Сетка Bluetooth что это такое

Обновлено: 02.07.2024

Во время веб-трансляции, посвященной использованию Bluetooth Mesh для подключения светодиодного освещения в коммерческих зданиях и даже на открытом воздухе, СИМОН СЛУПИК ответил на вопросы аудитории об основных преимуществах сетевой технологической платформы и сравнении рентабельности инвестиций с альтернативами.

Подключенное освещение и Интернет вещей (IoT) были для нас ключевыми темами в последнее время, и мы освещали тенденцию сетевого твердотельного освещения (SSL) в тематических статьях, новостях и веб-трансляциях. Мартовская веб-презентация называлась «Какое самое короткое прошлое у передовых стратегий управления освещением?» В центре внимания была Bluetooth Mesh, и докладчиком был Саймон Слупик, технический директор и соучредитель Silvair и председатель рабочей группы Mesh в Bluetooth SIG (Special Interest Group). Эта презентация вызвала гораздо больше вопросов, чем наш временной интервал в тот день позволил нам ответить, поэтому здесь мы вернемся к паре ключевых вопросов, которые были рассмотрены, и ряду вопросов, которые не были затронуты. Вы по-прежнему можете просматривать исходную презентацию по требованию.

В: Что делает Bluetooth Mesh лучшим вариантом для подключенного освещения по сравнению с Zigbee или другими беспроводными схемами?

Слупик: Есть очень важные причины, по которым мы решили использовать Bluetooth для управления освещением, и почему так много поставщиков переходят на Bluetooth Mesh. Эта технология более надежна, чем любая другая доступная сегодня беспроводная технология. Bluetooth работает с более чем 40 частотными каналами и использует схему скачкообразной перестройки частоты, невосприимчивую к любым помехам. Он хорошо работает в многолюдных средах [зоны с множеством активных беспроводных устройств, использующих различные протоколы].

Другим фундаментальным преимуществом является низкое энергопотребление. Bluetooth Mesh потребляет меньше энергии, чем другие технологии. Это позволяет использовать технологию сбора энергии для питания беспроводных узлов, что приводит к значительному снижению энергопотребления в режиме ожидания в питаемых узлах. Еще одна область, в которой Bluetooth Mesh лучше, — это безопасность. Наконец, Bluetooth предлагает простоту использования, о чем мы не должны забывать. Простота использования определяет, насколько доступной может быть технология, и исходит из того факта, что с технологией можно взаимодействовать с помощью телефона. Вы можете создать приложение, упрощающее ввод в эксплуатацию.

В: Поскольку Mesh не является адресным и является методологией публикации/подписки, есть ли проблема с объемом трафика в сети?

Слупик: С точки зрения масштабируемости он очень хорошо масштабируется. Это на самом деле публикация / подписка и адресация. Адресные режимы используются, например, при настройке отдельных устройств. Для управления освещением в основном речь идет об управлении группой устройств. Редко вы управляете отдельным устройством. Одно сообщение от датчика присутствия может достигать сотен узлов, если это большая комната, например бальный зал в отеле. Еще одна причина, по которой он работает хорошо, заключается в том, что функция управления не централизована; это распределено. Радиотрафик между контроллерами и выходами отсутствует. Контроллер есть на каждом свете, и в основном вы видите только трафик от датчиков. С практической точки зрения вы можете представить себе несколько тысяч устройств в сети.

Есть еще один принцип, улучшающий масштабируемость, — подсети. Вы можете организовать целое здание и разделить его на подсети. Например, каждый этаж может быть отдельной подсетью. Функция подсетей заключается в ограничении трафика. Трафик от датчиков на одном этаже не будет проходить на другие этажи. Тем не менее, все здание может быть подключено к одной сети, а это значит, что у вас может быть один главный выключатель, который при необходимости отключает систему, или у вас может быть одно устройство мониторинга, которое собирает все данные об обслуживании. Сети в диапазоне нескольких сотен устройств очень просты. Сети, насчитывающие 1000 и более узлов, требуют некоторого планирования, но это несложно.

В. Изначально Bluetooth был технологией беспроводной связи малого радиуса действия. Теперь Bluetooth Mesh продвигается как способный покрыть все коммерческое здание. Какова дальность и что требуется, например антенны, для максимальной дальности?

Слупик: Все зависит от используемого оборудования, местоположения и среды. Bluetooth Mesh построен на спецификации Bluetooth Low Energy. В закрытых помещениях, таких как комнаты, дальность радиосвязи будет составлять около 10–15 м. На открытом пространстве, таком как поле на открытом воздухе, диапазон радиосвязи может составлять от 50 до 500 м, в основном в зависимости от конструкции антенны. Ограничения по расстоянию должны быть охарактеризованы и задокументированы производителями приспособлений. Внешняя антенна не обязательна; однако наилучшие характеристики радиосвязи могут быть достигнуты, когда антенна не закрыта и находится в правильном положении.

В: Можно ли использовать Bluetooth Mesh для наружных приложений, таких как управление уличным освещением?

Slupik: Как упоминалось ранее, Bluetooth Mesh основан на Bluetooth Low Energy, который может работать на расстоянии прямой видимости в несколько сотен метров с правильно спроектированными антеннами.Мы считаем, что Bluetooth Mesh может работать вне помещений, но, как всегда, необходимо соблюдать осторожность при разработке компонентов для использования вне помещений. Для управления уличным освещением требуется диапазон, в два раза превышающий расстояние между каждым фонарем, чтобы добиться минимальной избыточности для пакетной ретрансляции в такой линейной конфигурации. Этот тип установки требует правильно спроектированных антенн. Bluetooth лучше работает в более прямоугольных наружных установках, например на парковках, где многопутевая многопутевая доставка обеспечивает надежность системы.

