关于蓝牙网格技术和家居自动化的方案设计解析

2016年蓝牙5.0规范发布，相比之前的标准它具备更高的数据传输速率，并且为引入蓝牙低功耗（BLE）网络功能提供了方便，尤其是那些物联网（IoT）领域应用新需求的功能。就在一年后，即2017年7月31日，采用蓝牙网格技术的设备1.0推出了，实现了基于蓝牙的多对多通信。网格规范支持多达32,767（2的15次方）个节点，这使得其非常适合部署在需要连接大量单个设备的物联网和智能家居应用领域。

面向智能家居应用的蓝牙网格技术

对于智能家居和家居自动化应用，蓝牙网格技术为许多新产品开辟了机会。一个很好的例子就是我们现在可以买到用蓝牙控制的灯泡。消费者可以把家里的几个甚至全部灯泡都换成这种类型的灯泡，蓝牙网格技术负责将这些灯泡分配到不同的组（比如走廊、餐厅、厨房和卧室等）。蓝牙网格技术在家居自动化应用中被成功采用的另一个特性是它兼容低功耗蓝牙（BLE）协议，这使得其能够向后兼容蓝牙4.0，并确保用户可以将其他设备合并到一个蓝牙网格网络中。

蓝牙网格星型拓扑结构

蓝牙网格技术的通信方式不局限于单个网络集线器或星型拓扑，可以通过多个节点发送和转发消息数据。网格网络还支持同时寻址和控制网络中的多个设备。蓝牙网格技术拓展了网络的物理范围，超出了蓝牙实际的距离限制，增加了网络的弹性，并且显著提升了网络扩展部署的能力。蓝牙网格可以持续扩展其覆盖的范围，克服了传统蓝牙设备面临的范围限制。此外，跨网络传递消息意味着不存在单一的故障节点，因此使得整个系统具备自我修复的能力。

网格节点和泛洪（flooding）技术

在蓝牙规范中网格节点分为四种不同的类型：中继、低功耗、友邻和代理（图1）：

图1：蓝牙网格网络包括的所有节点类型：中继、低功耗、友邻和代理（来源：Cypress）

中继节点：这类节点需要始终保持唤醒状态，因此功耗更大一些。其功能是接收和转发跨网络的消息数据包。在照明的例子中，中继节点会由主电源供电，因此不会出现供电的问题。

低功耗节点：这类节点通常采用电池供电，而且大部分时间处于节电的休眠模式。

友邻节点：低功耗节点通常会匹配一个友邻节点。按照规则，这个节点会存储并转发一些数据包。低功耗节点的一个例子就是室外环境光传感器可以在黄昏和黎明时控制室内的照明。

代理节点：这些节点支持非BLE兼容的设备接入到网格网络中，采用的是蓝牙通用属性（GATT）概要接口。

网格网络采用广播到所有（broadcast-to-all）或泛洪（flooding）技术将消息数据包发送到网络中的每个节点，直到确认消息到达目的地。消息可以针对单个节点、节点组或所有节点。例如，可以使用一组寻址消息来打开餐厅内的所有灯，每个灯接收命令时几乎没有延迟。发布和订阅技术可以链接网格网络中的不同节点类型，餐厅里的灯光可以通过网络预设为打开或者关闭，这些命令可以由房间内的照明开关系统发布。

Cypress EZ-BT蓝牙网格评估套件（CYBT-213043-MESH）

对于经验丰富的工程师来说，着手设计一款基于蓝牙网格技术的新产品也不是那么简单的。蓝牙特别技术小组（SIG）发布了一个列表，其中包括很多供应商的模块以及SoC器件，这些已经通过了蓝牙质量认证。除此之外，工程师还面临其他一些问题，比如组件规范、软件技术栈、开发工具和参考设计等。

Cypress的EZ- BT蓝牙网格评估套件（CYBT-213043-MESH）是一个非常完善的设计开发平台，支持蓝牙网格技术的所有功能特性（图2）。这个开发套件包括四个独立的评估板卡，每个都集成了Cypress CYBT-213043-02模块（基于CYW20819器件）、热敏电阻、光传感器和PIR运动传感器。CYW20819是一个超低功耗双模式蓝牙5.0 SoC器件，符合蓝牙网格技术1.0技术规范。这款评估套件是蓝牙低功耗网格功能设计的理想选择，比如传感器节点、照明和智能家居应用等。

图2：Cypress的CYBT-21304-MESH评估套件（来源：Cypress）