藍牙Mesh組網(wǎng)的原理、優(yōu)勢與應(yīng)用場景

藍?Mesh?絡(luò)使?，依賴于低功耗藍?(BLE)。低功耗藍?技術(shù)是藍?Mesh使用的無線通信協(xié)議棧，藍牙BR/EDR能夠與實現(xiàn)一臺設(shè)備到另一臺設(shè)備的連接和通信，建立“一對一”的關(guān)系，大多數(shù)人所熟悉的“配對”一詞就是這個意思。

藍牙Mesh能夠讓我們建立無線設(shè)備之間的“多對多”（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)圍繞一個稱為路由器的中心網(wǎng)絡(luò)節(jié)點為基礎(chǔ)，所有網(wǎng)絡(luò)流量都通過該節(jié)點。如果路由器不可用，則整個網(wǎng)絡(luò)將不可用。相比之下，藍牙 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)點發(fā)布的消息將被廣播，而不是直接路由到一個或多個特定節(jié)點。所有節(jié)點都接收來自自身無線電范圍內(nèi)的節(jié)點的所有消息，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)點較遠的其他節(jié)點能接收到廣播的消息。

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

泛洪方法：藍牙 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)點定期發(fā)送。心跳消息向網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點指示發(fā)送心跳的節(jié)點仍處于活動狀態(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)點可以根據(jù)到達發(fā)送方所需的跳數(shù)確定發(fā)送方的距離?？梢酝ㄟ^ TTL 字段利用此數(shù)據(jù)。

2、TTL

TTL（生存時間）是所有藍牙 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)點不會中繼太多，從而使節(jié)點可以控制中繼并節(jié)省能量。
心跳消息使節(jié)點可以確定每個發(fā)布的消息的最佳 TTL 值。

3、 Message Cache

消息緩存必須由所有節(jié)點實現(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)點之前已經(jīng)收到和處理過該消息，則立即將其丟棄。

4、 Friendship

藍牙 Mesh 網(wǎng)絡(luò)中最重要的優(yōu)化機制可能是 Friend 節(jié)點和 Low Power 節(jié)點的組合。如所述，F(xiàn)riend 節(jié)點提供消息存儲并將服務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)到關(guān)聯(lián)的 Low Power 節(jié)點。這允許低功耗節(jié)點以高效節(jié)能的方式運行。

遍歷堆棧

接收到消息的節(jié)點將其從底層低功耗藍牙協(xié)議棧通過承載層傳遞到 Mesh 協(xié)議棧，到達網(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?；?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 NetKey 對消息加密。如果接收節(jié)點上的網(wǎng)絡(luò)層無法識別 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 對應(yīng)的 NetKey，則將消息丟棄。
消息被發(fā)送消息的節(jié)點范圍內(nèi)的所有節(jié)點接收，但是當這些節(jié)點所屬的網(wǎng)絡(luò)或子網(wǎng)而明顯與它們無關(guān)時，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，此處的檢查是針對與消息關(guān)聯(lián)的 AppKey，并由 PDU 中的應(yīng)用程序標識符（AID）字段標識。如果此節(jié)點無法識別 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

手機直連：大量的消費電子產(chǎn)品尤其是手機中集成了藍牙的功能，如耳機、音箱、手環(huán)、智能手表、藍牙血糖儀、藍牙燈泡等都具備藍牙功能，因此藍牙能夠提供多品牌更廣泛的互通性。這是藍牙獨特的地方所在，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，同時又確保了藍牙Mesh網(wǎng)絡(luò)的安全性，并且用手機app對各種設(shè)備的控制更加的靈活、直接，大大滿足了用戶體驗感，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。

低功耗：在藍牙Mesh當中有兩種設(shè)備的特性：一個是Friend，一個是Low power node。可以保證節(jié)點的低功耗性能。比ZigBee等協(xié)議的功耗都要低。

廣播技術(shù)用于定位和導航：藍牙廣播技術(shù)在Mesh中也進行了應(yīng)用，基于低功耗藍牙廣播技術(shù)的資產(chǎn)定位，運動軌跡描述和導航等，都是ZigBee所不具備的特點。從實際應(yīng)用場景來看，定位和導航服務(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：低功耗藍牙的廣告模式已成為主動RFID資產(chǎn)跟蹤的一種有吸引力的替代方法。藍牙網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)增加了以前低功耗藍牙廣播范圍的局限性，并為建立藍牙網(wǎng)格資產(chǎn)跟蹤解決方案的應(yīng)用提供了可能性。

樓宇自動化：新的控制和自動化系統(tǒng)，無論它們涉及照明，加熱/冷卻還是安全保護等相關(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。藍牙Mesh網(wǎng)絡(luò)旨在滿足工業(yè)領(lǐng)域的嚴格可靠性，可擴展性和安全性要求。

智能家居：藍牙控制在智能家居系統(tǒng)中擁有得天獨厚的優(yōu)勢。而其低功耗、傳輸快、距離遠等特點更為藍牙技術(shù)在智能家居上的應(yīng)用增分加彩。隨著無線藍牙技術(shù)的進一步發(fā)展，產(chǎn)品規(guī)模的不斷擴大、技術(shù)的日益成熟和價格的下降，藍牙技術(shù)逐漸應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域和家庭中。