В: Насколько безопасен узел Bluetooth Mesh? Как он борется со сценариями «злоумышленников» и есть ли какие-либо известные уязвимости?

Slupik: Bluetooth Mesh обеспечивает современную безопасность, и безопасность не является дополнительной. Открытый характер спецификации позволил ее анализировать независимым исследователям. Известных уязвимостей протокола нет. Одним из вариантов, который следует рассмотреть разработчикам продукта, является сброс настроек к заводским. Если продукт должен быть установлен во враждебной среде, параметр сброса к заводским настройкам не должен отображаться или должна быть возможность заблокировать его в какой-то момент. Это также может предотвратить кражу устройств, поскольку устройство с заблокированным сбросом к заводским настройкам не может быть подключено к какой-либо другой сети. Поэтому в случае кражи он будет бесполезен.

Bluetooth Mesh — это сеть, управляемая поставщиком. Поставщик имеет средства принудительной аутентификации устройств, которые он подключает к сети, вплоть до проверки цифровых сертификатов производителей. Внедрение строгой политики обеспечения эффективно предотвращает появление любых злоумышленников в качестве узлов сетки. Если такое действующее лицо будет обнаружено после инициализации, может быть использована процедура внесения узла в черный список, чтобы вытеснить его из сети.

Нет известных уязвимостей безопасности. Это было подтверждено несколькими опубликованными научными исследованиями. На сегодняшний день единственная известная проблема связана с конструкцией физического устройства. Устройства не должны использовать незашифрованную внешнюю память для хранения ключей безопасности. В противном случае ключи могут быть получены, когда злоумышленник получит физический доступ к сетевому устройству.

В. В презентации веб-трансляции было подчеркнуто, как Bluetooth Mesh может обеспечить комплексное управление SSL без шлюзов или доступа к облаку. Но что, если кто-то захочет включить удаленный доступ, программное управление сетью, анализ данных и многое другое? Как сети освещения Bluetooth Mesh передают данные в/из интрасети или Интернета?

Slupik: для удаленного доступа к данным необходимо устройство, которое одновременно является частью сети Bluetooth Mesh и подключено к облаку. Этим устройством может быть мобильный телефон с подходящим приложением, которое обеспечивает доступ к данным, которые хранятся в устройствах и могут нечасто передаваться в облако — например, энергопотребление или последний код ошибки. Это устройство также может быть устройством шлюза, которое обеспечивает постоянное соединение между системой освещения Bluetooth Mesh и облаком. Такое расположение обеспечивает более продвинутые функции, такие как аналитика занятости.

В: Можете ли вы улучшить функциональность платформы Bluetooth Mesh? Насколько надежна эта система? Мы видели некоторые установки, в которых узлы неоднократно отключались и неправильно общались друг с другом, что расстраивало конечного пользователя. И хотя стандарт допускает большое количество узлов в сети, что реально?

Slupik: Первая версия спецификации Bluetooth Mesh была разработана специально для профессионального освещения. Он решает множество отраслевых задач, предоставляя все инструменты, необходимые для построения беспроводной системы с такой же надежностью и масштабируемостью, как у проводных сетей. Однако спецификация обеспечивает только основу для беспроводной системы управления. Каждый поставщик встроенного ПО может реализовать эту структуру немного по-своему, поэтому взаимодействие с конечным пользователем может различаться в зависимости от реализации. Но если все сделано правильно, система освещения Bluetooth Mesh работает лучше, чем любое беспроводное решение, которое вы видели раньше. При первом посещении нашего офиса наши партнеры часто не могут поверить, что за всей нашей системой управления из 200 светильников стоит беспроводная связь. Мы слышим, что это выходит за рамки того, что они когда-либо представляли в отношении беспроводного управления. Мы настоятельно рекомендуем вам испытать Bluetooth Mesh и убедиться в этом самостоятельно.

В: Как приложение Silvair для ввода в эксплуатацию обычно выбирает определенные светильники для создания зоны на этапе настройки зоны, если в зоне имеется большое количество светильников?

Slupik: Зоны определяются дизайнером на облачной платформе Silvair или могут быть созданы в мобильном приложении. Затем, при вводе в эксплуатацию, светильники добавляются в каждую зону. Это делается на месте с помощью мобильного приложения. Приложение позволяет импортировать планы этажей и отмечать на них отдельные зоны, что позволяет легко найти эти зоны физически и выбрать нужные устройства, которые следует добавить в данную зону.Кроме того, в приложении есть ползунок, с помощью которого вы можете сузить список доступных устройств до ближайших к вам. Это упрощает и ускоряет ввод в эксплуатацию, когда поблизости находится несколько светильников.

В: Если к каждому светильнику по-прежнему нужно подключать электропитание, стоит ли окупать инвестиции (ROI) в установку беспроводной сети? Окупятся ли вложения просто для того, чтобы получить исключительный уровень контроля и, возможно, обеспечить сбор данных? Как мы, подрядчики, продаем это?

Slupik: квалифицированная система освещения на основе Bluetooth Mesh позволяет вашим клиентам быстро и легко соблюдать нормы энергоэффективности. Кроме того, это также дает им перспективную систему, которая может обеспечить значительную ценность, выходящую далеко за рамки освещения. Взгляните на недавнюю инфографику, опубликованную Bluetooth SIG, чтобы понять, как вы можете продавать это своим клиентам.

