Silicon Labs藍牙Mesh應用實例

The application of Silicon Labs’ Bluetooth Mesh

李仁慶（貝能國際有限公司，廣東 廣州 510665）

       摘要：藍牙Mesh標準脫胎于藍牙低功耗（BLE）和網狀協(xié)議，兼有兩種協(xié)議優(yōu)點，又摒棄其缺點，是開發(fā)節(jié)點網絡的選擇之一；Silicon Labs公司推出的藍牙Mesh SDK和支持BT5.0的EFR32BG13系列SoC，讓藍牙Mesh應用變得簡單靈活。
       關鍵詞：藍牙；mesh；照明；拓撲

　　引言

       物聯網發(fā)展如火如荼的今天，怎樣可以聯接大量節(jié)點，又可以適應不同節(jié)點的特點的問題？這不可避免地擺在了所有的業(yè)內人士面前。Zigbee標準已有成熟生態(tài)鏈，但需要有網關，無法跟目前流行的操作終端如手機進行直連成為了短板；在家庭、工業(yè)、商業(yè)都普遍應用的Wi-Fi因功耗大，無法適應各種節(jié)點的特點而只能用在傳輸速度有要求的產品上；入門簡單、成本低的在簡單的智能物聯產品中使用最多，但因其標準化程度不高，無法達到各廠家的產品互聯互通；近期流行的NB-IoT產品因其廣域網特點，在大規(guī)模遠距離節(jié)點網絡中有頗多應用，但功耗和整體成本問題是暫時難以解決的問題。那是否就沒有一種協(xié)議可以完美解決這些問題嗎？
　　有！藍牙技術聯盟于2017年7月19日正式宣布，藍牙（Bluetooth?）技術開始全面支持Mesh網狀網絡（如圖1）。藍牙Mesh標準脫胎于藍牙低功耗（BLE），用于建立多對多設備通信的新網絡。藍牙Mesh標準協(xié)議具有藍牙BLE的特點，也有多對多的網絡拓撲，無需網關同時具備多種應用profile標準，操作簡單，在各種操作終端中普遍配備的優(yōu)點，完全符合節(jié)點網絡的特點；未來利用藍牙beacon信息推送和定位技術，可以實現無連接推送和室內定位功能。

       1 Silicon Labs公司的套件及芯片

       公司提供的藍牙Mesh標準協(xié)議目前已經推出第二版正式SDK，加入了調光、調色功能，標志著藍牙Mesh在Lighting（照明）上的應用更加成熟；也加入了友員節(jié)點、低功耗節(jié)點，低功耗應用的實現也令藍牙Mesh在Lighting領域的產品化成為現實。
　　公 司 在 藍 牙 M e s h 應 用 上 有、EFR32BG系列SoC和BGM系列模塊，其中性價比最高的為EFR32BG13系列，并提供了相應的開發(fā)套件和例程，能大大提高藍牙Mesh產品的開發(fā)速度。該SoC集成了藍牙5.0 2.4 GHz RF硬件，內置PA和巴倫電路，RF外圍器件只需要增加2個電感和1個電容，無需客戶在射頻方面投入不必要的精力。
　　2 在照明領域應用藍牙Mesh實例

       無論是在工業(yè)照明、商業(yè)照明還是在家庭照明中，實際燈的數量和開關的數量都遠遠超過初戰(zhàn)演示，而且照明場景也遠遠復雜過初戰(zhàn)演示。接下來，我們結合案例實現一個應用實例。

