Projetando com Bluetooth Mesh:Nós e tipos de recursos

Sem qualquer disputa, o Bluetooth Low Energy (BLE) dominou o espaço da IoT. Aplicativos como casa inteligente, saúde doméstica e rastreamento de ativos se beneficiam muito dos recursos de baixo consumo de energia do BLE. No entanto, a comunicação BLE entre os dispositivos foi limitada a um para um ou um para muitos. Além disso, a implantação de BLE é desafiadora devido ao alcance limitado, especialmente em ambientes como residências, onde alguns dispositivos podem estar escondidos atrás de várias paredes em relação a outros dispositivos. Esses fatores dificultam o controle de toda a casa a partir de um único local.

A comunicação muitos para muitos é necessária para que qualquer nó possa receber mensagens de vários dispositivos e enviar mensagens para vários dispositivos. Por exemplo, considere um grupo de quatro lâmpadas que precisam ser controladas por meio de vários telefones celulares. Eles também precisam ser capazes de receber mensagens do Set de um dimmer e / ou sensor de ocupação. Isso requer comunicações muitos para muitos.

Para que o BLE seja mais útil em aplicativos como casa inteligente, edifícios inteligentes e cidades inteligentes, os desenvolvedores precisam de comunicação muitos para muitos e um mecanismo para estender o alcance, permitindo que alguns dispositivos operem com uma pequena bateria. O Bluetooth Mesh trata dessas questões.

O Bluetooth Mesh está emergindo como uma tecnologia de automação residencial preferida, uma vez que os nós em uma rede Bluetooth Mesh podem ser acessados ​​diretamente de um telefone celular ou tablet sem a necessidade de um gateway. A interoperabilidade é a chave para o sucesso de qualquer implantação de casa inteligente, pois cada casa inteligente pode utilizar produtos de vários fornecedores. Os formatos de mensagem padrão para casos de uso definidos (Modelos) permitem uma implementação rápida e garantia de interoperabilidade com outros produtos BLE Mesh.

Esta série de cinco artigos discute os principais conceitos necessários para entender o Bluetooth Mesh. Ele se concentrará na capacidade de baixo consumo de energia do Bluetooth Mesh, nos recursos de privacidade e segurança e em como selecionar um dispositivo para seu aplicativo de casa inteligente. Este primeiro artigo da série discute os principais elementos de uma rede em malha Bluetooth.

Rede Mesh Bluetooth

Uma rede em malha Bluetooth consiste em nós com vários tipos de recursos. A Figura 1 fornece uma representação de alto nível de uma rede em malha Bluetooth. Como pode ser visto na figura, ele possui nós com os seguintes tipos de recursos:

• Nó / recurso de retransmissão
• Nó de baixa potência (LPN) / recurso
• Nó / recurso de amigo
• Nó / recurso proxy
• Provisionador

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Figura 1:Rede Mesh Bluetooth (Fonte:Cypress)

Cada nó pode suportar um ou mais tipos de recursos. Por exemplo, o nó R + F nesta rede suporta Relé e também o recurso Amigo. Da mesma forma, o nó R + P oferece suporte aos recursos de retransmissão e proxy.

O recurso Relay permite que um nó retransmita mensagens pelo portador de publicidade. Normalmente, cada nó alimentado por parede provavelmente incluirá o recurso Relay, pois eles têm a energia necessária para ouvir continuamente os pacotes de publicidade e retransmiti-los para outros nós. Um exemplo do recurso Relay em uso é uma lâmpada inteligente ou um interruptor de luz alimentado por parede no aplicativo de automação residencial. Por outro lado, é improvável que os nós que operam com baterias pequenas tenham o recurso Relay, pois exige que o Rx esteja ligado continuamente e que o dispositivo ouça os pacotes anunciados. Fazer isso descarregaria a bateria rapidamente.

O recurso Low-Power Node é um dos recursos mais importantes do Bluetooth Mesh. Ao contrário de um nó com o recurso Relay, um nó com o recurso Low-Power Node não precisa ouvir os pacotes anunciados continuamente. Um nó com o recurso Low-Power Node passa a maior parte do tempo no modo de baixo consumo do dispositivo enquanto seu nó Friend coleta mensagens em seu nome. O Nó de baixa energia é ativado em intervalos definidos e executa um ping em seu nó Amigo para verificar se há mensagens pendentes. Após a comunicação com o Friend Node, o Low-Power Node volta ao estado de suspensão de baixa energia. Este é um recurso útil para aplicativos que funcionam com bateria. Aplicativos como nós de sensores em automação residencial, etiquetas de preços em um ponto de venda, etc., podem se beneficiar do recurso Nó de baixo consumo de energia.

Um nó com o recurso Amigo escutará todas as mensagens retransmitidas na rede e destinadas a um nó de baixa potência associado. O nó Friend armazenará essas mensagens e as entregará ao nó Low-Power associado quando o nó Low-Power despertar e consultar o nó Friend. Como o Friend Node precisa armazenar mensagens para um ou mais nós de baixo consumo de energia, o Friend Node pode exigir mais memória do que outros tipos de nó. A quantidade de memória necessária depende da quantidade de dados / comandos necessários para serem armazenados no nó Amigo que serão comunicados ao nó de baixo consumo de energia durante uma operação de polling.

