藍(lán)牙?技術(shù)將其網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)引入物聯(lián)網(wǎng)
作者： 合力為科技
來源： 物聯(lián)網(wǎng)在線
發(fā)布時(shí)間：2016-12-30 00:00
網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的關(guān)鍵架構(gòu)。諸如IEEE804.15ZigBee之類標(biāo)準(zhǔn)在過去二十年里已在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域成功實(shí)施網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。這意味著網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)均可接收數(shù)據(jù)并向鄰近節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)，因此，僅需增加新節(jié)點(diǎn)即可輕松擴(kuò)張網(wǎng)絡(luò)。這比必須另外采用網(wǎng)關(guān)設(shè)備或接入點(diǎn)更具成本效益，更易于實(shí)施，因?yàn)楹笳哌€通常需要更多的規(guī)劃來避免頻率沖突。??相比之下，藍(lán)牙已從根本上成為一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，用于連接一個(gè)終端（如智
網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的關(guān)鍵架構(gòu)。諸如 IEEE804.15 ZigBee之類標(biāo)準(zhǔn)在過去二十年里已在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域成功實(shí)施網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。這意味著網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)均可接收數(shù)據(jù)并向鄰近節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)，因此，僅需增加新節(jié)點(diǎn)即可輕松擴(kuò)張網(wǎng)絡(luò)。 這比必須另外采用網(wǎng)關(guān)設(shè)備或接入點(diǎn)更具成本效益，更易于實(shí)施，因?yàn)楹笳哌€通常需要更多的規(guī)劃來避免頻率沖突。
相比之下，藍(lán)牙已從根本上成為一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，用于連接一個(gè)終端（如智能手機(jī)）或者接入點(diǎn)（如iBeacon或Eddystone）。同樣，藍(lán)牙技術(shù)在可穿戴領(lǐng)域也大獲成功，可提供返回智能手機(jī)的鏈路，并從智能手機(jī)連接至范圍更廣的互聯(lián)網(wǎng)。這使得藍(lán)牙技術(shù)可以運(yùn)用到一系列在不斷與互聯(lián)網(wǎng)直接連接的應(yīng)用中，同時(shí)也推動(dòng)了對(duì)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的需求。
圖 1將節(jié)點(diǎn)與最近的鄰居連接，可使網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)輕松將藍(lán)牙設(shè)備的覆蓋范圍從一個(gè)房間擴(kuò)大至另一個(gè)房間
最新版4.0或以上的智能藍(lán)牙不僅大幅減少了功耗和建立時(shí)間，而且降低了數(shù)據(jù)速率。這對(duì)于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)很有意義，因?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)中每增加一步，數(shù)據(jù)速率便減半。
不過，某些象Cambridge Silicon Radio這樣的藍(lán)牙專家已在利用藍(lán)牙建立自己的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。CSRmesh是一種針對(duì)低功耗藍(lán)牙設(shè)備的疊加軟件，不僅能使這些設(shè)藍(lán)牙接收消息并根據(jù)所接收消息做出響應(yīng)，而且還能把那些消息轉(zhuǎn)送至周圍的設(shè)備。這將擴(kuò)大智能藍(lán)牙的覆蓋范圍，并為物聯(lián)網(wǎng)提供一個(gè)簡單的自組式網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。
CSRmesh的首批重大開發(fā)成果之一便是與韓國的SK合作完成的。他們開發(fā)出了全球首個(gè)智能 LED燈泡系列，這些燈泡在零售環(huán)境下還可用作智能藍(lán)牙的信標(biāo)。這樣，在一個(gè)商店中即可簡單地為幾乎無數(shù)個(gè)智能燈泡組網(wǎng)并進(jìn)行控制，與此同時(shí)，還可針對(duì)智能手機(jī)用戶展開基于位置的特價(jià)優(yōu)惠服務(wù)。
圖 2：用于智能照明控制應(yīng)用的 CSRmesh開發(fā)板