　　①根據Silicon Labs公司提供的硬件資料重新制作了合乎產品尺寸的PCB（印制板），由于該SoC在無線方面集成了PA（功率放大器）和巴倫電路，外圍電路相當簡單，基本不需要進行任何硬件調試，一次PCB制作成功率相當高。官方提供的開發(fā)套件為兩個LED，本應用實驗將其擴展為三個LED；官方提供的開發(fā)套件為兩個按鍵，分別完成開關、調光和出廠復位，本應用實驗將其縮減為一個按鍵，采用單方向循環(huán)算法完成開關、調光和出廠復位。
　　②在應用實驗中，我們模擬了一個需要用到50個節(jié)點的照明網絡（如圖2），將其分成4組，其中兩組均為手動模式，為1個開關節(jié)點手動控制9個燈節(jié)點的開關和調光，這個場景是官方演示套裝的加大版本，也是日常照明比較常見的場景；第3組為自動開關場景，2個開關節(jié)點按不同節(jié)拍自動控制25個燈節(jié)點開或關，模擬的是需要自動開關的場景，如路燈自動開啟和熄滅；最后一組為自動轉發(fā)場景，由1個開關節(jié)點和2個帶轉發(fā)功能燈節(jié)點完成，適用于長廊控制場景。
　　下面將在初步實戰(zhàn)和以上硬件基礎上完成軟件應用。
　　③在simplicity studio上建立例程SoC-Mesh Light和SoC-Mesh Switch，生成代碼后可以直接進行編譯，之后進行第一處修改，本應用實驗的LED和引腳進行了改動，而LED是調用了PWM進行控制，所以需要進行引腳分配和PWM配置修改，可以在其他工程中調用硬件配置器進行圖形化修改，生成代碼。由于本應用實驗中改動不大，故直接在源碼中進行修改：

// configure LED pins
GPIO_PinModeSet(BSP_
L E D 0 _ P O R T , ( 5 U ) ,
gpioModePushPull, LED_OFF_
STATE);
GPIO_PinModeSet(BSP_
L E D 0 _ P O R T , ( 6 U ) ,
gpioModePushPull, LED_OFF_
STATE);
GPIO_PinModeSet(BSP_
L E D 0 _ P O R T , ( 7 U ) ,
gpioModePushPull, LED_OFF_STATE);
// configure pushbutton PB4 as inputs, with pull-
up enabled delete PB1
GPIO_PinModeSet(BSP_BUTTON0_PORT, (4U),
gpioModeInputPull, 1);
// configure PWM
TIMER0->ROUTELOC0 = LED0_ROUTELOC |
LED1_ROUTELOC | LED2_ROUTELOC;// add CC2
TIMER0->ROUTEPEN = TIMER_ROUTEPEN_
CC0PEN | TIMER_ROUTEPEN_CC1PEN | TIMER_
ROUTEPEN_CC2PEN;
sInitCC.mode = timerCCModePWM;
TIMER_InitCC(TIMER0, 0, &sInitCC);
TIMER_InitCC(TIMER0, 1, &sInitCC);
TIMER_InitCC(TIMER0, 2, &sInitCC); // add CC2
TIMER_CompareSet(TIMER0, 0, current_level);

TIMER_CompareSet(TIMER0, 1, current_level);
TIMER_CompareSet(TIMER0, 2, current_level); //
add CH2

修改一下出廠復位的觸發(fā)條件：

case gecko_evt_system_boot_id:
// check pushbutton state at startup. If PB4 is
held down then do factory reset
if (GPIO_PinInGet(BSP_BUTTON0_PORT,
BSP_BUTTON0_PIN) == 0){
temp1 = RTCC_CounterGet();
while(GPIO_PinInGet(BSP_BUTTON0_
PORT, BSP_BUTTON0_PIN) == 0){
temp2 = RTCC_CounterGet()-
temp1;
if(temp2>LONG_PRESS_TIME_
TICKS){
t e m p 1 = R T C C _
CounterGet();
LED_set_state(LED_STATE_
PROV);
temp3++;
}
if(temp3>30){
initiate_factory_reset();
break;
}
}

if(temp3<=30){
struct gecko_msg_system_get_bt_
address_rsp_t *pAddr = gecko_cmd_system_get_bt_
address();
set_device_name(&pAddr-
>address);
// Initialize Mesh stack in Node
operation mode, wait for initialized event
result = gecko_cmd_mesh_node_
init()->result;
if (result) {
sprintf(buf, “init failed
(0x%x)”, result);
}
}
}

