从点对点到mesh,蓝牙的物联网进化之路

蓝牙物联网产品与应用可能很多人还不是很了解,但是做一项通讯技术,相信大多数人都有接触蓝牙产品,比如说智能手机与电脑上面都之处蓝牙连接,还有汽车的扬声器、无线鼠标等等。而蓝牙在物联网领域中的应用则更多的是在城市与工业场景中进行大规模的Mesh网络进行设备的链接。
从点对点到mesh,蓝牙的进化之路
自1994年电子工程师Jaap Haartsen在瑞典为爱立信工作时发明蓝牙技术以来,蓝牙技术已经取得了长足的进步。他认为,这种技术可以替代RS-232数据线。自上世纪60年代以来,RS-232数据线一直是连接电脑和外围设备的标准。
Haartsen使用了ISM频段使 (从2.4 GHz到2.485 GHz),在几米的短距离内发送小而简单的数据包,从而打破了数据线这一标准。
1998年,Haartsen在创建蓝牙特别兴趣小组(SIG)方面发挥了关键作用,该小组类似于3GPP和LoRa Alliance这样的标准制定机构,将蓝牙技术逐渐推广至世界。

使用蓝牙物联网应用实现业务目标
目前市面上有各种各样的连接技术,包括NB-IoT、eMTC、LoRa等等,因此企业在选择使用何种连接技术的时候需要考虑以下几个问题:
首先要明确公司发展IoT的业务目标是什么,只有目标明确,才能进行更好的技术选择。
其次,要考虑公司所处的行业以及用户的物理环境如何,因为连接技术需要因物理环境不同而变动。
然后,就是公司的业务是否有涉及在室内室外都有覆盖。
接着,就是要考虑公司的应用环境是否有现成的电源,或者这些设备需要电池驱动?
最后,就是确定在项目中发送的数据数小数据包还是视频/音频等大数据包。
蓝牙的优势与缺点
蓝牙的技术特点就是低功耗,理论上无限的可扩展性和新兴蓝牙Mesh网络的自组网可靠性,这种特性使得它能够在室内资产跟踪场景非常的合适。
当然,蓝牙也不是万能灵丹妙药,它也有着自身的缺陷,比如说,传输距离短便是一个明显问题,这也限制了它的应用,例如,它不能很好地跟踪港口或石油钻井平台上的水下资产。蓝牙2.4 GHz的信号不能穿透水井。对于需要通过网络发布视频、音频或生物特征信息的安全解决方案来说,蓝牙也是一个糟糕的选择。
蓝牙物联网应用的体系结构
要理解为什么最近蓝牙标准的变化对物联网应用来说意义重大,我们必须首先深入研究蓝牙“堆栈”,“堆栈”本质上意味着协议、流程和应用程序的自底向上分层,其中每个较高的层依赖于下面的层,并以此为基础构建。最新的蓝牙规范IoT-Bluetooth mesh必须在BLE 4.0或者5.0上进行设计。因此,新兴的蓝牙网格堆栈由三个堆栈层组成:核心层、BLE层和顶部的网格层。

蓝牙网格堆栈图
蓝牙拓扑:点对点、广播、Mesh
在过去的24年里,蓝牙的拓扑也在不停的经历着变化,以适应市场的需求,从最初的点对点演化至点对多的广播式再到最新的多对多的Mesh网络。
点对点:就是蓝牙作为两种设备配对的一种方式,比如我们使用的无线鼠标之于电脑就是这种连接。
一对多:蓝牙是一种让一台设备向多台设备广播信息的方式,反之亦然。例如使用一台手机可以在智能扬声器上播放音乐,同时向投影仪投射照片。
多对多:蓝牙是将许多设备连接到其他设备的一种方式,就像在蜘蛛网中一样,示例:将仓库中数百上千个头顶灯相互连接,根据活动和个人喜好自动调暗和点亮灯。

蓝牙拓扑图
从点对点到mesh,蓝牙的进化之路
蓝牙低功耗技术(BLE),蓝牙的重要演进
2009年推出的蓝牙低功耗(Bluetooth Low-Energy 简称BLE)技术为物联网领域的未来应用奠定了基础。BLE是一种主要针对小型物联网应用(如可穿戴设备和广播信标)的规范,这些应用需要设备以最小的功耗发送少量数据。Bluetooth SIG对Bluetooth Classic技术进行了几项更改,以使其在不影响通信范围的情况下减少耗电量,功耗降低了95%到99%(取决于用例)。将消息加密升级到128位AES-CCM(政府级别)。