Мы много раз слышали, что установленные системы управления освещением не достигают заявленного потенциала, потому что либо стоимость привлечения квалифицированного/сертифицированного установщика слишком высока, либо сотрудник, который изначально был обучен вносить коррективы, уволился из компании, или система является частной, и компания прекратила свою деятельность или прекратила поддержку. Квалифицированная система Bluetooth Mesh экономична в установке. Поскольку для этого не требуется никакой управляющей проводки или центрального контроллера, ввод в эксплуатацию может быть выполнен любым со смартфоном, а в более крупных установках подрядчик может сразу же протестировать систему, не дожидаясь, пока специалист по управлению выполнит ввод в эксплуатацию. Кроме того, это гарантия будущего. Мало того, что Bluetooth SIG заботится о том, чтобы стандарт всегда был обратно совместим, но устройства можно легко обновлять, добавляя дополнительные функции и улучшения с помощью смартфона, что дает опытным подрядчикам потенциальный дополнительный источник дохода.

Познакомьтесь с нашим экспертом

САЙМОН СЛУПИК, технический директор и соучредитель компании Silvair, также возглавляет рабочую группу Mesh в Bluetooth Special Interest Group (SIG) и является автором спецификации модели Mesh, которая закладывает основу для взаимодействия устройств разных производителей. умные системы освещения. Серийный предприниматель с большим инженерным опытом, Слупик позиционирует Silvair как поставщика интеллектуальной платформы управления освещением как услуги, основанной на совместимых и открытых стандартах. Он руководил разработкой ячеистой сети Bluetooth, сделав интеллектуальное освещение основным приложением для этой беспроводной технологии.

Технология Bluetooth ориентирована на беспроводную связь на небольшом расстоянии. Большинству из нас известен стандарт Bluetooth как способ подключения телефона к машине или гарнитуры для работы в режиме громкой связи. Но Bluetooth — это гораздо больше. Первоначально разработанный как замена проводному последовательному соединению, такому как RS-232C, Bluetooth теперь поддерживает почти три десятка различных профилей, включая устройства громкой связи, устройства с интерфейсом пользователя, профиль телефонной книги и многое другое.


В 2010 г. была представлена ​​новая версия Bluetooth (Bluetooth 4.0), известная как Bluetooth Low-Energy (BLE) или Bluetooth Smart. Этот вариант предназначен для устройств с батарейным питанием. Вместо того, чтобы использовать типичное сопряжение устройств, которое сейчас известно как «классический» Bluetooth, BLE больше ориентирован на использование в качестве соединения для Интернета вещей. Возможно его использование в качестве широковещательного датчика (например, температуры, влажности и т. д.) для устройств, не требующих сопряжения.

Стиль сетевого подключения, используемый в классической версии Bluetooth, представляет собой традиционное соединение "точка-точка", похожее на звездообразную модель, известную как топология "звезда". Центральное устройство, например смартфон, может быть сопряжено с потенциально неограниченным количеством устройств, хотя обычно только семь могут быть активны в любой момент времени. Устройства могут общаться только с центральным контроллером, а не напрямую друг с другом. Поэтому концентратор должен ретранслировать трафик сообщений между устройствами, если это необходимо для приложения.

BLE добавила модель "точка-многоточка/трансляция", которая полезна для режима навигационного маяка ближнего действия, например, используемого для поиска определенного магазина в торговом центре. В широковещательном режиме можно отправить одно сообщение большому количеству получателей одновременно. Примером может служить использование смартфона для включения набора светильников с поддержкой Bluetooth и установки их общего цвета и яркости без необходимости индивидуального обращения к каждой лампочке.

Дополнительные улучшения спецификации Bluetooth были выпущены в 2016 году с появлением Bluetooth 5. Это увеличило скорость и расстояние.Одновременно с разработкой Bluetooth 5 была разработана новая модель подключения для BLE, известная как Mesh Profile. Это стиль связи "многие ко многим" с возможностью ретрансляции сообщений с одного устройства на другое для создания гибкой ячеистой топологии с несколькими потенциальными путями между узлами для обеспечения доставки сообщений.


Рисунок 1. Различия в ячеистых протоколах Bluetooth. (Изображение предоставлено Nordic Semiconductor)

Профиль Mesh был выпущен в середине 2017 года и примерно соответствовал доступности новых устройств Bluetooth 5. Поэтому было легко предположить, что Bluetooth Mesh — эксклюзивная функция Bluetooth 5. К счастью, это не так. Сетчатый профиль будет работать в сочетании с устройствами, совместимыми с Bluetooth 4.2, а также с устройствами Bluetooth 5. На момент написания этой статьи количество устройств, поддерживающих сетчатый профиль, все еще несколько ограничено, но это число неуклонно растет. На рис. 1 показано, как модель Bluetooth Mesh вписывается в стандартный стек протоколов BLE. Темно-синяя часть соответствует стандарту BLE, а голубые части — расширениям, специфичным для Bluetooth Mesh.

Особенности модели сетки

Профиль сетки Bluetooth специально разработан для интеллектуального освещения. Существует ряд стандартных универсальных моделей, включая универсальный сервер OnOff (например, включение или выключение света) и универсальный сервер уровней (например, яркость или оттенок света), специально предназначенные для интеллектуального освещения. Несколько других предопределенных универсальных моделей можно комбинировать для создания более специализированных решений.

Узел — это устройство, которое должно быть частью данного сегмента сети. Это означает, что на устройство загружены сетевые ключи шифрования, поэтому оно может обмениваться сообщениями со своими одноранговыми узлами. Для каждого устройства возможно несколько различных наборов ключей шифрования.

