Diseñar con Bluetooth Mesh:comunicaciones de nodo

La primera entrega de esta serie de artículos proporcionó una descripción general de Bluetooth Mesh y los tipos básicos de nodos y funciones que admite. Esta entrega cubre cómo ocurre la comunicación dentro de la red Bluetooth Mesh y varios conceptos que es importante comprender al diseñar una aplicación con Bluetooth Mesh.

Comunicación de un nodo a otro

Bluetooth Mesh utiliza una inundación gestionada operación para transferir mensajes de un nodo a otro. La inundación administrada es una implementación de múltiples rutas que incluye la redundancia suficiente para garantizar que un mensaje llegue a su destino.

En una implementación básica de inundación, cada nodo transmite ciegamente cada mensaje que recibe. La operación de inundación administrada por Bluetooth Mesh evita que los dispositivos Mesh transmitan mensajes recibidos previamente al agregar todos los mensajes a una lista en caché. Cuando se recibe un mensaje, se compara con la lista y se ignora si ya está presente. Además, cada mensaje incluye un valor de tiempo de vida (TTL) que limita la cantidad de veces que un mensaje se puede transmitir en la red. Cada vez que cualquier dispositivo recibe y luego retransmite un mensaje (hasta un máximo de 126 veces), el valor TTL se reduce en 1.

La malla Bluetooth implementa una comunicación basada en publicaciones y suscripciones enfoque para garantizar que diferentes tipos de productos puedan coexistir en una red sin ser molestados por mensajes de dispositivos que no necesitan escuchar. Un nodo de publicador envía mensajes solo a los nodos que se han suscrito al publicador y actuarán sobre estos mensajes. Un ejemplo de esta operación es el uso en diferentes habitaciones de su hogar. Cada habitación podría suscribirse a los mensajes de los interruptores de luz específicos para esa habitación. Además, los mensajes pueden ser unidifusión, multidifusión y / o difusión, lo que significa que un mensaje puede llegar a uno, algunos o todos los nodos de la red.

La Figura 1 muestra un ejemplo de implementación de comunicación basada en suscripción y publicación de Bluetooth Mesh utilizando los kits de evaluación CYBT-213043-MESH. El kit CYBT-213043-MESH utiliza el módulo CYBT-213043-02 para implementar la comunicación Bluetooth Mesh. En combinación con el botón de usuario integrado y el LED RGB, las placas de evaluación imitan el conmutador de malla Bluetooth y la bombilla de malla Bluetooth, respectivamente.

Figura 1. Ejemplo de publicación y suscripción de Bluetooth Mesh para iluminación conectada. (Fuente:Cypress)

Como se muestra en la figura, el primer interruptor de la izquierda publica los mensajes en el grupo Comedor. La primera y la segunda bombilla de la derecha se han suscrito solo al grupo Comedor. Sin embargo, la tercera bombilla se ha suscrito a los mensajes de los grupos Comedor y Cocina. Entonces, cuando Switch 1 publica los mensajes, se pueden controlar las primeras tres bombillas (Comedor y Cocina). Sin embargo, cuando Switch 2 publica los mensajes, solo se puede controlar la tercera bombilla (Cocina).

Arquitectura de nodo de malla

Ahora, como ya hemos discutido cómo se comunican los mensajes entre los nodos, veamos la arquitectura del nodo Bluetooth Mesh a nivel funcional y veamos qué hace que los dispositivos Bluetooth Mesh sean interoperables.

Elementos definir la funcionalidad de un nodo. Cada nodo tiene al menos un Elemento llamado "Elemento Primario". Por ejemplo, una bombilla generalmente tiene un elemento. Este elemento expone las funcionalidades de control de brillo y encendido / apagado del nodo. Otro ejemplo es una bombilla de luz regulable con un sensor de presencia integrado. Este nodo tendrá dos elementos. El primer elemento se utiliza para la función de iluminación y el segundo para la función de sensor. El Elemento Primario, en este caso, sería la función de iluminación.

Cada elemento dentro de un nodo tiene una dirección única, conocida como dirección de unidifusión. Esto permite que cada elemento se direccione independientemente de otros elementos dentro del mismo nodo. La Figura 2 muestra ejemplos de ambos tipos de nodos:el primero con un solo elemento y el otro con dos elementos. La Figura 2 también muestra conceptos adicionales que se tratan en las siguientes secciones y cómo se relacionan entre sí en la implementación de Bluetooth Mesh.