在上表中,我们可以看到活动节点的数量从7个增加到“无限制”。在这项技术使得蓝牙成为从小型个人应用向大规模可扩展物联网解决方案的转变关键。
蓝牙Mesh:专注于物联网的连接
蓝牙SIG在2017年宣布了“mesh标准”,规范了理论上无限多对多的BLE特性。以前的蓝牙拓扑主要是关于人和事物之间的接口。虽然最终目标仍然是放大人类的潜力,但Mesh拓扑结构基本上是关于事物如何大规模的相互通信。
全方位的连接以及跟可靠的通信
在Mesh网络中,所有节点都充当发射机、中继器和接收机的角色。从它的起源,一个给定的消息从一个节点跳到另一个节点是全方位的,而不是线性的。想象一个蜘蛛网而不是一条高速公路。因此,该拓扑消除了网关故障的问题,因为网格通过在死节点周围推送消息自动“自修复”。网格网络的区域也可以添加或删除,除了配置和状态配置之外没有什么麻烦。因此,拓扑不仅是健壮的,而且是模块化的。
对大量信息进行更高效的管理
使蓝牙网格具有健壮拓扑的许多特性都源于蓝牙SIG对“flooding”技术的改进。flooding类似于互联网的工作方式。当一个给定的mesh节点发布数据时,它通过“flooding”所有直接范围内的节点来完成。这些节点依次淹没了它们所能到达的所有节点,以此类推。而且,由于只有显式地处理或“订阅”节点才能对通过它们的数据进行操作,所以企业可以将每个设备作为中继,而不是依赖网关。
虽然“flooding”听起来效率很低,但是它支持光滑的硬件设计、简单的命令执行和节点之间的短距离跳跃——效率直接转化为低功耗、低单位成本和可伸缩性。“Managed flooding”是BLE网格中使用的flooding的一种改进。它使标准化的Mesh网络在可伸缩的蓝牙物联网应用中更有效地运行。
Managed flooding在Mesh拓扑的具有以下几个技术特性:
每个网格节点定期发出“心跳”,以提醒附近的节点它是活动的,并准备好传递消息。
接收到给定心跳的节点可以计算到心跳原点的距离。当你限制了Mesh网络的“跳数”时,允许网络通过选择消息的最佳生存时间(TTL)值来节省能量。
Mesh可以划分为“子网”,这些子网将大量的消息解析为不同的网络区域,从而在为拓扑增加最小维度复杂性的同时节约能源。
每个节点缓存通过它的每个消息,因此当消息淹没节点时,它知道丢弃而不是中继其缓存包含的任何消息。缓存使节点能够管理信息流,同时保持电路简单和节约能源。
友谊和代理
“友谊”是新的Mesh拓扑结构的一个整洁的特性,它允许它进一步管理大量的消息,同时也节约能源。
即你可以提供一些设备作为低功耗节点(LPNs),另一些设备作为它们的“朋友”。他的朋友通常不受电力限制(也就是说,他们连接的是电网而不是电池)。在没有电源限制的情况下,朋友节点贪婪地监听LPN,并将发送到LPN的消息排成队列,就像语音信箱一样,而LPN则关闭接收器以节省电源。当LPN周期性地醒来时,它可以询问朋友是否有消息存储,在接收器上翻转,并让朋友节点在LPN返回睡眠之前以突发方式发送整个队列。
这允许解决方案提供者利用广播蓝牙拓扑的优点,但在一个灵活的mesh框架内,根据用例的特定数据和电源需求裁剪最终结果。

Mesh拓扑的最后一个令人兴奋的特性是,它可以在没有网格堆栈的情况下与蓝牙设备进行接口和包含。较老的可兼容BLE的设备包括BLE自2009年推出以来售出的数十亿部智能手机。能够使用旧技术与Mesh网络交互的好处是显而易见的。
回想一下,网格堆栈是层在BLE堆栈之上。考虑到所有BLE设备都有一个通用属性(GATT)配置文件。如果你提供一个网格节点作为代理,它将公开一个GATT接口,任何BLE设备都可以通过该接口“连接”Mesh网络并与其节点交互。总之,mesh的代理协议使其向后兼容。
未来将是一个混合的网络
虽然,mesh对于蓝牙来说是一个重要的进步,但是我们还是需要理性看待技术的进步,从目前看来,混合连接也越来越受到重视,爱立信认为,Mesh网络的真正力量可能在于代理协议。
更具体地说,这种能力可能来自于多模技术的、支持ble的设备,这些设备作为“毛细管通道”作用于其他连接模式,例如蜂窝网络。最终结果将是一个混合核心网络。这种混合网络将更具有适应性、模块化和可伸缩性,而不是Mesh网络保持离散和隔离。

当用例需要的时候,为什么未来不应该是混合的呢?
当然,技术的使用还是由应用决定。一些应用将通过单一的连接模式得到最好的服务,但另一些应用可能从混合连接模式中获益,以提高可靠性、扩展性和实用性。未来,物联网的应用也将是多元与混合的,应用场景将会跨越室内室外、山川海洋、城市与农村,所以我们也需要更加集成的物联网方案。

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