С данным устройством может быть связан один или несколько элементов. Элементы можно рассматривать как особенности устройства. Каждое устройство имеет как минимум один элемент (первичный элемент) и может иметь множество вторичных элементов. Например, у лампочки есть первичный элемент, который указывает, включена она или выключена. Лампы с функцией диммера будут иметь вторичный элемент, который может отображать яркость. Если лампочка поддерживает разные цвета, может быть три дополнительных элемента, которые представляют значения красного, зеленого и синего светодиодов в лампочке.

Максимальное количество узлов в любой ячеистой сети Bluetooth составляет 32 767, включая до 4096 подсетей и 65 535 сцен. Подсети позволяют разделить сеть на логические функции, такие как 5-й этаж или 4-й этаж. Сцены представляют собой набор настроек, например, все источники света имеют одинаковую яркость. Одна сцена яркости может быть для случая, когда солнце светит в окна, а другая — для облачного дня.

Благодаря унаследованной технологии BLE устройства с очень низким энергопотреблением, работающие от батарей, могут работать с низким рабочим циклом, чтобы продлить срок службы батареи. В этом случае устройство будет проводить значительное количество времени в спящем режиме. Для облегчения командования и управления этими типами узлов существует функция «друга», которая возможна в определенных устройствах. Это реализует функцию промежуточного хранения для буферизации сообщений на узел с низким энергопотреблением для доставки, когда узел с низким энергопотреблением снова регистрируется в сети. Таким образом, устройство с низким энергопотреблением, по сути, представляет собой «проталкивающее» устройство, которое инициирует передачу сообщений, а затем получает весь ожидающий в это время трафик сообщений от дружественного узла.


Рисунок 2. Типы устройств ячеистой сети. (Изображение предоставлено Эрикссон)

Существует также режим «прокси», который поддерживает инициализацию сети через приложение на смартфоне или планшете. Многие существующие мобильные устройства еще не поддерживают ячеистую модель и поэтому не могут взаимодействовать с ячеистой сетью в ее обычном режиме работы. Однако использование одного из узлов сетки в качестве прокси-сервера BLE Mesh позволяет приложению взаимодействовать с сетью путем ретрансляции сообщений через узел прокси. Это играет важную роль в подготовке устройств и отправке сообщений управления сетью. Различные узлы показаны на рисунке 2.

В отличие от традиционных IP-сетей, Bluetooth Mesh использует модель управляемой лавинной маршрутизации для пересылки сообщений с одного узла на другой. В этой модели сообщения широковещательно передаются каждому узлу в непосредственной близости, а время жизни (TTL) используется для устранения возможных петель маршрутизации. Уменьшая TTL по мере прохождения сообщения каждым узлом, если TTL достигнет нуля, сообщение будет удалено на этом узле.Максимальный TTL, поддерживаемый в Bluetooth Mesh, равен 126.

Модель управления, используемая сеткой, представляет собой архитектуру клиент/сервер со следующими типами элементов: (1) модель сервера, представляющая одно или несколько состояний, которые могут охватывать один или несколько элементов внутри устройства; (2) модель клиента, которая определяет набор сообщений, используемых клиентом для получения, установки или запроса статуса для различных состояний сервера; и (3) модель управления, которая добавляет логику управления для взаимодействия между моделями клиента и сервера.

Сетка Bluetooth взаимодействует с помощью сообщений. Эти сообщения могут поддерживать полезную нагрузку размером до двадцати девяти байтов. Основываясь на размере полезной нагрузки, мы видим, что большая часть полезной нагрузки, вероятно, ориентирована на передачу состояний элементов. Это поддерживается через парадигму публикации/подписки, где устройство — это сервер, а клиент — это действующее лицо, которое получает, устанавливает или запрашивает состояние элементов на серверах. Однако, в отличие от традиционных моделей публикации/подписки, в системе нет брокера сообщений из-за подхода управляемой лавинной маршрутизации сообщений. Все серверы в конечном итоге увидят сообщение, а клиент получит ответы от всех серверов в сегменте сети. Использование механизма подсети позволяет пользователям свести к минимуму нежелательные помехи от несвязанных систем за счет сегментации трафика.

Подготовка устройств и безопасность

Возможно, наиболее сложным процессом в ячеистой сети Bluetooth является инициализация новых устройств. Инициализация — это процесс включения устройства в сеть путем добавления ключей безопасности, настройки подсетей и т. д. Инициализация может выполняться другим узлом в сети или через прокси-сервер, например мобильное устройство, на котором запущено приложение для инициализации.

Общий поток процесса подготовки: (1) отправка маяков (периодическая трансляция), (2) приглашение, (3) обмен открытыми ключами, (4) аутентификация и, наконец, (5) распространение данных подготовки. Новое устройство отправит маяк в поисках приглашения присоединиться к сети. После получения приглашения устройство отправит блок данных протокола возможностей (PDU), который информирует поставщика о количестве элементов на устройстве, наборе алгоритмов безопасности, поддерживаемых устройством, доступности его открытого ключа с использованием вне -полосная технология (OOB), такая как QR или штрих-код, возможность этого устройства выводить значение пользователю и способность устройства разрешать ввод данных пользователем. С помощью этой информации поставщик может определить, как обмениваться ключами безопасности с устройством.

