藍(lán)牙Mesh組網(wǎng)的原理、優(yōu)勢與應(yīng)用場景

藍(lán)?Mesh?絡(luò)使?，依賴于低功耗藍(lán)?(BLE)。低功耗藍(lán)?技術(shù)是藍(lán)?Mesh使用的無線通信協(xié)議棧，藍(lán)牙BR/EDR能夠與實(shí)現(xiàn)一臺(tái)設(shè)備到另一臺(tái)設(shè)備的連接和通信，建立“一對(duì)一”的關(guān)系，大多數(shù)人所熟悉的“配對(duì)”一詞就是這個(gè)意思。

藍(lán)牙Mesh能夠讓我們建立無線設(shè)備之間的“多對(duì)多”（m：m）關(guān)系。此外，設(shè)備能夠?qū)?shù)據(jù)中繼到不在初始設(shè)備直接無線電覆蓋范圍內(nèi)的設(shè)備，這樣，Mesh網(wǎng)絡(luò)就能夠跨越非常大的物理區(qū)域，并包含大量設(shè)備。

藍(lán)牙Mesh原理

消息發(fā)布和傳遞：使用 Wi-Fi 的網(wǎng)絡(luò)圍繞一個(gè)稱為路由器的中心網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)，所有網(wǎng)絡(luò)流量都通過該節(jié)點(diǎn)。如果路由器不可用，則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將不可用。相比之下，藍(lán)牙 Mesh 網(wǎng)絡(luò)使用一種稱為管理泛洪的技術(shù)來傳遞消息。由節(jié)點(diǎn)發(fā)布的消息將被廣播，而不是直接路由到一個(gè)或多個(gè)特定節(jié)點(diǎn)。所有節(jié)點(diǎn)都接收來自自身無線電范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)的所有消息，如果配置為這樣做，則將中繼接收到的消息。中繼涉及再次廣播接收到的消息，以便距離原始節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的其他節(jié)點(diǎn)能接收到廣播的消息。

多路徑交付：藍(lán)牙技術(shù)使用管理泛洪的一個(gè)重要后果是，消息會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)中的多條路徑到達(dá)目的地。這形成了高度可靠的網(wǎng)絡(luò)，這是在藍(lán)牙 Mesh 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中選擇使用泛洪方法而非路由的主要原因。

泛洪方法：藍(lán)牙 Mesh 網(wǎng)絡(luò)利用了泛洪方法的優(yōu)勢，并優(yōu)化了其操作，使其既可靠又高效。在藍(lán)牙 Mesh 網(wǎng)絡(luò)中優(yōu)化泛洪工作方式的措施是使用術(shù)語“管理泛洪”的背后。這些措施如下：

1、Heartbeats

心跳消息由節(jié)點(diǎn)定期發(fā)送。心跳消息向網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)指示發(fā)送心跳的節(jié)點(diǎn)仍處于活動(dòng)狀態(tài)。此外，心跳消息還包含數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)使接收節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)到達(dá)發(fā)送方所需的跳數(shù)確定發(fā)送方的距離。可以通過 TTL 字段利用此數(shù)據(jù)。

2、TTL

TTL（生存時(shí)間）是所有藍(lán)牙 Mesh PDU 都包含的字段。它控制中繼的最大跳數(shù)。設(shè)置 TTL 可以確保節(jié)點(diǎn)不會(huì)中繼太多，從而使節(jié)點(diǎn)可以控制中繼并節(jié)省能量。
心跳消息使節(jié)點(diǎn)可以確定每個(gè)發(fā)布的消息的最佳 TTL 值。

3、 Message Cache

消息緩存必須由所有節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。消息緩存包含所有最近收到的消息，如果發(fā)現(xiàn)一條消息存在于消息緩存中，表明該節(jié)點(diǎn)之前已經(jīng)收到和處理過該消息，則立即將其丟棄。

4、 Friendship

藍(lán)牙 Mesh 網(wǎng)絡(luò)中最重要的優(yōu)化機(jī)制可能是 Friend 節(jié)點(diǎn)和 Low Power 節(jié)點(diǎn)的組合。如所述，F(xiàn)riend 節(jié)點(diǎn)提供消息存儲(chǔ)并將服務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)到關(guān)聯(lián)的 Low Power 節(jié)點(diǎn)。這允許低功耗節(jié)點(diǎn)以高效節(jié)能的方式運(yùn)行。