O recurso de proxy permite que dispositivos, como um smartphone ou um gateway Mesh Wi-Fi-Bluetooth, se comuniquem com a rede Mesh. Um nó com o recurso Proxy é o ponto de entrada na rede Mesh para os dispositivos que não suportam diretamente Bluetooth Mesh. Na rede Bluetooth Mesh, as mensagens são retransmitidas pelo portador de publicidade. O recurso Proxy permite que um nó retransmita mensagens entre o GATT (General ATTribute) e os portadores de publicidade. Em uma rede Bluetooth Mesh, vários nós podem suportar o recurso Proxy. Qualquer nó que ofereça suporte ao recurso Proxy pode atuar como interface para um smartphone / PC por meio de uma conexão GATT. Ter vários nós Proxy é uma boa ideia, de forma que, se um nó Proxy ficar inativo, isso não isole toda a rede dos dispositivos Proxy. Esse recurso torna o Bluetooth Mesh mais robusto em comparação com outras tecnologias de malha, como ZigBee.

Em uma rede Mesh Bluetooth, Provisionamento é o processo de adição de um novo nó a uma rede. O provisionamento requer várias etapas para garantir que dispositivos indesejados não sejam provisionados na rede. Um dispositivo não provisionado enviará beacons em um intervalo predeterminado. Um dispositivo de provisionamento iniciará o processo de provisionamento assim que o dispositivo não provisionado for encontrado e selecionado. No exemplo mostrado na Figura 1, o Smartphone e o Tablet agem como os dispositivos de provisionamento na rede.

De acordo com a especificação Bluetooth, nem todos os nós são obrigatórios. Em outras palavras, um dispositivo pode ser qualificado pelo Bluetooth Mesh sem oferecer suporte a todos os tipos de nós / recursos. Mais comumente, os fornecedores de silício não oferecem suporte aos recursos Bluetooth SIG qualificados como Friend e Low Power Node. Isso dificulta o suporte a aplicativos Bluetooth Mesh alimentados por bateria.

Para descobrir quais tipos de Nó / Recurso Bluetooth Mesh são suportados por um dispositivo Bluetooth Mesh, vá para o site Bluetooth SIG e clique em ‘Encontrar um Produto’. Em seguida, insira o produto para o qual deseja saber os tipos de nós / recursos suportados.

Por exemplo, se você deseja procurar por tipos de nós / recursos suportados em um Módulo Cypress Bluetooth Mesh CYBT-413034-02, insira isso na pesquisa de produto e ele mostrará o ID de declaração, QDID, empresa, produtos, nome de especificação e listagem Data do produto. Clique no ID da declaração, ou seja, D040142 neste caso. Esta página fornece a lista de camadas suportadas pelo dispositivo. Lá, clique em ‘Exibir detalhes ICS’. Isso mostrará a lista de camadas de protocolo principais e Perfil e Serviços. Você pode clicar em cada um deles para saber quais recursos são compatíveis. Se o perfil de malha for compatível, ele será listado em Perfis tradicionais.

Agora, clique em MESH (Perfis de malha). Isso fornece a lista de funções e versões e, requisito de função do nó e se o recurso é compatível. Como estávamos procurando por detalhes no CYBT-413043-02, as seguintes capturas de tela do site do Bluetooth SIG mostram que este módulo oferece suporte a funções de Nó e Provisionador, conforme listado em Funções (consulte a Figura 2). Ele também oferece suporte ao recurso de retransmissão, conforme mostrado nos recursos da camada de rede (consulte a Figura 3). Os recursos Friend e Low-Power Node são suportados conforme mostrado nos recursos da camada de transporte superior (consulte a Figura 4). O recurso de proxy é compatível, conforme mostrado em Recurso de proxy (consulte a Figura 5).

Embora este dispositivo suporte todos esses tipos de recursos de nó, é importante notar que, de acordo com os comentários, a maioria desses tipos de nó são opcionais. Por exemplo, os recursos Relay, Friend e Low Power Node são opcionais se o Advertising Bearer for compatível. Mas, para uma rede Bluetooth Mesh eficiente, todos esses tipos de recursos são necessários.

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Figura 2:Funções e versões de um produto específico são mostradas no site da Bluetooth SIG. Nesse caso, o produto oferece suporte às funções de Nó e Provisionador. (Fonte:Cypress)

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Figura 3:O site do Bluetooth SIG também mostra os recursos de função do nó para um produto específico. Nesse caso, o produto oferece suporte ao recurso Relay. (Fonte:Cypress)

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Figura 4:Os recursos Friend e Low-Power Node são suportados por este produto, conforme mostrado nos recursos da Camada de Transporte Superior. (Fonte:Cypress)

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Figura 5:O recurso de proxy é suportado conforme mostrado em Capacidade de proxy. (Fonte:Cypress)

Você também pode assistir ao vídeo Aprendendo mais sobre Bluetooth Mesh para obter mais informações sobre o nó Bluetooth Mesh e tipos de recursos e como começar a usar um design Bluetooth Mesh.

No próximo artigo desta série, falaremos sobre como a comunicação acontece na rede Bluetooth Mesh e vários conceitos, como modelos Mesh, que tornam os produtos interoperáveis ​​em cada segmento de aplicativo.