В ячеистой сети Bluetooth безопасность является обязательной. Все сообщения шифруются и аутентифицируются. Если устройство поддерживает это, оно будет использовать эллиптическую кривую Диффи-Хеллмана (ECDH) для установления общего секрета с поставщиком для дальнейшего обмена ключами. В противном случае первоначальный открытый ключ может быть установлен с помощью механизма OOB, такого как использование способности инициализирующего устройства сканировать штрих-код с упаковки неинициализированного устройства. Как только первоначальный общий секрет будет установлен, весь последующий трафик будет зашифрован с помощью симметричного шифра AES-128.

Аутентификация осуществляется посредством безопасного обмена случайными числами, известными как «одноразовые номера». В зависимости от возможностей неинициализированного устройства одноразовый номер может быть сгенерирован инициализирующим устройством и подтвержден на неинициализированном устройстве или наоборот, или и тем, и другим. Затем происходит обмен подтверждениями для проверки правильности одноразовых номеров. После завершения аутентификации фактические данные инициализации могут быть отправлены на новое устройство, и теперь это устройство называется сетевым узлом. Эти данные подготовки включают в себя общий сетевой ключ шифрования, уникальный ключ для каждого устройства, некоторые учетные данные и индивидуальный адрес, который будет сетевым адресом для основного элемента на новом узле. На этом этапе узел подготовлен и может начать обмен данными по сети.

Даже самые лучшие устройства рано или поздно выходят из строя и требуют замены. Когда это происходит, узел может полностью не отвечать, тем самым предотвращая удаление сетевого ключа. Чтобы предотвратить потенциальную атаку «мусорной корзины», когда злоумышленнику каким-то образом удается извлечь сетевой ключ из узла, узел может быть занесен в черный список. Это предотвратит возможность установления соединений с другими узлами в сети. Затем поставщик может инициировать процедуру обновления ключа, в ходе которой создается новый сетевой ключ и распространяется по сети.

Для дальнейшего повышения кибербезопасности каждый PDU содержит поля индекса порядкового номера и вектора инициализации (IV). Узлы будут отклонять любое сообщение с порядковым номером, меньшим, чем порядковый номер последнего правильно принятого правильного сообщения. Индекс IV также должен совпадать с последним полученным хорошим IV. Это предотвращает типичные атаки воспроизведения, которые можно использовать для сброса состояний узлов.

Обзор

Добавление ячеистых сетей добавляет важную коммуникационную парадигму к устройствам BLE.С помощью управляемой маршрутизации лавинной рассылки размер и область действия сети можно легко расширить по мере необходимости.

Одним из многих преимуществ Bluetooth mesh является безопасность. Поскольку безопасность является обязательной, все сетчатые устройства Bluetooth поддерживают шифрование/дешифрование сообщений, а ключи шифрования надежно предоставляются до того, как устройство сможет обмениваться данными по сети.

Наконец, хотя ячеистая модель Bluetooth кажется наиболее подходящей для интеллектуальных зданий, мы обязательно увидим новые варианты использования по мере развития протокола, и пользователи получат возможность увидеть, как он работает. Увеличение числа доступных реализаций стека протоколов также поможет расширить использование сетки Bluetooth в отрасли. Таким образом, несмотря на то, что до сих пор не принято решение о том, насколько успешной будет ячеистая сеть Bluetooth, будущее этой новой технологии действительно выглядит радужным.

Эта статья была написана Майком Андерсоном, техническим директором и главным научным сотрудником The PTR Group, Inc. (Эшберн, Вирджиния). Для получения дополнительной информации посетите здесь .

система промышленного освещения

У ячеистой сети с Bluetooth большое будущее. Воспользовавшись преимуществами существующих систем освещения, вы откроете двери для огромных дополнительных возможностей как для вашего бизнеса, так и для его клиентов.

Хотя в ячеистых сетях нет ничего нового, они только сейчас начинают внедряться в промышленных и коммерческих средах. Bluetooth Mesh предлагает ячеистую сеть с низким энергопотреблением, которая может предоставлять множество разнообразных дополнительных услуг.

Новый тип ячеистой сети

Сетчатая сеть Bluetooth превращает стандартную двухточечную звездообразную сеть Bluetooth в настоящую топологию ячеистой сети. Если у вас есть устройство в пределах досягаемости другого устройства в такой сети, диапазон обоих устройств расширяется. Продолжайте добавлять узлы, и диапазон будет расширяться.

Это захватывающая перспектива для умного дома, поскольку она позволяет пользователям комбинировать устройства с поддержкой Bluetooth от разных поставщиков. Но где он будет иметь огромную ценность, так это в насыщенных датчиками средах производственных предприятий и розничной торговли.

Освещение — идеальный проводник

На фабрике, в аэропорту или в торговом центре освещение есть везде, и самое главное, оно питается от сети. По этим причинам я уверен, что осветительная промышленность станет основной экосистемой для измерения и передачи данных датчиков в коммерческой среде.

После создания сети у вашего бизнеса появляется множество потенциальных преимуществ, как внутренних, так и внешних. Управлять вашей инфраструктурой становится проще, а клиенты также могут извлечь выгоду из возможностей своих смартфонов, взаимодействующих с ячеистой сетью.

Наиболее очевидные преимущества связаны с самой системой освещения. Используя датчики, подключенные к ячеистой сети Bluetooth, систему освещения можно запрограммировать на приглушение света, когда достаточно внешнего освещения или когда в определенной части здания никого нет. Чтобы предотвратить типичный сценарий выключения света посреди важной встречи, сеть может отслеживать как движение, так и наличие смартфонов в комнате.

