O que é Bluetooth Mesh e como funciona

O Bluetooth Mesh é uma verdadeira inovação do BLE, competindo com as tecnologias Zigbee e Thread, compatíveis com mesh. Isso é essencialmente possível graças aos nós interconectados. Esses nós atuam como pontos em uma rede descentralizada, compartilhando dados e ampliando o alcance e as capacidades da rede. Nos primórdios do Bluetooth Mesh, havia expectativas sobre o quão ampla essa nova tecnologia mesh seria adotada – projeções feitas logo após o lançamento do BLE Mesh em 2017. Muitos falavam sobre as "redes mesh BLE" se tornarem realidade dentro de alguns anos. Apesar do seu potencial, elas não experimentaram o crescimento explosivo visto em outras tecnologias BLE. 

O que é a tecnologia Bluetooth Mesh

Bluetooth Mesh é o Bluetooth combinado com rede mesh.

Rede mesh, também conhecida como "rede multi-hop", é uma topologia de rede. Em uma rede mesh, os dados podem trafegar de qualquer dispositivo para todos os outros, possibilitando a comunicação de muitos para muitos. Mesmo que um dispositivo falhe, a rede continua funcionando.

O Bluetooth Mesh utiliza o Bluetooth Low Energy, que veio com o Bluetooth 4.0. Em 2017, foi lançado o Bluetooth Mesh 1.0 oficial (até o momento, a versão mais recente). Deve ficar claro que o BLE Mesh não é uma nova tecnologia de comunicação sem fio, mas sim uma tecnologia de rede. Ele utiliza e depende do BLE, e utiliza sua pilha de protocolos de comunicação.

Redes mesh Bluetooth utilizam inundação gerenciada. Os dispositivos podem se comunicar de um para um, um para muitos ou muitos para muitos. Ao utilizar o protocolo BLE para comunicação entre diferentes nós da rede, forma-se uma rede sem zonas mortas de comunicação. Tudo isso permite que as mensagens viajem mais longe do que o Bluetooth tradicional.

Como funciona a malha Bluetooth

Ao contrário das conexões um-para-um tradicionais, a malha Bluetooth cria uma rede onde as mensagens podem saltar de um dispositivo para outro até chegarem ao seu destino. Uma ou mais rotas podem existir entre dois nós de dispositivos. A malha BLE funciona transmitindo mensagens para todos os nós próximos, que as retransmitem. Esse processo continua até que a mensagem chegue ao(s) destino(s) pretendido(s).

Essa "inundação gerenciada" garante que as mensagens cheguem aos seus alvos mesmo que alguns dispositivos estejam fora do alcance direto ou desligados. Os dispositivos podem publicar mensagens para endereços específicos, e outros podem se inscrever para recebê-las. Esse padrão de publicação-assinatura permite uma comunicação eficiente em grupo.

O básico de Malha de bluetooth networking

Depois de entender como a malha Bluetooth funciona, é importante entender alguns termos e conceitos técnicos importantes dessa tecnologia. Vamos analisar alguns deles:

• Nodes:Quando um dispositivo Bluetooth se junta a uma rede Bluetooth Mesh, ele se torna um “nó”. O nó é um participante da rede BLE Mesh.
• elementos: Cada nó é composto por um ou mais "elementos". Um elemento é como uma unidade funcional dentro do nó. Cada nó tem pelo menos um elemento, mas pode ter múltiplos elementos se desempenhar funções diferentes.
• Modelos: Os elementos contêm "modelos", que definem comportamentos ou serviços específicos do nó. Os modelos têm números de identificação exclusivos e determinam o que um nó pode fazer. Existem modelos padrão definidos pelo Bluetooth SIG que abrangem muitos cenários comuns.
• Mensagem:Quando as mensagens são enviadas entre nós, elas são filtradas com base nos elementos e modelos correspondentes.
• Endereços:Os endereços são usados para identificar a origem e o destino das mensagens.

