什麼是藍牙 Mesh 及其工作原理

藍牙 Mesh 是 BLE 名副其實的創新, 與具有網狀功能的 Zigbee 和 Thread 技術競爭. 這本質上是透過互連節點來實現的. 這些節點充當去中心化網路中的點, 共享資料並擴展網路的覆蓋範圍和功能. 藍牙 Mesh 的早期, 人們預計這種新的網格技術將被採用到多大 – 自從 BLE Mesh 推出以來所做的預測 2017. 很多人談到 ” BLE 網狀網絡” 幾年內成為現實. 儘管有潛力, 它沒有經歷其他 BLE 技術中出現的爆炸性增長.

什麼是藍牙網狀網路技術

藍牙 Mesh 是藍牙與網狀網路的結合.

網狀網絡, 也被稱為 “多跳網絡”, 是一個網路拓撲. 在網狀網路中, 數據可以從任何設備傳輸到所有其他設備, 實現多對多通信. 即使一台設備故障, 網路繼續工作.

藍牙網狀網路使用藍牙低功耗, 有藍牙功能的 4.0. 在 2017, 官方藍牙網狀網絡 1.0 被釋放 (到現在為止還是最新的). 需要明確的是，BLE mesh並不是一種新的無線通訊技術, 而是一種網路技術. 它利用並依賴 BLE, 並使用其通訊協定棧.

藍牙網狀網路使用受管理的洪氾. 設備可以一對一交談, 一對多, 或多對多. 透過使用BLE協定進行不同網路節點之間的通訊, 形成無通訊盲區的網絡. 所有這些都使訊息能夠比傳統藍牙傳輸得更遠.

藍牙網狀網路如何運作

與傳統的一對一連結不同, 藍牙網狀網路創建了一個網絡，訊息可以在該網路中從一個設備跳到另一個設備，直到到達目的地. 兩個設備節點之間可能存在一條或多條路由. BLE 網格透過向所有附近節點廣播訊息來運作, 然後將它們轉發. 此過程將持續進行，直到訊息到達其預期目的地(秒).

這 “控制洪水” 即使某些設備超出直接範圍或已關閉，也能確保訊息到達目標. 設備可以向特定位址發布訊息, 其他人可以訂閱以接收它們. 這種發布-訂閱模式可實現高效的群組通信.

基礎知識 藍牙網狀網絡 聯網

了解藍牙網狀網路的工作原理後, 掌握該技術的一些關鍵技術術語和概念很重要. 讓我們來分解其中一些:

• 節點: 當藍牙裝置加入藍牙 Mesh 網路時, 它變成了 “節點。” 該節點是 BLE 網狀網路的參與者.
• 元素: 每個節點由一個或多個節點組成 “元素。” 元素就像節點內的功能單元. 每個節點至少有一個元素, 但如果它執行不同的功能，它可以有多個元素.
• 楷模: 元素包含 “楷模,” 定義節點的特定行為或服務. 模型具有唯一的 ID 號碼並確定節點可以執行的操作. 藍牙 SIG 定義的標準模型涵蓋了許多常見場景.
• 信息: 當訊息在節點之間發送時, 它們是根據匹配的元素和模型進行過濾的.
• 地址: 地址用於識別訊息的來源和目的地.

節點類型:

在藍牙網狀網路中, 有幾種類型的節點, 每個人都有特定的角色:

• 中繼節點: 訊息發送到發布節點直接無線電範圍內的節點. 有一些節點的功能為 “繼電器”. 中繼器重新傳輸訊息，以便它們可以傳播得更遠, 在一些 “啤酒花”.
• 朋友節點和低功耗節點: LPN 的功耗高度限制. 避免維持較高的接收訊息佔空比, LPN 與朋友合作. 朋友節點為其 LPN 儲存訊息，並在 LPN 偶爾輪詢時轉發它們.
• 代理節點: 藍牙低功耗設備, 例如智慧型手機, 可以透過代理節點連接到網狀網絡.

了解更多基本概念, 你可以參考 藍牙網狀網路術語表.

BLE 網狀系統架構

BLE Mesh協定架構由七層組成, 基於您已經熟悉的 BLE 核心規格構建. 然而, 它添加了複雜的上層功能來創建互連設備的網絡. BLE 網格依賴 BLE 協定堆疊的可用性.

從下到上, 各層如下:

1. 承載層
2. 網路層
3. 較低的傳輸層
4. 上層傳輸層
5. 接取層
6. 模型層
7. 應用層

承載層定義如何使用底層 BLE 協定堆疊傳送和接收訊息. 它支援兩種方法: 廣告承載 (PB-ADV) 和關貿總協定持有者 (關貿總協定). 多個中間層處理關鍵任務. 其中包括加密和解密數據, 管理網路配置, 以及訊息分段和重組, 等等. 這些層確保訊息到達預期目的地, 即使他們需要遍歷多個設備.

模型層定義了標準化的典型使用者場景, 例如控制照明或讀取感測器. 應用層, 位於最頂部, 將這些模型組織成最終用戶可以與之互動的有用應用程式.