遍歷堆棧

接收到消息的節(jié)點(diǎn)將其從底層低功耗藍(lán)牙協(xié)議棧通過承載層傳遞到 Mesh 協(xié)議棧，到達(dá)網(wǎng)絡(luò)層。
網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用各種檢查來決定是否將消息傳遞到更高的協(xié)議棧棧或?qū)⑵鋪G棄。
此外，PDU 具有網(wǎng)絡(luò) ID 字段，該字段提供了一種快速的方法來確定使用哪個(gè) NetKey 對(duì)消息加密。如果接收節(jié)點(diǎn)上的網(wǎng)絡(luò)層無法識(shí)別 NetKey，則表明它不具有相應(yīng)的 NetKey，不是該子網(wǎng)的成員，因此 PDU 被丟棄。還有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)消息完整性檢查（MIC）字段。如果 MIC 檢查失敗，則使用與 PDU 網(wǎng)絡(luò) ID 對(duì)應(yīng)的 NetKey，則將消息丟棄。
消息被發(fā)送消息的節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)接收，但是當(dāng)這些節(jié)點(diǎn)所屬的網(wǎng)絡(luò)或子網(wǎng)而明顯與它們無關(guān)時(shí)，許多消息將被迅速丟棄。
在上層傳輸層中，沿協(xié)議棧向上應(yīng)用相同的原理。但是，此處的檢查是針對(duì)與消息關(guān)聯(lián)的 AppKey，并由 PDU 中的應(yīng)用程序標(biāo)識(shí)符（AID）字段標(biāo)識(shí)。如果此節(jié)點(diǎn)無法識(shí)別 AID，則 PDU 被上層傳輸層丟棄。如果傳輸消息完整性檢查（TransMIC）失敗，則該消息將被丟棄。

組網(wǎng)優(yōu)勢

手機(jī)直連：大量的消費(fèi)電子產(chǎn)品尤其是手機(jī)中集成了藍(lán)牙的功能，如耳機(jī)、音箱、手環(huán)、智能手表、藍(lán)牙血糖儀、藍(lán)牙燈泡等都具備藍(lán)牙功能，因此藍(lán)牙能夠提供多品牌更廣泛的互通性。這是藍(lán)牙獨(dú)特的地方所在，是ZigBee等所望塵莫及的優(yōu)勢。在配網(wǎng)的過程中，手機(jī)作為管理者的角色，授權(quán)設(shè)備即可連入Mesh網(wǎng)絡(luò)，非常簡便靈活，同時(shí)又確保了藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)的安全性，并且用手機(jī)app對(duì)各種設(shè)備的控制更加的靈活、直接，大大滿足了用戶體驗(yàn)感，而ZigBee必須要連上網(wǎng)關(guān)或類似于網(wǎng)關(guān)的設(shè)備才能接入手機(jī)。

低功耗：在藍(lán)牙Mesh當(dāng)中有兩種設(shè)備的特性：一個(gè)是Friend，一個(gè)是Low power node?？梢员ＷC節(jié)點(diǎn)的低功耗性能。比ZigBee等協(xié)議的功耗都要低。

廣播技術(shù)用于定位和導(dǎo)航：藍(lán)牙廣播技術(shù)在Mesh中也進(jìn)行了應(yīng)用，基于低功耗藍(lán)牙廣播技術(shù)的資產(chǎn)定位，運(yùn)動(dòng)軌跡描述和導(dǎo)航等，都是ZigBee所不具備的特點(diǎn)。從實(shí)際應(yīng)用場景來看，定位和導(dǎo)航服務(wù)在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中迅猛發(fā)展，必然能催生更廣泛的應(yīng)用。

應(yīng)用場景

資產(chǎn)追蹤：低功耗藍(lán)牙的廣告模式已成為主動(dòng)RFID資產(chǎn)跟蹤的一種有吸引力的替代方法。藍(lán)牙網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)增加了以前低功耗藍(lán)牙廣播范圍的局限性，并為建立藍(lán)牙網(wǎng)格資產(chǎn)跟蹤解決方案的應(yīng)用提供了可能性。

樓宇自動(dòng)化：新的控制和自動(dòng)化系統(tǒng)，無論它們涉及照明，加熱/冷卻還是安全保護(hù)等相關(guān)系統(tǒng)，未來的發(fā)展趨勢將更加智能。在智能建筑物中部署B(yǎng)luetoothMesh網(wǎng)絡(luò)后，建筑物中的數(shù)十，數(shù)百或數(shù)千個(gè)無線設(shè)備可以可靠，安全地相互通信并傳輸信息。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork，WSN)市場正在迅速增長，特別是在工業(yè)領(lǐng)域。藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)旨在滿足工業(yè)領(lǐng)域的嚴(yán)格可靠性，可擴(kuò)展性和安全性要求。

智能家居：藍(lán)牙控制在智能家居系統(tǒng)中擁有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。而其低功耗、傳輸快、距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)更為藍(lán)牙技術(shù)在智能家居上的應(yīng)用增分加彩。隨著無線藍(lán)牙技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，產(chǎn)品規(guī)模的不斷擴(kuò)大、技術(shù)的日益成熟和價(jià)格的下降，藍(lán)牙技術(shù)逐漸應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域和家庭中。