Снижение затрат на инфраструктуру и обслуживание

Современные офисные помещения гибки, и помещения часто меняют конфигурацию на лету. В то время как перемещение разделительных стен и мебели доставляет хлопот, перенастройка освещения — гораздо более сложный процесс, обычно требующий замены проводки. В сети с ячеистой структурой освещение можно было настраивать удаленно для каждой комнаты. Электрик не требуется!

График технического обслуживания также может повысить эффективность благодаря профилактическому обслуживанию. Обслуживание системы освещения сегодня не выполняется одним дворником, меняющим лампочки по одной. Это больше похоже на годовое обслуживание автомобиля. Зная оставшееся время работы светильника, вы можете отключить питание определенного светильника, чтобы он работал до следующего обслуживания.

Освещение помогает продавать

Цветовая температура меняется в течение срока службы светодиодов, и в некоторых областях, например в розничной торговле, цветовая температура очень важна. Возьмем, к примеру, бриллианты, которые сияют ярче всего при определенной цветовой температуре. Контур обратной связи в системе освещения может автоматически регулировать цвет при старении светодиода.

Несмотря на то, что они имеют разную ценность, одна и та же концепция применяется к фруктам и овощам в супермаркете и к одежде. Вы когда-нибудь покупали предмет одежды, который выглядел блестяще в магазине, но не так хорошо, когда вы брали его домой?

Более комфортная и безопасная среда

Простые датчики, измеряющие уровень CO2, влажность, температуру и т. д., могут повысить оперативность вашей команды по управлению объектами и устранить любые проблемы еще до того, как они будут замечены.Те же самые датчики можно использовать для обнаружения движения, тепла или дыма и, следовательно, действовать как предупреждение системы безопасности или пожарной сигнализации.

Размещая теги активов на ценных предметах, ячеистая сеть Bluetooth может легко найти их или уведомить службу безопасности, если конкретный предмет «на ходу».

Более интерактивный опыт для клиентов

Ячеистая сеть Bluetooth может быть объединена с технологией маяков, чтобы повысить ценность для клиентов.

В простейшем случае Bluetooth-маячки — это устройства, передающие уникальный идентификатор, который может быть получен приемником (обычно это смартфон), который затем выполняет определенное заранее определенное действие. Первоначальные маяки, такие как iBeacon от Apple, являются односторонними коммуникаторами и поэтому привязаны к конкретному приложению.

Новые системы, такие как Eddystone от Google, обеспечивают двустороннюю связь, а также гораздо более функциональные приложения и взаимодействия. Это позволяет реальному миру пользоваться некоторыми преимуществами Интернета, такими как доступ к предыдущим данным клиентов.

Потенциальные области применения этих технологий практически безграничны, но некоторые из самых популярных включают в себя:

  • Картографирование помещений в торговых центрах и аэропортах.
  • Сообщения «Иди к выходу на посадку» в аэропортах
  • Push-сообщения, предлагающие бесплатно попробовать еду, пока люди проходят мимо ресторана.
  • Предложения скидок на основе предыдущих покупок

Ячеистая сеть с поддержкой Bluetooth, встроенная в систему промышленного освещения, является основой для повышения ценности коммерческих сред. Каждый светильник может даже стать маяком, предоставляя дополнительные преимущества для розничной торговли.

Bluetooth существует уже некоторое время. На самом деле, недавно он отметил свое 20-летие!

Стандарт Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE) был введен в 2010 году для решения проблемы быстрого роста вариантов использования в области Интернета вещей (IoT), включая датчики, носимые устройства, медицинские устройства и т. д. с самого начала отсутствовала возможность поддержки топологии «многие ко многим» (часто называемой сеткой), где несколько устройств BLE могут отправлять друг другу сообщения и ретранслировать сообщения на другие устройства в сети.

Все изменилось в июле 2017 года, когда группа Bluetooth SIG выпустила стандарт Bluetooth mesh.

Мы рассмотрим самые важные основы, которые вам необходимо знать, чтобы лучше понять сетку Bluetooth и принципы ее работы. Тема Bluetooth mesh обширна и не может быть раскрыта в одном посте, поэтому мы рассмотрим ее в серии постов в блоге. В сегодняшнем уроке мы рассмотрим следующие аспекты:

  • Основы Bluetooth mesh
  • Терминология:
    • Узлы
    • Элементы
    • Штаты
    • Свойства
    • Сообщения
    • Адреса
    • Опубликовать/подписаться
    • Управляемый флуд

    Но сначала несколько важных замечаний относительно сетки Bluetooth:

    • Bluetooth SIG относится к стандарту Bluetooth mesh (со строчной буквой «m» в слове «mesh»).
    • Этот стандарт не является частью стандарта Core Bluetooth (а определен в отдельной спецификации).
    • Тем не менее, Bluetooth mesh строится на основе BLE и использует многие концепции BLE.
    • Существует два основных состояния, в которых работает устройство BLE: реклама (или сканирование) или подключение. Сетка Bluetooth использует только состояния рекламы/сканирования устройств BLE. Это означает, что устройства, являющиеся частью ячеистой сети Bluetooth, не подключаются друг к другу так, как это делают традиционные устройства BLE. Вместо этого они передают информацию друг другу через рекламные пакеты, которые получают другие устройства через сканирование (однако есть одно исключение, связанное с так называемым прокси-узлом, о котором мы вскоре расскажем).
    • Сетка Bluetooth поддерживает все версии BLE (начиная с Bluetooth версии 4.0, которая является первой версией спецификации Bluetooth, включающей BLE).
    • В настоящее время, на момент написания этой статьи (сентябрь 2018 г.), ячеистая сеть Bluetooth не поддерживает функции Bluetooth 5, такие как рекламные расширения и режим дальнего действия (закодированный PHY).
    • Максимальное количество узлов в ячеистой сети Bluetooth (определенное в версии 1.0 спецификации) составляет 32 767 узлов.
    • Максимальное количество прыжков, которое может пройти сообщение в ячеистой сети Bluetooth (определено в версии 1.0 спецификации), составляет 127 прыжков.

