um Bluetooth Mesh Switch. Um Bluetooth Mesh Switch pode usar o modelo On / Off Client. Ele pode solicitar o estado atual de um dispositivo do Servidor ou enviar uma mensagem para alterar o estado para Ligado ou Desligado. Outro exemplo seria um Bluetooth Mesh Dimmer que usa o Level Client. Além dos recursos de um switch, este modelo permite o controle do nível de saída do servidor, como controlar o brilho da lâmpada.

Na maioria dos aplicativos, os modelos de Servidor e Cliente precisam ser usados ​​junto com algum código de controle que atue com base nas mensagens recebidas ou na entrada do usuário. Uma combinação de modelo de Servidor e / ou Cliente e uma lógica de controle resulta em um Modelo de Controle .

Os modelos de malha Bluetooth podem estender a funcionalidade de outros modelos. Esse recurso permite que nós de malha com diferentes recursos sejam controlados pela mesma mensagem.

Vejamos o exemplo de aplicações de iluminação. Uma lâmpada que permite controlar o brilho geralmente usa o modelo Light Lightness Server. Algumas lâmpadas podem usar o modelo de servidor de nível genérico para controlar a potência de saída e, portanto, o brilho. Um Bluetooth Mesh Bulb básico com apenas recursos On / Off provavelmente usaria o modelo On / Off Server. No entanto, o modelo Light Lightness Server estende a funcionalidade do modelo On / Off Server e do modelo Level Server. Isso significa que uma mensagem On / Off enviada por um cliente On / Off controlará o estado de todos os três tipos de lâmpada, independentemente do modelo usado.

As condições de um elemento são armazenadas nos estados . Cada estado é um valor de um certo tipo. Além dos valores, os estados têm comportamentos associados a esse estado. Esses estados são definidos pelo Bluetooth SIG. Por exemplo, um servidor On / Off em uma lâmpada On / Off ou um controlador de sprinkler terá um estado denominado OnOff genérico que pode ter um de dois valores - ON e OFF. Isso é útil para dispositivos como lâmpadas ou controladores de sprinklers. O termo 'Genérico' é usado para indicar que este estado e seus comportamentos podem ser úteis em diferentes tipos de dispositivos de malha.

Você também pode assistir ao vídeo Aprendendo mais sobre Bluetooth Mesh para obter mais informações sobre a comunicação Bluetooth Mesh e como começar a usar um design Bluetooth Mesh.

No próximo capítulo desta série de artigos, exploraremos os recursos de privacidade e segurança do Bluetooth Mesh.