Figura 2. Nodos con uno y dos elementos. (Fuente:Cypress)

Cada nodo de Bluetooth Mesh utiliza uno o más Modelos en malla que definen la funcionalidad de un nodo dado. Los modelos son análogos a los Servicios de los dispositivos Bluetooth normales. Hay tres tipos de modelos de malla:modelos de cliente, modelos de servidor y modelos de control (que implementan tanto un cliente como un servidor en un solo modelo).

Un modelo de servidor puede tener uno o más estados que abarcan uno o más elementos. El modelo de servidor expone el estado de los elementos del dispositivo que un nodo de cliente puede leer o controlar. Por ejemplo, una bombilla de luz Bluetooth Mesh utiliza un modelo de servidor. En esta aplicación, se puede utilizar un servidor de encendido / apagado o un servidor Light Lightness. Un modelo de servidor de encendido / apagado expondrá el estado actual de la bombilla y cambiará el estado según la entrada del cliente para cambiar el estado de la bombilla entre encendido y apagado. Si se utiliza un servidor Light Lightness, permitirá al cliente leer el estado actual de la bombilla, controlar su brillo y encenderla o apagarla. Otra aplicación del modelo de servidor sería un nodo sensor que solo le permite al cliente leer el estado del sensor pero no permite cambiar su estado.

Un modelo de cliente permite que otros nodos envíen mensajes para solicitar y / o cambiar el estado de un nodo del servidor. El ejemplo más común de una aplicación con un modelo de cliente es un conmutador de malla Bluetooth. Un conmutador de malla Bluetooth puede utilizar el modelo de cliente de encendido / apagado. Puede solicitar el estado actual de un dispositivo servidor o enviar un mensaje para cambiar el estado a Activado o Desactivado. Otro ejemplo sería un atenuador de malla Bluetooth que utiliza el cliente de nivel. Más allá de las capacidades de un interruptor, este modelo permite controlar el nivel de salida del servidor, como controlar el brillo de la bombilla.

En la mayoría de las aplicaciones, los modelos de servidor y cliente deben usarse junto con algún código de control que actúa en función de los mensajes recibidos o la entrada del usuario. Una combinación de modelo de servidor y / o cliente y una lógica de control da como resultado un modelo de control .

Los modelos de malla Bluetooth pueden ampliar la funcionalidad de otros modelos. Esta capacidad permite que los nodos Mesh con diferentes capacidades sean controlados por el mismo mensaje.

Tomemos el ejemplo de las aplicaciones de iluminación. Una bombilla que permite controlar el brillo generalmente utiliza el modelo Light Lightness Server. Algunas bombillas pueden utilizar el modelo de servidor de nivel genérico para controlar la potencia de salida y, por tanto, el brillo. Una bombilla de malla Bluetooth básica con solo capacidades de encendido / apagado probablemente usaría el modelo de servidor de encendido / apagado. Sin embargo, el modelo Light Lightness Server extiende la funcionalidad del modelo On / Off Server y el modelo Level Server. Eso significa que un mensaje de encendido / apagado enviado por un cliente de encendido / apagado controlará el estado de los tres tipos de bombillas independientemente del modelo utilizado.

Las condiciones de un elemento se almacenan en los estados . Cada estado es un valor de cierto tipo. Además de los valores, los estados tienen comportamientos que están asociados con ese estado. Estos estados están definidos por Bluetooth SIG. Por ejemplo, un servidor de encendido / apagado en una bombilla de encendido / apagado o un controlador de rociadores tendrá un estado llamado genérico encendido apagado que puede tener uno de dos valores:encendido y apagado. Esto es útil para dispositivos como bombillas o controladores de rociadores. El término "Genérico" se utiliza para indicar que este estado y sus comportamientos pueden ser útiles en diferentes tipos de dispositivos Mesh.

También puede ver el video Aprender más sobre Bluetooth Mesh para obtener más información sobre la comunicación Bluetooth Mesh y cómo comenzar con un diseño de Bluetooth Mesh.

En la próxima entrega de esta serie de artículos, exploraremos las funciones de privacidad y seguridad de Bluetooth Mesh.