Diseñar con Bluetooth Mesh:nodos y tipos de funciones

Sin ninguna disputa, Bluetooth Low Energy (BLE) ha dominado el espacio de IoT. Las aplicaciones como el hogar inteligente, la atención médica domiciliaria y el seguimiento de activos se benefician enormemente de las capacidades de bajo consumo de BLE. Sin embargo, la comunicación BLE entre dispositivos se ha limitado a uno a uno o uno a muchos. Además, la implementación de BLE es un desafío debido al alcance limitado, especialmente en entornos como hogares, donde algunos dispositivos pueden estar ocultos detrás de varias paredes en relación con otros dispositivos. Estos factores han dificultado el control de toda la casa desde un solo lugar.

La comunicación de varios a varios es necesaria para que cualquier nodo pueda recibir mensajes de varios dispositivos y enviar mensajes a varios dispositivos. Por ejemplo, considere un grupo de cuatro bombillas que deben controlarse mediante varios teléfonos móviles. También deben poder recibir mensajes de configuración de un atenuador y / o un sensor de presencia. Esto requiere comunicaciones de varios a varios.

Para que BLE sea el más útil en aplicaciones como hogares inteligentes, edificios inteligentes y ciudades inteligentes, los desarrolladores necesitan una comunicación de muchos a muchos y un mecanismo para extender el alcance y permitir que algunos dispositivos funcionen con una batería pequeña. Bluetooth Mesh aborda estas preocupaciones.

Bluetooth Mesh está emergiendo como una tecnología de automatización del hogar preferida, ya que se puede acceder a los nodos de una red Bluetooth Mesh directamente desde un teléfono móvil o tableta sin la necesidad de una puerta de enlace. La interoperabilidad es la clave del éxito para cualquier implementación de hogar inteligente, ya que cada hogar inteligente puede utilizar productos de varios proveedores. Los formatos de mensaje estándar para casos de uso definidos (modelos) permiten una implementación rápida y una garantía de interoperabilidad con otros productos BLE Mesh.

Esta serie de cinco artículos analiza los conceptos clave necesarios para comprender Bluetooth Mesh. Se centrará en la capacidad de bajo consumo de energía de Bluetooth Mesh, las características de privacidad y seguridad, y en cómo seleccionar un dispositivo para la aplicación de su hogar inteligente. Este primer artículo de la serie analiza los elementos clave de una red de malla Bluetooth.

Red de malla Bluetooth

Una red de malla Bluetooth consta de nodos con varios tipos de funciones. La Figura 1 proporciona una representación de alto nivel de una red de malla Bluetooth. Como se puede ver en la figura, tiene nodos con los siguientes tipos de características:

• Nodo / función de retransmisión
• Nodo de baja potencia (LPN) / función
• Nodo / función de amigo
• Nodo / función de proxy
• Proveedor

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Figura 1:Red de malla Bluetooth (Fuente:Cypress)

Cada nodo puede admitir uno o más tipos de funciones. Por ejemplo, el nodo R + F en esta red admite la función Relay y Friend. De manera similar, el nodo R + P admite funciones de retransmisión y proxy.

La función de retransmisión permite que un nodo retransmita mensajes a través del portador de publicidad. Por lo general, es probable que todos los nodos con alimentación de pared incluyan la función de retransmisión, ya que tienen la potencia necesaria para escuchar continuamente los paquetes publicitarios y retransmitirlos a otros nodos. Un ejemplo de la función Relay en uso es una bombilla de luz inteligente o un interruptor de luz de pared en la aplicación de automatización del hogar. Por otro lado, es poco probable que los nodos que operan con baterías pequeñas tengan la función Relay, ya que requiere que Rx esté encendido continuamente y que el dispositivo escuche los paquetes anunciados. Hacerlo agotaría la batería rápidamente.

La función de nodo de bajo consumo es una de las características más importantes de Bluetooth Mesh. A diferencia de un nodo con la función de retransmisión, un nodo con la función de nodo de bajo consumo no necesita escuchar los paquetes anunciados de forma continua. Un nodo con la función de nodo de bajo consumo pasa la mayor parte del tiempo en el modo de bajo consumo del dispositivo, mientras que su nodo amigo recopila mensajes en su nombre. El nodo de bajo consumo se activa a intervalos definidos y hace ping a su nodo amigo para comprobar si hay mensajes pendientes. Después de comunicarse con el nodo amigo, el nodo de bajo consumo vuelve a un estado de reposo de bajo consumo. Esta es una característica útil para aplicaciones que funcionan con batería. Las aplicaciones como los nodos de sensores en la automatización del hogar, las etiquetas de precios en una tienda minorista, etc., pueden beneficiarse de la función de nodo de bajo consumo.

Un nodo con la función Amigo escuchará cualquier mensaje que se retransmita en la red y que esté destinado a un nodo de bajo consumo asociado. El nodo amigo almacenará estos mensajes y los entregará al nodo de bajo consumo asociado cuando el nodo de bajo consumo se active y consulte al nodo amigo. Dado que el nodo amigo necesita almacenar mensajes para uno o más nodos de bajo consumo, el nodo amigo puede requerir más memoria que otros tipos de nodos. La cantidad de memoria requerida depende de la cantidad de datos / comandos que se deben almacenar en el nodo Friend que se comunicarán al nodo de bajo consumo durante una operación de sondeo.