Tipos de nós:

Em uma rede mesh Bluetooth, há vários tipos de nós, cada um com funções específicas:

• Nós de relé: As mensagens são enviadas para nós no alcance de rádio direto do nó de publicação. Alguns nós funcionam como "retransmissores". Os retransmissores retransmitem as mensagens para que elas possam viajar mais longe, em uma série de "saltos".
• Nós amigos e nós de baixo consumo: LPNs têm alta restrição de energia. Para evitar a manutenção de um ciclo de trabalho mais alto para o recebimento de mensagens, um LPN faz parceria com um amigo. Os nós amigos armazenam mensagens para seus LPNs e as encaminham quando o LPN realiza pollings ocasionais.
• Nós proxy: Dispositivos Bluetooth de baixo consumo de energia, como smartphones, podem se conectar a uma rede mesh por meio de um nó proxy.

Para conhecer conceitos mais fundamentais, você pode consultar o Glossário de malha Bluetooth.

A arquitetura do sistema de malha BLE

A arquitetura do protocolo BLE Mesh consiste em sete camadas, construídas com base na especificação principal do BLE, com a qual você já está familiarizado. No entanto, ela adiciona funcionalidades sofisticadas de camada superior para criar uma rede de dispositivos interconectados. O BLE Mesh depende da disponibilidade da pilha de protocolos BLE.

De baixo para cima, as camadas são as seguintes:

1. Camada portadora
2. Camada de rede
3. Camada de Transporte Inferior
4. Camada de Transporte Superior
5. Camada de Acesso
6. Camada de modelo
7. Camada de aplicação

A Camada Portadora define como as mensagens são enviadas e recebidas usando a pilha de protocolos BLE subjacente. Ela suporta dois métodos: Portadora de Publicidade (PB-ADV) e Portadora GATT (PB-GATT). Várias camadas intermediárias lidam com tarefas críticas. Essas camadas incluem criptografar e descriptografar dados, gerenciar a configuração da rede, segmentar e remontar mensagens, etc. Essas camadas garantem que as mensagens cheguem aos seus destinos pretendidos, mesmo que precisem atravessar vários dispositivos.

A Camada de Modelo define cenários típicos padronizados para o usuário, como controle de iluminação ou leitura de sensores. A Camada de Aplicação, posicionada no topo, organiza esses modelos em aplicativos úteis com os quais os usuários finais podem interagir.

Benefícios e limitações da rede mesh BLE

A malha BLE atende às demandas de conectividade inteligente – em larga escala, baixo consumo de energia, flexível e segura. No entanto, não é uma solução única e, como qualquer tecnologia, tem seus pontos fortes e fracos.

Vantagens da rede mesh BLE

• Baixo consumo de energia: A malha BLE, assim como outros sistemas BLE, apresenta baixo consumo de energia. Portanto, uma rede mesh funciona bem ao cobrir grandes áreas, economizando energia.
• Resiliência de rede: Em uma rede mesh Bluetooth, os nós dos dispositivos podem se desconectar sem grandes impactos. Se um dispositivo cair, o nó inicial continuará transmitindo os dados. O destinatário receberá o pacote com um breve atraso.
• Flexibilidade e Auto-Reconfiguração: A rede mesh se reconfigura. Essa flexibilidade às vezes é mais importante do que velocidade garantida e atrasos menores.
• Mobilidade do nó: Em uma rede mesh BLE, os nós podem mudar de posição sem interromper a estrutura ou perder dados em trânsito. Os dados só deixarão de chegar ao destino se os nós se moverem para fora do alcance do receptor.
• Compatibilidade: Os nós de malha BLE podem se comunicar com dispositivos Bluetooth 4.x e 5.x. Os dispositivos Bluetooth 4.x podem receber mensagens, mas não podem se tornar nós completos da rede.
• Integração de Beacon: A malha BLE funciona em conjunto com beacons Bluetooth. Os beacons podem ser usados em posicionamento interno e externo, redes de sensores e outras aplicações.