       ④重新編譯完后，可以燒錄進第一、二組中，按進行組網分組即可完成手動模式的場景。
　?、菰谑謩幽Ｊ交A上修改自動模式的開啟關閉，則變成自動模式的場景：

       //修改按鍵中斷處理即可

void gpioint(uint8_t pin){
if ((pin == BSP_BUTTON0_PIN)&&(enter==0)) {
if (GPIO_PinInGet(BSP_BUTTON0_PORT,
BSP_BUTTON0_PIN) == 0) {
// pressed - record RTCC timestamp
pb0_press = RTCC_CounterGet();
} else {
// released - check if it was short or long press
t_diff = RTCC_CounterGet() - pb0_press;
if (t_diff < LONG_PRESS_TIME_TICKS) {
gecko_external_signal(EXT_
SIGNAL_PB4_SHORT_PRESS);
enter=1;
} else {
gecko_external_signal(EXT_
SIGNAL_PB4_LONG_PRESS);

enter=1;
}
}
}
e l s e i f ( ( p i n = = B S P _ B U T T O N 0 _
PIN)&&(enter==2)) {
enter=0;
}
}

       ⑥重新編譯完后，可以燒錄進第三、四組中，按進行組網分組即可完成自動模式的場景。
　?、咴谧詣幽Ｊ浇M網時，選擇RELAY功能，則具備了轉發(fā)功能，使用電池供電裝置后，可以用在長廊控制場景。
　?、?如 客 戶 需 要 自 己 開 發(fā) 合 適 的 A p p ， 則simplicity studio在上下載到ADK，按應用筆記《an1140-
bluetooth-mesh-for-android-adk.pdf》完成：安裝，新建工程，展開下載到的ADK包，內有jar文件（路徑：C:SiliconLabsSimplicityStudiov4developersdksblemeshv1.3appbluetoothandroid），將符合藍牙Mesh的API接口導入，則可以進行下一步開發(fā)。
　　注意事項如下。
　　①官方提供的App為演示版本，其分組數目只分到4組，但藍牙Mesh標準是這樣描述的：“A groupaddress is a multicast address and can represent multiple elements on one or more nodes. There are 16384 group addresses per mesh network”，是可分多達16384組的，足夠任何場景使用。
　　②同樣，device ID在藍牙Mesh標準里是這樣描述的：“A unicast address is allocated to an element and always represents a single element of a node. There are 32767 unicast addresses per mesh network”，演示版本中只分到250個會重新開始分配。
　　③藍牙Mesh標準支持客戶開發(fā)定制model，在圖形化配置界面里面進行model修改和軟件配置，即可完成。
　　如下是軟件修改：

       //定義IDmodel

my_model_t my_model = {
.elem_index = PRIMARY_ELEMENT,
.vendor_id = MY_VENDOR_ID,
.model_id = MY_MODEL_CLIENT_
ID,
.publish = 1,
.opcodes_len = 6,
.opcodes_data[0] = temperature_
get,
.opcodes_data[1] = temperature_
status,
.opcodes_data[2] = unit_get,
.opcodes_data[3] = unit_set,
.opcodes_data[4] = unit_set_unack,
.opcodes_data[5] = unit_status
};

       3 結論藍牙Mesh標準具有多對多的網絡拓撲，可以滿足節(jié)點網絡里各種節(jié)點的通信需求，無需網關，操作簡單，在各種操作終端中普遍配備的優(yōu)點，配搭無連接推送和室內定位功能，適合開發(fā)節(jié)點網絡。
　　公司推出的藍牙Mesh SDK可以讓藍牙Mesh應用變得非常簡單又靈活，EFR32BG13系列支持BT5.0，是Mesh Update模式的必要條件，故Labs公司的藍牙Mesh方案是開發(fā)藍牙Mesh產品的好選擇。

       參考文獻
       [1]Bluetooth Mesh Mesh Profile / Specification.
       [2]QSG148: Getting Started with the Silicon Labs Bluetooth ? Mesh Lighting Demonstration.
       [3]an1140-bluetooth-mesh-for-android-adk.
       [4]官方教程《Vendor model examples》.
       [5]efr32bg13-datasheet.
       [6]efr32xg13-reference-manual.
       [7]Bluetooth Mesh Networking Customer Friendly, July 2017.

本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第4期第72頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處