BLE 網狀網路的優點和局限性

BLE Mesh滿足智慧連線需求 – 大規模, 低電量, 靈活的, 和安全. 然而, 它不是一個一刀切的解決方案, 像任何技術一樣, 有其優點和缺點.

BLE 網狀網路的優點

• 它被轉換為信息並經過分析: BLE 網狀網絡, 與其他 BLE 系統一樣, 具有低功耗的特點. 所以, 網狀網路在覆蓋大面積時效果良好，同時節省能源.
• 網路彈性: 在藍牙網狀網路中, 設備節點可以斷開連線而不會產生重大影響. 如果一台設備斷線, 初始節點會持續廣播數據. 收件人將在短暫延遲後收到資料包.
• 靈活性和自我重新配置: 網狀網路自行重新配置. 這種靈活性有時比保證速度和更短的延遲更重要.
• 節點移動性: 在 BLE 網狀網路中, 節點可以改變其位置，而不會破壞結構或在傳輸過程中丟失數據. 只有當節點移出接收器的範圍時，資料才會無法到達目的地.
• 兼容性: BLE 網格節點可以與藍牙 4.x 和 5.x 裝置通訊. 藍牙 4.x 裝置可以接收訊息，但無法成為成熟的網路節點.
• 信標集成: BLE 網狀網路與藍牙信標緊密配合. 信標可用於室內室外定位, 感測器網路, 和其他應用.

限制 BLE 網狀網絡

• 數據吞吐量低: 藍牙網狀網路的資料傳輸速率有限. 僅限於約 1 兆位元每秒, 甚至更少. 這意味著它不適合需要更快數​​據傳輸的應用程式.
• 高延遲: 藍牙網狀網路用途 “控制洪水”, 因此訊息會傳送到網路中的所有設備. 訊息可能需要很長時間才能到達每個人並得到回复. 節點越多, 可能需要的回應時間越長.
• 能量消耗: 雖然藍牙通常被認為比其他技術消耗更少的電量, 在網狀網路中這並不總是正確的. 在網格中, 有很多設備. 承擔更多任務的設備會消耗更多電池電量. 這是因為他們必須始終監聽訊息並將其發送到其他設備.
• 複雜的網路管理: 設定和管理藍牙網狀網路非常複雜，需要廣泛的專業知識.

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除了 BLE 網格之外, 其他流行的網狀網路技術包括 Zigbee 和 Thread. 這些技術與 BLE 網狀網路有許多相似之處.

線, 引入於 2014, 是一種基於 IPv6 的物聯網網狀網路協定. 它最多支援 32 每個網路的路由器和 511 每個路由器的設備數, 適用於高密度網狀網. 作為 IP 可尋址解決方案, Thread 可輕鬆與基於 IPv6 的應用程式集成，並為本地物聯網系統提供高資料速率.

Zigbee 的出現要早得多 1998 然後標準化為 2003. 它是一個低功耗, 低頻寬無線網路. 流行的應用包括家庭自動化, 醫療設備, 和工業應用. 它有一個 250 Kbps 最大速率並支援各種頻率和功率範圍. Zigbee 通常需要網關, 因此很少將其內建於消費電子整合中.

線程之間的主要區別, 紫蜂, 和藍牙網狀網絡:

• 協議基礎: BLE 網狀網路使用藍牙而非網際網路協議, 而Thread和Zigbee是基於IP的.
• 頻段: BLE 網格運行在 2.4 GHz頻段. 可以使用紫蜂 2.4 吉赫茲, 915 兆赫, 或者 868 MHz 頻段取決於地區. 線程也運行在 2.4 GHz頻段.
• 訊息傳遞方法: BLE 網格使用託管洪水訊息傳遞, 而 Zigbee 和 Thread 使用路由機制.
• 記憶體使用情況: Zigbee 和 Thread 設備需要更多 RAM 來儲存路由表.
• 網路密度: 由於採用洪氾方法，BLE 網格更適合低密度網格網絡. Zigbee和Thread更適合高密度網絡.
• 最大設備支援: 線程最多可支持 511 每個路由器的設備數, 最多為 32 每個網路的路由器. Zigbee理論上最多可以支持 65,000 單一網路中的節點. BLE 網格可以支援超過 32,000 節點.

為什麼要使用我們的藍牙網狀網路設備

採用新技術可能具有挑戰性. 我希望這篇藍牙網狀網路指南能給您一些想法. 在MOKO智能, 我們不僅僅是供應商; 我們是藍牙技術的先驅. 我們的藍牙物聯網設備系列包括藍牙信標, 錨, 網關, 和傳感器.

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藍牙網狀網路的常見問題解答

藍牙 Mesh 網路可以支援多少設備?

單一藍牙 Mesh 網路最多可支援 32,767 設備.

藍牙網狀網路可以與非網狀藍牙裝置互動嗎?

是的, 透過代理節點, 藍牙 Mesh 網路可以與常規藍牙低功耗設備交互.