Limitações de rede mesh BLE

• Baixa taxa de transferência de dados: O Bluetooth mesh tem taxas de transferência de dados limitadas. Elas são limitadas a cerca de 1 megabit por segundo, ou até menos. Isso significa que não é adequado para aplicativos que exigem transferência de dados mais rápida.
• Alta latência: A malha Bluetooth utiliza "inundação gerenciada", ou seja, as mensagens são enviadas para todos os dispositivos na rede. Pode levar muito tempo para que as mensagens cheguem a todos e recebam respostas. Quanto mais nós, maior o tempo de resposta.
• Consumo de energia: Embora o Bluetooth seja frequentemente considerado um dispositivo que consome menos energia do que outras tecnologias, isso nem sempre é verdade em uma rede mesh. Em uma rede mesh, há muitos dispositivos. Os dispositivos que realizam mais tarefas consomem mais bateria. Isso ocorre porque eles precisam estar sempre ouvindo mensagens e enviando-as para outros dispositivos.
• Gerenciamento de rede complexo: Configurar e gerenciar uma rede mesh Bluetooth é complicado e exige amplo conhecimento especializado.

Bluetooth mcarne vs other tecnologias

Além da malha BLE, outras tecnologias populares de rede mesh incluem Zigbee e Thread. Essas tecnologias compartilham muitas semelhanças com a rede mesh BLE.

O Thread, lançado em 2014, é um protocolo de rede mesh baseado em IPv6 para IoT. Ele suporta até 32 roteadores por rede e 511 dispositivos por roteador, sendo adequado para redes mesh de alta densidade. Como uma solução endereçável por IP, o Thread integra-se facilmente a aplicativos baseados em IPv6 e oferece altas taxas de dados para sistemas IoT locais.

O Zigbee surgiu bem antes, em 1998, e foi padronizado em 2003. É uma rede sem fio de baixa potência e baixa largura de banda. Aplicações populares incluem automação residencial, dispositivos médicos e aplicações industriais. Possui uma taxa máxima de 250 Kbps e suporta diversas frequências e faixas de potência. O Zigbee frequentemente requer um gateway, por isso raramente é integrado à integração de eletrônicos de consumo.

Principais diferenças entre Thread, Zigbee e Bluetooth mesh:

• Base de Protocolo: A malha BLE usa Bluetooth em vez do Protocolo de Internet, enquanto Thread e Zigbee são baseados em IP.
• Bandas de Frequência: A malha BLE opera na banda de 2.4 GHz. O Zigbee pode usar as bandas de 2.4 GHz, 915 MHz ou 868 MHz, dependendo da região. O Thread também opera na banda de 2.4 GHz.
• Abordagem de mensagens: A malha BLE usa mensagens de inundação gerenciadas, enquanto o Zigbee e o Thread usam mecanismos de roteamento.
• uso de RAM: Dispositivos Zigbee e Thread exigem mais RAM para armazenar tabelas de roteamento.
• Densidade da rede: A malha BLE funciona melhor para redes mesh de baixa densidade devido à sua abordagem de inundação. Zigbee e Thread são mais adequados para redes de alta densidade.
• Suporte máximo ao dispositivo: O thread pode suportar até 511 dispositivos por roteador, com um máximo de 32 roteadores por rede. O Zigbee pode, teoricamente, suportar até 65,000 nós em uma única rede. A malha BLE pode suportar mais de 32,000 nós.

Por que usar nossos dispositivos de malha Bluetooth

Adotar novas tecnologias pode ser desafiador. Espero que este guia sobre Bluetooth Mesh possa lhe dar algumas ideias. Na MOKO SMART, não somos apenas fornecedores; somos pioneiros em tecnologia Bluetooth. Nossa linha de dispositivos Bluetooth IoT inclui beacons, âncoras, gateways e sensores Bluetooth.

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Perguntas frequentes sobre a malha Bluetooth

Quantos dispositivos uma rede Bluetooth Mesh pode suportar?

Uma única rede Bluetooth Mesh pode suportar até 32,767 dispositivos.

As redes Bluetooth Mesh podem interagir com dispositivos Bluetooth não Mesh?

Sim, por meio de nós proxy, as redes Bluetooth Mesh podem interagir com dispositivos Bluetooth Low Energy comuns.