蓝牙技术的优势及如何将网状网络接入物联网设备中

网状网络是物联网 (IoT) 的关键架构。 诸如 IEEE804.15 ZigBee 之类标准在过去二十年里已在工业自动化领域成功实施网状网络。 这意味着网络中的每个节点均可接收数据并向邻近节点传送数据，因此，仅需增加新节点即可轻松扩张网络。 这比必须另外采用网关设备或接入点更具成本效益，更易于实施，因为后者还通常需要更多的规划来避免频率冲突。

相比之下，蓝牙® 已从根本上成为一种点对点连接，用于连接一个终端（如智能手机）或者接入点（如 iBeacon 或 Eddystone）。 同样，蓝牙技术在可穿戴领域也大获成功，可提供返回智能手机的链路，并从智能手机连接至范围更广的互联网。 这使得蓝牙技术可以运用到一系列在不断与互联网直接连接的应用中，同时也推动了对网状网络的需求。

图 1：将节点与最近的邻居连接，可使网状网络轻松将蓝牙设备的覆盖范围从一个房间扩大至另一个房间。

最新版 4.0 或以上的智能蓝牙不仅大幅减少了功耗和建立时间，而且降低了数据速率。 这对于网状网络很有意义，因为在网络中每增加一步，数据速率便减半。

不过，某些象Cambridge Silicon Radio 这样的蓝牙专家已在利用蓝牙建立自己的网状网络。 CSRmesh 是一种针对低功耗蓝牙设备的叠加软件，不仅能使这些设蓝牙接收消息并根据所接收消息做出响应，而且还能把那些消息转送至周围的设备。 这将扩大智能蓝牙的覆盖范围，并为物联网提供一个简单的自组式网状网络。

CSRmesh 的首批重大开发成果之一便是与韩国的 SK 合作完成的。他们开发出了全球首个智能 LED 灯泡系列，这些灯泡在零售环境下还可用作智能蓝牙的信标。 这样，在一个商店中即可简单地为几乎无数个智能灯泡组网并进行控制，与此同时，还可针对智能手机用户展开基于位置的特价优惠服务。

图 2：用于智能照明控制应用的 CSRmesh 开发板。

目前在售的信标系统要求在商店地板周围安装许多无线传感器，而这通常是一个漫长、昂贵且需要不断维护的过程。 使用 CSRmesh 方法，不需要彻底检修建筑的基础结构即可提供一个信标发射系统。 利用 LED 智能信标，一座建筑的现有照明灯具可实现全覆盖，因其在店内均匀分布。 LED 信标还把市电作为永久性电源，即服务提供商无需再管理数百个电池供电型设备。

该系统采用适合现有照明灯具的 LED 灯泡，且每个灯泡在网状网中均与邻近的灯泡通信。 智能灯泡配备预先经过认证的模块，且这些模块基于 CSR1010 芯片组和 CSRmesh v1.2 协议层，它们具有信标能力并提供 iOS 和安卓手机支持。

CSRmesh 开发板（图 2）有助于设计人员在标准蓝牙软件顶层执行网状网协议。 这样，各种消息就可通过一个简化平台在多个智能蓝牙设备之间中转，以方便产品设计人员希望快速进行智能蓝牙网络产品的原型开发，以及测试网状网实施能力。

为此，该套件提供了一套完整的工具用于评估和软件开发，包括从开发板、CSR xIDE 软件开发环境、USB 编程器和接口电缆、用于开发板的 CSR 示例应用和主机示例应用，到用于安卓和苹果 iOS 智能手机的源代码。

该开发板通常由两节 AA 电池供电，也可通过主机 USB 连接供电，并且可轻松增加板子以组成更大的网络。

所有这些还仅是解决大型空间内数千个智能蓝牙型信标的管理难题的一部分，如采用基于网状网的智能照明信标的体育场。

另一家芯片制造商 Nordic Semiconductor 也在致力于通过利用其超低功耗智能蓝牙设备建立网状网络，从而为物联网应用提供一个经过充分开发的低成本 ULP 无线网状网络解决方案。