    Что такое Bluetooth Mesh?

    Спецификация Bluetooth mesh была выпущена в июле 2017 года с целью расширения диапазона сетей Bluetooth и добавления поддержки большего количества промышленных приложений, использующих BLE.

    Более ранние версии Bluetooth поддерживали две разные топологии:

    • Один к одному: при подключении двух устройств BLE.
    • Один ко многим: когда устройства BLE работают исключительно в широковещательном состоянии, например маяки.

    В Bluetooth mesh представлена ​​новая топология для BLE. Теперь устройства могут работать в топологии «многие ко многим» или так называемой ячеистой сети, где устройства могут устанавливать соединения с несколькими другими устройствами в сети.

    Изображение топологий Bluetooth

    Рисунок 1. Топологии BLE

    Ячеистая сеть – это топология локальной сети, в которой узлы инфраструктуры (например, мосты, коммутаторы и другие устройства инфраструктуры) напрямую, динамически и неиерархически подключаются к как можно большему количеству других узлов и взаимодействуют друг с другом для эффективно маршрутизировать данные от/к клиентам. Это отсутствие зависимости от одного узла позволяет каждому узлу участвовать в передаче информации. Ячеистые сети динамически самоорганизуются и настраиваются, что может снизить затраты на установку. Возможность самостоятельной настройки обеспечивает динамическое распределение рабочих нагрузок, особенно в случае отказа нескольких узлов. Это, в свою очередь, способствует отказоустойчивости и снижению затрат на обслуживание.

    Ячеистая сеть имеет два основных преимущества:

    • Расширенный диапазон:
      Поскольку узлы могут ретранслировать сообщения на удаленные узлы через узлы между ними, это позволяет сети расширить свой диапазон и увеличить охват устройств.
    • Возможности самовосстановления.
      Под самовосстановлением понимается отсутствие единой точки отказа. Если узел выходит из ячеистой сети, другие узлы все еще могут участвовать и отправлять сообщения друг другу. Однако это лишь частично верно для сетки Bluetooth, поскольку в ней есть разные типы узлов в сети, некоторые из которых могут зависеть от других узлов.

    Сравнение с другими беспроводными ячеистыми сетями

    • Сетка Bluetooth не использует Интернет-протокол (IP) — вместо этого она строится на основе BLE.
    • Сетка Bluetooth использует метод управляемой лавинной рассылки по сравнению с методами маршрутизации, используемыми в других протоколах.
    • Несмотря на то, что сетка Bluetooth основана на BLE и использует торговую марку Bluetooth, на самом деле это новая технология, которая еще не зарекомендовала себя на рынке.
    • Основной упор в текущем стандарте Bluetooth mesh (версия 1.0) сделан на приложения для освещения. Это не означает, что он не может работать для других приложений, просто в настоящее время его проще применить к системам освещения.

    Давайте рассмотрим некоторые из наиболее важных концепций сетки Bluetooth.

    Концепции сетки Bluetooth

    Есть много понятий, которые нам необходимо охватить, чтобы лучше понять, как работает Bluetooth mesh. Мы рассмотрим их все, начиная с этого поста и продолжая в следующих постах этой серии.

    Узлы

    Узел — это устройство, присоединившееся к ячеистой сети Bluetooth. Устройства, которые не являются частью сети, называются неинициализированными устройствами. После инициализации неинициализированное устройство подключается к сети и становится узлом.

    Образ узлов и неинициализированных устройств

    Рисунок 2. Узлы и неинициализированные устройства

    Элементы

    Узел может содержать несколько частей, которыми можно управлять независимо. Например, светильник может содержать несколько лампочек, которые можно включать и выключать независимо друг от друга. Эти разные части одного узла называются элементами.

    Элементы в фигуре узла

    Рисунок 3. Элементы внутри узла

    Состояния

    Элементы могут находиться в различных состояниях, представленных значениями состояния. Например, включено и выключено — это состояния лампочки в осветительном приборе. Переход из одного состояния в другое называется переходом состояния. Это может произойти мгновенно, а может произойти со временем, после так называемого переходного периода. Когда происходит изменение состояния, это может вызвать изменение поведения элемента.

    Некоторые состояния могут быть связаны друг с другом, то есть изменение одного состояния вызывает изменение другого. Может быть два или более состояний, связанных друг с другом. Возьмем, к примеру, диммер: он, скорее всего, будет иметь состояние уровня, а также состояние включения/выключения. Если значение состояния уровня изменится на ноль, это приведет к переходу состояния включения/выключения в состояние выключения. Если значение уровня изменяется с нуля на ненулевое значение, это приводит к переходу состояния включения/выключения в состояние включения.

    Свойства

    Свойства добавляют некоторый контекст к значению состояния. Например, определение того, что значение температуры является наружной или внутренней температурой. Существует два типа свойств:

    • Свойство производителя: доступ только для чтения.
    • Свойство администратора: предоставляет доступ для чтения и записи.