目前在售的信標(biāo)系統(tǒng)要求在商店地板周圍安裝許多無線傳感器，而這通常是一個(gè)漫長、昂貴且需要不斷維護(hù)的過程。使用CSRmesh方法，不需要徹底檢修建筑的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)即可提供一個(gè)信標(biāo)發(fā)射系統(tǒng)。利用LED智能信標(biāo)，一座建筑的現(xiàn)有照明燈具可實(shí)現(xiàn)全覆蓋，因其在店內(nèi)均勻分布。LED信標(biāo)還把市電作為永久性電源，即服務(wù)提供商無需再管理數(shù)百個(gè)電池供電型設(shè)備。
該系統(tǒng)采用適合現(xiàn)有照明燈具的LED燈泡，且每個(gè)燈泡在網(wǎng)狀網(wǎng)中均與鄰近的燈泡通信。智能燈泡配備預(yù)先經(jīng)過認(rèn)證的模塊，且這些模塊基于CSR1010芯片組和CSRmesh v1.2協(xié)議層，它們具有信標(biāo)能力并提供iOS和安卓手機(jī)支持。
CSRmesh開發(fā)板（圖 2）有助于設(shè)計(jì)人員在標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙軟件頂層執(zhí)行網(wǎng)狀網(wǎng)協(xié)議。這樣，各種消息就可通過一個(gè)簡化平臺(tái)在多個(gè)智能藍(lán)牙設(shè)備之間中轉(zhuǎn)，以方便產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員希望快速進(jìn)行智能藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的原型開發(fā)，以及測(cè)試網(wǎng)狀網(wǎng)實(shí)施能力。
為此，該套件提供了一套完整的工具用于評(píng)估和軟件開發(fā)，包括從開發(fā)板、CSR xIDE軟件開發(fā)環(huán)境、USB編程器和接口電纜、用于開發(fā)板的CSR示例應(yīng)用和主機(jī)示例應(yīng)用，到用于安卓和蘋果 iOS 智能手機(jī)的源代碼。
該開發(fā)板通常由兩節(jié)AA電池供電，也可通過主機(jī)USB連接供電，并且可輕松增加板子以組成更大的網(wǎng)絡(luò)。
所有這些還僅是解決大型空間內(nèi)數(shù)千個(gè)智能藍(lán)牙型信標(biāo)的管理難題的一部分，如采用基于網(wǎng)狀網(wǎng)的智能照明信標(biāo)的體育場(chǎng)。
另一家芯片制造商N(yùn)ordic Semiconductor也在致力于通過利用其超低功耗智能藍(lán)牙設(shè)備建立網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，從而為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供一個(gè)經(jīng)過充分開發(fā)的低成本ULP無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)解決方案。
Wirepas Pino是一種由Wirepas開發(fā)的、用于在Nordic nRF51822藍(lán)牙芯片上運(yùn)行的全自動(dòng)、自主優(yōu)化、多次轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。該協(xié)議棧通過采用一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持高節(jié)點(diǎn)密度，并從理論上支持無限擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模（節(jié)點(diǎn)數(shù)量），這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)持續(xù)進(jìn)行自主優(yōu)化，以平衡節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量并自動(dòng)適應(yīng)其運(yùn)行環(huán)境，如遭遇射頻干擾。
這會(huì)顯著提升網(wǎng)絡(luò)可靠性，從而在某個(gè)節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)通過該故障節(jié)點(diǎn)周圍的其它節(jié)點(diǎn)重新建立通信路徑，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)“愈合”。此外，還能提升網(wǎng)絡(luò)能效、降低所有節(jié)點(diǎn)的功耗，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)會(huì)持續(xù)、自動(dòng)地進(jìn)行自主式重新配置，以便在加入新節(jié)點(diǎn)時(shí)維持最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)性能。
圖 3：芬蘭的 Wirepas 公司設(shè)想的在整個(gè)大型建筑內(nèi)建立藍(lán)牙連接的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)
鑒于所有這些優(yōu)勢(shì)，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)已著手將網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)納入藍(lán)牙規(guī)范，使該標(biāo)準(zhǔn)包含這種功能。這樣，所有通過藍(lán)牙認(rèn)證的設(shè)備便都能添加到網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中。隨著我們家居環(huán)境中智能藍(lán)牙傳感器數(shù)量的激增，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)將成為一個(gè)一體化的元件，用于確保用戶家中支持藍(lán)牙的智能鎖、照明、HABC系統(tǒng)，甚至還有各種家用電器一起工作，進(jìn)而提供一種無縫式智能家庭體驗(yàn)。
智能藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)工作組正在針對(duì)智能藍(lán)牙技術(shù)制定網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)能力標(biāo)準(zhǔn)化架構(gòu)。這一行動(dòng)極受歡迎，已有八十多家會(huì)員公司自愿為該工作組提供服務(wù)，在所有的SIG工作組中，該工作組擁有自愿提供服務(wù)的會(huì)員公司數(shù)量多。
該工作組的會(huì)員公司來自眾多行業(yè)領(lǐng)域，包括汽車、手機(jī)/移動(dòng)、工業(yè)自動(dòng)化、家居自動(dòng)化、消費(fèi)電子和計(jì)算。該工作組的目標(biāo)并非注重某一特定使用案例，而是構(gòu)建一個(gè)所有會(huì)員都可以開發(fā)的公共平臺(tái)。該工作組目前正在評(píng)估許多會(huì)從網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)獲益的用戶方案，包括照明、HVAC控制、資產(chǎn)跟蹤和安防。
一種能夠輕松實(shí)施這類功能的方法便是通過某種模塊，如來自Silicon Labs的BLE113模塊。這種模塊目標(biāo)針對(duì)小型、低功耗傳感器及配件，并集成了智能藍(lán)牙應(yīng)用所需的全部特性，從無線電收發(fā)器、軟件協(xié)議棧和規(guī)范，到電池管理和單極片式天線，應(yīng)有盡有。所以，通過其靈活的硬件接口即可方便地將該模塊納入現(xiàn)有設(shè)計(jì)，并將允許這些設(shè)計(jì)輕松訪問網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。該模塊可采用標(biāo)準(zhǔn)3 V鈕扣電池或兩節(jié)AAA電池供電。在最低功耗休眠模式下，其電流消耗僅500nA，并會(huì)在幾百毫秒內(nèi)喚醒。
圖 4：來自Silicon Labs的BLE113藍(lán)牙模塊
網(wǎng)狀網(wǎng)方法的部分優(yōu)勢(shì)是，它能使用戶幾乎看不到藍(lán)牙設(shè)備的影子。因具有更緊密的集成度，像Dialog Semiconductor的DA14580這樣的智能藍(lán)牙收發(fā)器可以嵌入到設(shè)備中，并自動(dòng)連接在其附近的另一網(wǎng)狀網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)。這為建立、運(yùn)行智能家居和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了一種非常容易的方法。
DA14580為智能藍(lán)牙4.1提供了一個(gè)全集成無線電收發(fā)器和基帶處理器，這種處理器可用作獨(dú)立應(yīng)用處理器或作為托管型系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)泵使用。該收發(fā)器支持靈活的存儲(chǔ)架構(gòu)，以適應(yīng)藍(lán)牙規(guī)范的存儲(chǔ)和應(yīng)用代碼自定義應(yīng)用代碼，所有這些均能夠以無線方式(OTA)更新，并因此便于以后在需要時(shí)實(shí)施網(wǎng)狀網(wǎng)協(xié)議。合格的智能藍(lán)牙協(xié)議棧保存在專門的ROM中，而所有軟件則通過一個(gè)簡單的計(jì)劃程序在16 MHz ARMCortex-M0處理器上運(yùn)行。該器件已針對(duì)低功耗、小體積進(jìn)行了優(yōu)化，可以毫不顯眼地加入設(shè)計(jì)。
智能藍(lán)牙固件包括L2CAP服務(wù)層協(xié)議、安全管理器(SM)、屬性協(xié)議(ATT)、通用規(guī)范(GATT)和通用訪問規(guī)范(GAP)，以及可能包含網(wǎng)狀網(wǎng)實(shí)施的定制規(guī)范。
SIG指出，藍(lán)牙技術(shù)的價(jià)值主張?jiān)谖锫?lián)網(wǎng)中是無與倫比的，消耗的功耗極少，是當(dāng)今成本最低、普及最廣的實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的無線解決方案。將網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)納入藍(lán)牙規(guī)范的關(guān)鍵是將這項(xiàng)技術(shù)推廣到全新的細(xì)分市場(chǎng)領(lǐng)域。
智能網(wǎng)狀網(wǎng)工作組應(yīng)在2015年下半年完成該規(guī)范并進(jìn)入原型測(cè)試階段，SIG希望2016年正式采納該規(guī)范。
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