Wirepas Pino 是一种由 Wirepas 开发的、用于在 Nordic nRF51822 蓝牙芯片上运行的全自动、自主优化、多次转发网状网络协议栈。 该协议栈通过采用一种网络拓扑结构支持高节点密度，并从理论上支持无限扩大网络规模（节点数量），这种网络拓扑结构会持续进行自主优化，以平衡节点之间的网络数据流量并自动适应其运行环境，如遭遇射频干扰。

这会显著提升网络可靠性，从而在某个节点故障时，网络会通过该故障节点周围的其它节点重新建立通信路径，实现自动“愈合”。 此外，还能提升网络能效、降低所有节点的功耗，因为网络会持续、自动地进行自主式重新配置，以便在加入新节点时维持最优的网络性能。

图 3：芬兰的 Wirepas 公司设想的在整个大型建筑内建立蓝牙连接的无线网状网络。

鉴于所有这些优势，蓝牙技术联盟 (SIG) 已着手将网状网络纳入蓝牙规范，使该标准包含这种功能。这样，所有通过蓝牙认证的设备便都能添加到网状网络中。 随着我们家居环境中智能蓝牙传感器数量的激增，网状网络将成为一个一体化的元件，用于确保用户家中支持蓝牙的智能锁、照明、HABC 系统，甚至还有各种家用电器一起工作，进而提供一种无缝式智能家庭体验。

智能蓝牙网状网络工作组正在针对智能蓝牙技术制定网状网络能力标准化架构。 这一行动极受欢迎，已有八十多家会员公司自愿为该工作组提供服务，在所有的 SIG 工作组中，该工作组拥有自愿提供服务的会员公司数量多。

该工作组的会员公司来自众多行业领域，包括汽车、手机/移动、工业自动化、家居自动化、消费电子和计算。 该工作组的目标并非注重某一特定使用案例，而是构建一个所有会员都可以开发的公共平台。 该工作组目前正在评估许多会从网状网络获益的用户方案，包括照明、HVAC 控制、资产跟踪和安防。

一种能够轻松实施这类功能的方法便是通过某种模块，如来自 Silicon Labs 的 BLE113 模块。 这种模块目标针对小型、低功耗传感器及配件，并集成了智能蓝牙应用所需的全部特性，从无线电收发器、软件协议栈和规范，到电池管理和单极片式天线，应有尽有。 所以，通过其灵活的硬件接口即可方便地将该模块纳入现有设计，并将允许这些设计轻松访问网状网络。 该模块可采用标准 3 V 钮扣电池或两节 AAA 电池供电。 在最低功耗休眠模式下，其电流消耗仅 500 nA，并会在几百毫秒内唤醒。

图 4：来自 Silicon Labs 的 BLE113 蓝牙模块。

网状网方法的部分优势是，它能使用户几乎看不到蓝牙设备的影子。 因具有更紧密的集成度，像Dialog Semiconductor 的 DA14580 这样的智能蓝牙收发器可以嵌入到设备中，并自动连接在其附近的另一网状网内节点。 这为建立、运行智能家居和物联网应用提供了一种非常容易的方法。

DA14580 为智能蓝牙 4.1 提供了一个全集成无线电收发器和基带处理器，这种处理器可用作独立应用处理器或作为托管型系统中的数据泵使用。 该收发器支持灵活的存储架构，以适应蓝牙规范的存储和应用代码自定义应用代码，所有这些均能够以无线方式 (OTA) 更新，并因此便于以后在需要时实施网状网协议。 合格的智能蓝牙协议栈保存在专门的 ROM 中，而所有软件则通过一个简单的计划程序在 16 MHz ARM Cortex-M0 处理器上运行。 该器件已针对低功耗、小体积进行了优化，可以毫不显眼地加入设计。

智能蓝牙固件包括 L2CAP 服务层协议、安全管理器 (SM)、属性协议 (ATT)、通用规范 (GATT) 和通用访问规范 (GAP)，以及可能包含网状网实施的定制规范。

SIG 指出，蓝牙技术的价值主张在物联网中是无与伦比的，消耗的功耗极少，是当今成本最低、普及最广的实现物联网的无线解决方案。 将网状网络纳入蓝牙规范的关键是将这项技术推广到全新的细分市场领域。

智能网状网工作组应在 2015 年下半年完成该规范并进入原型测试阶段，SIG 希望 2016 年正式采纳该规范。