    Сообщения

    В ячеистой сети Bluetooth все коммуникации в сети ориентированы на обмен сообщениями, и узлы отправляют сообщения для управления или передачи информации друг другу. Сообщения — это механизм, с помощью которого вызываются операции над узлами. Если узлу необходимо сообщить о своем статусе, он также отправляет его в виде сообщения. Данный тип сообщения представляет собой операцию над состоянием или набором нескольких значений состояния.

    В сети Bluetooth есть три типа сообщений, каждый из которых определяется уникальным кодом операции (кодом операции):

    • Сообщение GET: сообщение для запроса состояния от одного или нескольких узлов.
    • Сообщение SET: сообщение об изменении значения данного состояния.
    • СООБЩЕНИЕ СОСТОЯНИЯ. Сообщение о состоянии используется в различных сценариях:
      • В ответ на сообщение GET, содержащее значение состояния.
      • В ответ на подтвержденное сообщение SET.
      • Отправляется независимо от любого сообщения, чтобы сообщить о статусе элемента. Одним из примеров является сообщение, которое запускается таймером, работающим на элементе, отправляющем это сообщение.

      Для некоторых сообщений требуется, чтобы получатель исходного сообщения отправил подтверждающее сообщение. Сообщение подтверждения служит двум целям:

      • Подтверждение получения сообщения.
      • Возврат данных, связанных с полученным сообщением.

      В случае, если ответ на сообщение не получен отправителем или получен неожиданный ответ, отправитель может повторно отправить сообщение. Несколько подтвержденных сообщений, полученных узлом, не влияют на поведение (как если бы сообщение было получено один раз).

      Адреса

      Сообщения в ячеистой сети Bluetooth должны отправляться на адрес и с адреса. Существует три типа адресов:

      • Адрес индивидуальной рассылки: адрес, который однозначно идентифицирует отдельный узел, назначенный в процессе подготовки (о котором мы расскажем в следующем посте).
      • Адрес группы: адрес, используемый для идентификации группы узлов. Групповой адрес обычно отражает физическую группировку узлов, например, всех узлов в определенной комнате. Групповой адрес может быть:
        • Определяется Bluetooth SIG, также называемым фиксированным групповым адресом SIG. К ним относятся групповые адреса Все прокси, Все друзья, Все ретрансляторы и Все узлы.
        • Динамический групповой адрес, который задается пользователем с помощью приложения для настройки.

        Опубликовать/подписаться

        Обмен сообщениями в ячеистой сети Bluetooth осуществляется по схеме публикации-подписки. Со страницы Википедии о схеме публикации-подписки:

        В архитектуре программного обеспечения публикация-подписка — это шаблон обмена сообщениями, при котором отправители сообщений, называемые издателями, не программируют сообщения для отправки напрямую конкретным получателям, называемым подписчиками, а вместо этого классифицируют опубликованные сообщения по классам без ведома. из которых подписчики, если таковые имеются, могут быть. Точно так же подписчики проявляют интерес к одному или нескольким классам и получают только те сообщения, которые представляют интерес, не зная, какие издатели, если таковые имеются, существуют.

        Публикация — это действие по отправке сообщения. Подписка — это конфигурация, позволяющая отправлять выбранные сообщения на определенные адреса для обработки. Обычно сообщения адресуются групповым или виртуальным адресам.

        Вот пример ячеистой сети в доме, состоящей из 6 выключателей и 9 лампочек. В сети используется метод публикации-подписки, позволяющий узлам отправлять сообщения друг другу.

        Сетка Bluetooth опубликовать подписку

        Рис. 4. Публикация-подписка в системе управления освещением сетки Bluetooth (Источник: «Bluetooth Mesh — введение для разработчиков»)

        Преимущество использования групповых или виртуальных адресов заключается в том, что добавление или удаление узлов не требует повторной настройки узлов.

        Управляемый флуд

        Многие ячеистые сети используют механизмы маршрутизации для ретрансляции сообщений по сети. Другой крайностью является наводнение сети ретранслируемыми сообщениями без учета оптимальных маршрутов, по которым эти сообщения должны пройти для достижения предполагаемых пунктов назначения. Сетка Bluetooth использует технику, являющуюся компромиссом обеих этих техник. Этот метод называется управляемой лавинной рассылкой.

        Управляемая лавинная рассылка основана на широковещательной рассылке сообщений всем узлам в пределах досягаемости узла-отправителя с некоторыми дополнительными оптимизациями:

        • Узел с низким энергопотреблением или LPN экономит электроэнергию и не может постоянно получать ячеистые сообщения. Этот узел большую часть времени проводит с выключенным радиомодулем.
        • Узел с активным питанием, называемый дружественным узлом, который может служить прокси-сервером для LPN.Дружественный узел кэширует сообщения для LPN для экономии энергии, чтобы LPN мог оставаться в спящем режиме большую часть времени и лишь изредка просыпаться. Когда LPN просыпается, он опрашивает дружественный узел, чтобы прочитать кэшированные сообщения, и отправляет все сообщения, которые ему нужно отправить, в ячеистую сеть.

        В ячеистой сети есть несколько других типов узлов, о которых мы расскажем в следующем посте.

        Обзор

        В этом посте мы рассмотрели основы и некоторые из наиболее важных терминов, связанных с сеткой Bluetooth. В следующих постах этой серии мы рассмотрим другие аспекты Bluetooth mesh, в том числе:

        • Архитектура сетки Bluetooth
        • Типы узлов в ячеистой сети Bluetooth
        • Процесс подготовки
        • Безопасность

        Кроме того, позже мы рассмотрим некоторые практические аспекты Bluetooth mesh и способы их реализации для платформы Nordic nRF52.

        Читайте также: