Cos'è Bluetooth Mesh e come funziona

Bluetooth Mesh è una vera innovazione del BLE, in competizione con le tecnologie Zigbee e Thread, compatibili con la tecnologia mesh. Ciò è essenzialmente reso possibile dall'interconnessione di nodi. Questi nodi agiscono come punti in una rete decentralizzata, condividendo dati ed estendendo la portata e le capacità della rete. Agli albori del Bluetooth Mesh, si nutrivano aspettative su quanto questa nuova tecnologia mesh sarebbe stata adottata, proiezioni formulate solo dopo il lancio del BLE Mesh nel 2017. Molti parlavano di "reti mesh BLE" che sarebbero diventate realtà nel giro di pochi anni. Nonostante il suo potenziale, non ha registrato la crescita esponenziale registrata in altre tecnologie BLE. 

Che cos'è la tecnologia Bluetooth mesh

Bluetooth Mesh è la combinazione di Bluetooth con la rete mesh.

Una rete mesh, nota anche come "rete multi-hop", è una topologia di rete. In una rete mesh, i dati possono viaggiare da qualsiasi dispositivo a tutti gli altri, realizzando una comunicazione molti-a-molti. Anche se un dispositivo si guasta, la rete continua a funzionare.

Bluetooth Mesh utilizza Bluetooth Low Energy, presente con Bluetooth 4.0. Nel 2017 è stata rilasciata la versione ufficiale Bluetooth Mesh 1.0 (a tutt'oggi la più recente). È importante chiarire che BLE Mesh non è una nuova tecnologia di comunicazione wireless, ma una tecnologia di rete. Utilizza e si basa su BLE e sul suo stack di protocolli di comunicazione.

Le reti mesh Bluetooth utilizzano il flooding gestito. I dispositivi possono comunicare in modalità uno-a-uno, uno-a-molti o molti-a-molti. Utilizzando il protocollo BLE per la comunicazione tra diversi nodi di rete, si crea una rete senza zone morte. Tutto ciò consente ai messaggi di viaggiare più lontano rispetto al Bluetooth tradizionale.

Come funziona la rete Bluetooth mesh

A differenza delle tradizionali connessioni uno a uno, la rete mesh Bluetooth crea una rete in cui i messaggi possono passare da un dispositivo all'altro fino a raggiungere la destinazione. Tra due nodi di dispositivi possono esistere uno o più percorsi. La rete mesh BLE funziona trasmettendo i messaggi a tutti i nodi vicini, che a loro volta li inoltrano. Questo processo continua fino a quando il messaggio non raggiunge la destinazione prevista.

Questo "flood gestito" garantisce che i messaggi raggiungano i destinatari anche se alcuni dispositivi sono fuori portata o spenti. I dispositivi possono pubblicare messaggi a indirizzi specifici e altri possono iscriversi per riceverli. Questo schema di pubblicazione-iscrizione consente una comunicazione di gruppo efficiente.

Le basi di Rete Bluetooth internazionale

Dopo aver compreso il funzionamento della rete mesh Bluetooth, è importante comprendere alcuni termini e concetti tecnici chiave di questa tecnologia. Analizziamone alcuni:

• Nodes: Quando un dispositivo Bluetooth si unisce a una rete Bluetooth Mesh, diventa un "nodo". Il nodo è un partecipante alla rete mesh BLE.
• Elementi: Ogni nodo è composto da uno o più "elementi". Un elemento è come un'unità funzionale all'interno del nodo. Ogni nodo ha almeno un elemento, ma può avere più elementi se svolge diverse funzioni.
• Modelli: Gli elementi contengono "modelli", che definiscono comportamenti o servizi specifici del nodo. I modelli hanno numeri ID univoci e determinano le funzionalità di un nodo. Esistono modelli standard definiti dal Bluetooth SIG che coprono molti scenari comuni.
• Messaggio:Quando i messaggi vengono inviati tra nodi, vengono filtrati in base agli elementi e ai modelli corrispondenti.
• Indirizzi: Gli indirizzi vengono utilizzati per identificare la fonte e la destinazione dei messaggi.

Tipi di nodi:

In una rete mesh Bluetooth sono presenti diversi tipi di nodi, ognuno con ruoli specifici:

• Nodi di relè: I messaggi vengono inviati ai nodi nel raggio d'azione radio diretto del nodo di pubblicazione. Alcuni nodi fungono da "relè". I relè ritrasmettono i messaggi in modo che possano viaggiare più lontano, in un certo numero di "salti".
• Nodi amici e nodi a bassa potenza: Le LPN sono fortemente limitate dal punto di vista energetico. Per evitare di dover mantenere un duty cycle più elevato per la ricezione dei messaggi, una LPN si associa a un nodo amico. I nodi amici memorizzano i messaggi per le proprie LPN e li inoltrano quando la LPN esegue occasionalmente il polling.
• Nodi proxy:I dispositivi Bluetooth a basso consumo energetico, come gli smartphone, possono connettersi a una rete mesh tramite un nodo proxy.

Per conoscere concetti più fondamentali, puoi fare riferimento a Glossario della rete mesh Bluetooth.

L'architettura del sistema mesh BLE

L'architettura del protocollo BLE Mesh è composta da sette livelli, basati sulle specifiche di base BLE con cui avete già familiarità. Tuttavia, aggiunge sofisticate funzionalità di livello superiore per creare una rete di dispositivi interconnessi. BLE Mesh si basa sulla disponibilità dello stack di protocollo BLE.

Dal basso verso l'alto, gli strati sono i seguenti:

1. Strato portante
2. Livello di rete
3. Livello di trasporto inferiore
4. Strato di trasporto superiore
5. Livello di accesso
6. Livello modello
7. Livello dell'applicazione

Il livello Bearer definisce come i messaggi vengono inviati e ricevuti utilizzando lo stack di protocolli BLE sottostante. Supporta due metodi: Advertising Bearer (PB-ADV) e GATT Bearer (PB-GATT). Diversi livelli intermedi gestiscono attività critiche, tra cui la crittografia e la decrittografia dei dati, la gestione della configurazione di rete, la segmentazione e il riassemblaggio dei messaggi, ecc. Questi livelli garantiscono che i messaggi raggiungano le destinazioni previste, anche se devono attraversare più dispositivi.

Il Livello Modello definisce scenari utente tipici standardizzati, come il controllo dell'illuminazione o la lettura dei sensori. Il Livello Applicazione, posizionato in cima, organizza questi modelli in applicazioni utili con cui gli utenti finali possono interagire.

Vantaggi e limiti della rete mesh BLE

La rete mesh BLE soddisfa i requisiti di una connettività intelligente: su larga scala, a basso consumo, flessibile e sicura. Tuttavia, non è una soluzione universale e, come ogni tecnologia, presenta punti di forza e di debolezza.

Vantaggi della rete mesh BLE

• Basso consumo energetico: La rete mesh BLE, come altri sistemi BLE, offre un basso consumo energetico. Pertanto, una rete mesh è ideale per coprire ampie aree, risparmiando energia.
• Resilienza della reteIn una rete mesh Bluetooth, i nodi dei dispositivi possono disconnettersi senza conseguenze significative. Se un dispositivo si disconnette, il nodo iniziale continuerà a trasmettere i dati. Il destinatario riceverà il pacchetto con un breve ritardo.
• Flessibilità e auto-riconfigurazione: La rete mesh si riconfigura. Questa flessibilità a volte è più importante della velocità garantita e dei ritardi più brevi.
• Mobilità dei nodiIn una rete mesh BLE, i nodi possono cambiare posizione senza compromettere la struttura o perdere dati in transito. I dati non raggiungeranno la destinazione solo se i nodi si spostano fuori dal raggio d'azione del ricevitore.
• Compatibilità: I nodi mesh BLE possono comunicare sia con dispositivi Bluetooth 4.x che 5.x. I dispositivi Bluetooth 4.x possono ricevere messaggi, ma non possono diventare nodi a pieno titolo della rete.
• Integrazione Beacon: La rete BLE funziona a stretto contatto con i beacon Bluetooth. I beacon possono essere utilizzati per il posizionamento indoor/outdoor, reti di sensori e altre applicazioni.

Limiti della rete mesh BLE

• Bassa velocità di trasmissione dei dati: La rete mesh Bluetooth ha velocità di trasferimento dati limitate. È limitata a circa 1 megabit al secondo, o anche meno. Ciò significa che non è adatta ad applicazioni che richiedono un trasferimento dati più veloce.
• Alta latenza: La rete mesh Bluetooth utilizza il "flood gestito", quindi i messaggi vengono inviati a tutti i dispositivi nella rete. Potrebbe volerci molto tempo prima che i messaggi raggiungano tutti e ricevano risposta. Più nodi ci sono, maggiore potrebbe essere il tempo di risposta.
• Consumo di energia: Sebbene il Bluetooth sia spesso ritenuto meno efficiente rispetto ad altre tecnologie, questo non è sempre vero in una rete mesh. In una rete mesh, ci sono molti dispositivi. I dispositivi che richiedono più attività consumano più batteria. Questo perché devono essere sempre in ascolto per ricevere messaggi e inviarli ad altri dispositivi.
• Gestione di reti complesse: La configurazione e la gestione di una rete mesh Bluetooth sono operazioni complesse e richiedono una conoscenza specialistica approfondita.

Bluetooth mesh contro other tecnologie

Oltre al BLE mesh, altre tecnologie di rete mesh diffuse includono Zigbee e Thread. Queste tecnologie condividono molte somiglianze con il BLE mesh.

Thread, introdotto nel 2014, è un protocollo di rete mesh basato su IPv6 per l'IoT. Supporta fino a 32 router per rete e 511 dispositivi per router, ed è quindi ideale per meshnet ad alta densità. Essendo una soluzione indirizzabile tramite IP, Thread si integra facilmente con le app basate su IPv6 e offre elevate velocità di trasmissione dati per i sistemi IoT locali.

Zigbee è apparso molto prima, nel 1998, ed è stato standardizzato nel 2003. Si tratta di una rete wireless a bassa potenza e bassa larghezza di banda. Le applicazioni più diffuse includono la domotica, i dispositivi medicali e le applicazioni industriali. Ha una velocità massima di 250 Kbps e supporta diverse frequenze e intervalli di potenza. Zigbee richiede spesso un gateway, quindi raramente viene integrato nell'elettronica di consumo.

Principali differenze tra Thread, Zigbee e Bluetooth mesh:

• Base del protocollo:BLE mesh utilizza il Bluetooth anziché il protocollo Internet, mentre Thread e Zigbee sono basati su IP.
• Bande di frequenza: La rete mesh BLE opera nella banda dei 2.4 GHz. Zigbee può utilizzare le bande dei 2.4 GHz, 915 MHz o 868 MHz a seconda della regione. Anche Thread opera nella banda dei 2.4 GHz.
• Approccio alla messaggistica: La rete BLE utilizza la messaggistica flood gestita, mentre Zigbee e Thread utilizzano meccanismi di routing.
• RAM Usage:I dispositivi Zigbee e Thread richiedono più RAM per memorizzare le tabelle di routing.
• Densità di rete: La mesh BLE funziona meglio per le meshnet a bassa densità grazie al suo approccio flooding. Zigbee e Thread sono più adatti per reti ad alta densità.
• Massimo supporto del dispositivoThread può supportare fino a 511 dispositivi per router, con un massimo di 32 router per rete. Zigbee può teoricamente supportare fino a 65,000 nodi in una singola rete. La rete mesh BLE può supportare oltre 32,000 nodi.

Perché utilizzare i nostri dispositivi mesh Bluetooth

Adottare nuove tecnologie può essere impegnativo. Spero che questa guida alla rete mesh Bluetooth possa darvi qualche spunto. Noi di MOKO SMART non siamo solo fornitori; siamo pionieri nella tecnologia Bluetooth. La nostra gamma di dispositivi IoT Bluetooth comprende beacon, anchor, gateway e sensori Bluetooth.

In qualità di produttore di dispositivi IoT originali, forniamo dispositivi di alta qualità e affidabili per tutte le vostre esigenze di connettività mesh Bluetooth. Se state pensando di implementare una soluzione mesh BLE o siete alla ricerca di prodotti mesh BLE, non esitate a contattarci.

Domande frequenti sulla rete Bluetooth mesh

Quanti dispositivi può supportare una rete Bluetooth Mesh?

Una singola rete Bluetooth Mesh può supportare fino a 32,767 dispositivi.

Le reti Bluetooth Mesh possono interagire con dispositivi Bluetooth non mesh?

Sì, tramite nodi proxy, le reti Bluetooth Mesh possono interagire con i normali dispositivi Bluetooth Low Energy.