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(wǎng)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(wǎng)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(guān)鍵詞：藍牙；mesh；照明；拓撲

　　引言

       物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展如火如荼的今天，怎樣可以聯(lián)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(nèi)人士面前。Zigbee標準已有成熟生態(tài)鏈，但需要有網(wǎng)關(guān)，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(chǎn)品上；入門簡單、成本低的在簡單的智能物聯(lián)產(chǎn)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(chǎn)品互聯(lián)互通；近期流行的NB-IoT產(chǎn)品因其廣域網(wǎng)特點，在大規(guī)模遠距離節(jié)點網(wǎng)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(shù)聯(lián)盟于2017年7月19日正式宣布，藍牙（Bluetooth?）技術(shù)開始全面支持Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)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(wǎng)絡。藍牙Mesh標準協(xié)議具有藍牙BLE的特點，也有多對多的網(wǎng)絡拓撲，無需網(wǎng)關(guān)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(wǎng)絡的特點；未來利用藍牙beacon信息推送和定位技術(shù)，可以實現(xiàn)無連接推送和室內(nèi)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(jīng)推出第二版正式SDK，加入了調(diào)光、調(diào)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(xiàn)也令藍牙Mesh在Lighting領(lǐng)域的產(chǎn)品化成為現(xiàn)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(chǎn)品的開發(fā)速度。該SoC集成了藍牙5.0 2.4 GHz RF硬件，內(nèi)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(lǐng)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(shù)量和開關(guān)的數(shù)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(jié)合案例實現(xiàn)一個應用實例。

　?、俑鶕?jù)Silicon Labs公司提供的硬件資料重新制作了合乎產(chǎn)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(diào)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(guān)、調(diào)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(guān)、調(diào)光和出廠復位。
　?、谠趹脤嶒炛?，我們模擬了一個需要用到50個節(jié)點的照明網(wǎng)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(guān)節(jié)點手動控制9個燈節(jié)點的開關(guān)和調(diào)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(guān)場景，2個開關(guān)節(jié)點按不同節(jié)拍自動控制25個燈節(jié)點開或關(guān)，模擬的是需要自動開關(guān)的場景，如路燈自動開啟和熄滅；最后一組為自動轉(zhuǎn)發(fā)場景，由1個開關(guān)節(jié)點和2個帶轉(zhuǎn)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(chǔ)上完成軟件應用。
　?、墼趕implicity 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(diào)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(diào)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(wǎng)分組即可完成手動模式的場景。
　?、菰谑謩幽Ｊ交A(chǔ)上修改自動模式的開啟關(guān)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(wǎng)分組即可完成自動模式的場景。
　?、咴谧詣幽Ｊ浇M網(wǎng)時，選擇RELAY功能，則具備了轉(zhuǎn)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(nèi)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。
　?、俟俜教峁┑腁pp為演示版本，其分組數(shù)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。
　?、谕瑯?，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。
　?、鬯{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(jié)論藍牙Mesh標準具有多對多的網(wǎng)絡拓撲，可以滿足節(jié)點網(wǎng)絡里各種節(jié)點的通信需求，無需網(wǎng)關(guān)，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(nèi)定位功能，適合開發(fā)節(jié)點網(wǎng)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(chǎn)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(chǎn)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