La función de proxy permite que los dispositivos, como un teléfono inteligente o una puerta de enlace de malla Wi-Fi-Bluetooth, se comuniquen con la red de malla. Un nodo con la función Proxy es el punto de entrada a la red Mesh para aquellos dispositivos que no son directamente compatibles con Bluetooth Mesh. En la red Bluetooth Mesh, los mensajes se transmiten por el portador de publicidad. La función Proxy permite que un nodo retransmita mensajes entre el GATT (General ATTribute) y los portadores de publicidad. En una red de malla Bluetooth, varios nodos pueden admitir la función Proxy. Cualquier nodo que admita la función Proxy puede actuar como interfaz para un teléfono inteligente / PC a través de una conexión GATT. Tener varios nodos Proxy es una buena idea para que si un nodo Proxy falla, esto no aísle toda la red de los dispositivos Proxy. Esta característica hace que Bluetooth Mesh sea más robusto en comparación con otras tecnologías Mesh como ZigBee.

En una red de malla Bluetooth, Aprovisionamiento es el proceso de agregar un nuevo nodo a una red. El aprovisionamiento requiere varios pasos para garantizar que los dispositivos no deseados no se aprovisionen en la red. Un dispositivo que no esté provisto enviará balizas en un intervalo predeterminado. Un dispositivo de aprovisionamiento iniciará el proceso de aprovisionamiento una vez que se encuentre y seleccione el dispositivo no aprovisionado. En el ejemplo que se muestra en la Figura 1, el teléfono inteligente y la tableta actúan como dispositivos de aprovisionamiento en la red.

Según la especificación de Bluetooth, no todos los nodos son obligatorios. En otras palabras, un dispositivo puede estar calificado para Bluetooth Mesh sin admitir todos los tipos de nodos / funciones. Por lo general, los proveedores de silicio no son compatibles con las funciones de nodo de bajo consumo y amigo calificadas por Bluetooth SIG. Eso dificulta la compatibilidad con aplicaciones Bluetooth Mesh que funcionan con baterías.

Para encontrar qué tipos de funciones / nodos de Bluetooth Mesh son compatibles con un dispositivo de Bluetooth Mesh, vaya al sitio web de Bluetooth SIG y haga clic en "Buscar un producto". Luego ingrese el producto para el cual desea conocer los tipos de funciones / nodos admitidos.

Por ejemplo, si desea buscar tipos de funciones / nodos admitidos en un módulo Cypress Bluetooth Mesh Module CYBT-413034-02, introdúzcalo en la búsqueda de productos y mostrará el ID de declaración, QDID, empresa, productos, nombre de especificación y listado. Fecha del producto. Haga clic en el ID de declaración, es decir, D040142 en este caso. Esta página proporciona la lista de capas admitidas por el dispositivo. Allí, haga clic en "Ver detalles de ICS". Esto mostrará la lista de capas de protocolo central y perfiles y servicios. Puede hacer clic en cada uno de ellos para saber qué funciones son compatibles. Si se admite el perfil de malla, aparecerá en Perfiles tradicionales.

Ahora, haga clic en MESH (Mesh Profiles). Esto proporciona la lista de roles y versiones y el requisito de rol de nodo y si la función es compatible. Mientras buscábamos detalles sobre CYBT-413043-02, las siguientes capturas de pantalla del sitio web de Bluetooth SIG muestran que este módulo admite los roles de Nodo y Provisionador que se enumeran en Roles (consulte la Figura 2). También es compatible con la función de retransmisión como se muestra en las capacidades de la capa de red (consulte la Figura 3). Las funciones Friend y Low-Power Node son compatibles, como se muestra en Capacidades de capa de transporte superior (consulte la Figura 4). La función de proxy es compatible como se muestra en Capacidad de proxy (consulte la Figura 5).

Aunque este dispositivo admite todos estos tipos de funciones de nodos, vale la pena señalar que, según los comentarios, la mayoría de estos tipos de nodos son opcionales. Por ejemplo, las funciones de retransmisión, amigo y nodo de bajo consumo son opcionales si se admite el portador de publicidad. Pero, para una red Bluetooth Mesh eficiente, se necesitan todos estos tipos de funciones.

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Figura 2:Las funciones y versiones de un producto específico se muestran en el sitio web de Bluetooth SIG. En este caso, el producto es compatible con los roles de proveedor y de nodo. (Fuente:Cypress)

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Figura 3:El sitio web de Bluetooth SIG también muestra las capacidades de rol de nodo para un producto específico. En este caso, el producto admite la función de retransmisión. (Fuente:Cypress)

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Figura 4:Las funciones Friend y Low-Power Node son compatibles con este producto, como se muestra en Capacidades de la capa de transporte superior. (Fuente:Cypress)

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Figura 5:La función de proxy es compatible como se muestra en Capacidad de proxy. (Fuente:Cypress)

También puede ver el video Aprender más sobre Bluetooth Mesh para obtener más información sobre los tipos de funciones y nodos de Bluetooth Mesh y cómo comenzar con un diseño de Bluetooth Mesh.

En el próximo artículo de esta serie, hablaremos sobre cómo ocurre la comunicación en la red Bluetooth Mesh y varios conceptos como los modelos Mesh que hacen que los productos sean interoperables en cada segmento de aplicación.