L'article, en tant qu'initial de la série MESH , présente l'architecture et les fonctions du protocole Bluetooth mesh 1.0 . En tant que protocole complémentaire au protocole Bluetooth Low Energy, le protocole Bluetooth Mesh, indépendant de Bluetooth 5.0, introduit pour la première fois un réseau maillé standard ouvert pour les appareils Bluetooth Low Energy.

Le réseau MESH est une technologie sans fil à faible consommation d'énergie pour la domotique intelligente et l'automatisation des bâtimentsapplications. Dans un premier temps, comme SIG ne prend pas en charge le réseau MESH, les ingénieurs doivent remplacer Bluetooth Low Energy par d'autres technologies (telles que ZigBee et Thread) pour le développement des applications de maison intelligente. La situation a duré jusqu'à ce que la spécification du maillage Bluetooth soit rendue publique à la mi-2017. Maintenant, le Bluetooth SIG a résolu le manque de réseau MESH en introduisant la spécification supplémentaire Bluetooth 5.0 - le réseau maillé Bluetooth 1.0. La spécification n'a pas besoin d'autres supports matériels et peut fonctionner sur les puces Bluetooth Low Energy existantes (BLE4.0, BLE4.1, BLE4.2 et BLE5.0) en flashant le firmware. Certains fabricants de puces peuvent désormais prendre en charge le protocole Bluetooth Mesh 1.0.

1. BLE MESH Marché maintenant

Jusqu'à présent, 73 entreprises dans le monde ont certifié BLE MESH dans le SIG, et le nombre de produits certifiés atteint 461. Ces données incluent le nombre total de certifications des produits terminaux et de la puce. Le tableau suivant répertorie les entreprises certifiées et le nombre de leurs certifications de produits, dont de nombreux produits terminaux certifiés par les géants chinois de l'Internet.

2. Avantages du MESH

Bluetooth Low Energy a été conçu à l'origine pour compléter la forte consommation d'énergie du Bluetooth "classique" en étendant la technologie sans fil aux appareils alimentés par batterie. Par exemple, les ceintures de fréquence cardiaque et les applications de jouets contrôlés sans fil communiquent avec un appareil maître (tel qu'un téléphone portable) via la technologie Bluetooth Low Energy. Même un appareil maître contrôle plusieurs appareils esclaves pour former une topologie de réseau en étoile.

Du fait de l'interopérabilité du Bluetooth low energy et des téléphones mobiles, le Bluetooth low energy peut être rapidement étendu à d'autres applications telles que le contrôle de l'éclairage , la maison intelligente, etc. Dans ces types d'applications, les lacunes du réseau en étoile apparaissent. Par exemple, les solutions Bluetooth low energy ne peuvent gérer qu'un nombre limité de connexions simultanées (généralement huit). Et les appareils d'éclairage avec plus de 8 ampoules ne peuvent pas être contrôlés par une seule commande, ce qui entraînera des retards de contrôle. Les ampoules éloignées de la grande maison peuvent ne pas être à portée du contrôleur central et doivent être commutées par des nœuds dotés de fonctions de routage.

Depuis le lancement de Bluetooth Low Energy, il a lancé les versions 4.1, 4.2, 5.0, 5.1 et 5.2. De nombreuses fonctions du protocole ont été améliorées, telles que la portée de transmission, le débit, la capacité de transport des données de diffusion, le positionnement AoA/AoD et les améliorations de la coexistence . (certaines de ces nouvelles fonctionnalités sont facultatives. Facultatif signifie qu'une puce qui ne prend pas en charge ces nouvelles fonctions peut également être une puce BLE 5.0).

Bluetooth Mesh 1.0 n'est pas une simple mise à niveau de BLE 5, mais un ensemble de protocoles indépendants du protocole Bluetooth. Et tous les produits de puce de version précédente (BLE 4.0, BLE 4.1, BLE 4.2, BLE 5.0) peuvent être mis à niveau. Sous réserve de ressources Flash et RAM suffisantes, il suffit de mettre à niveau le micrologiciel pour exécuter le maillage Bluetooth.

Lorsque le nœud Bluetooth MESH reçoit un message, il transfère les données obtenues de la couche basse énergie Bluetooth vers la couche support, puis les données sont transférées vers la couche réseau via la couche support. La couche réseau utilise diverses vérifications pour décider de transmettre le message à la couche de transport inférieure ou de le rejeter.

La spécification Bluetooth MESH définit un nouveau protocole de base. Certaines des couches de protocole principales partagent certains concepts avec les couches de protocole principales Bluetooth à faible consommation d'énergie, mais les deux protocoles ne sont pas complètement compatibles l'un avec l'autre. Ceci est différent des technologies telles que ZigBee et Thread. ZigBee et Thread ont été conçus dès le départ comme des réseaux MESH. Les spécifications sous-jacentes sont basées sur 802.15.4, mais la compatibilité d'autres protocoles courants n'a pas été prise en compte. (Au cours des deux dernières années, ZigBee a envisagé d'utiliser dotdot au niveau supérieur pour être compatible avec d'autres protocoles réseau et réaliser l'interconnexion. Pour plus de détails, veuillez vous référer à https://zigbeealliance.org/solution/dotdot/ )

Il existe quatre types de nœuds de réseau :

Un nœud de relais reçoit et retransmet des messages maillés Bluetooth à l'aide du support publicitaire. L'inconvénient des nœuds relais est qu'ils doivent toujours garder l'état d'alerte, ce qui augmentera considérablement la consommation d'énergie. Cela a peu d'effet sur les applications alimentées par l'alimentation principale telles que l'éclairage intelligent, mais c'est un gros problème pour les nœuds alimentés par batterie tels que les commutateurs intégrés au réseau.

Les nœuds à faible consommation d'énergie utilisent les fonctions d'économie d'énergie standard de Bluetooth Low Energy (qui maintiennent l'état de veille pendant une longue période), de sorte qu'ils peuvent fonctionner pendant une longue période grâce à la batterie ou à la récupération d'énergie. Les LPN fonctionnent en tandem avec le nœud Friend, qui n'est pas limité en puissance (egit a une source d'alimentation CA permanente). L'ami stocke les messages adressés au LPN et les transmet au LPN chaque fois que le LPN interroge le nœud ami pour des « messages en attente ». Lorsque le LPN entre en mode de réception (selon un horaire prédéterminé), il reçoit le message stocké et suit les instructions, puis revient en mode veille à économie d'énergie.

Nœuds amis
Un nœud ami peut stocker et transférer ultérieurement des messages adressés à un nœud de faible puissance associé. Lorsqu'un nœud à faible puissance se réveille et interroge un nœud ami, celui-ci transmettra ces messages au nœud à faible puissance concerné. Les nœuds amis occuperont plus de mémoire que les autres types de nœuds car ils doivent stocker des messages pour un ou plusieurs nœuds à faible puissance. La taille de mémoire requise dépend de la quantité de données/commandes qui doivent être stockées dans les nœuds amis et envoyées aux nœuds à faible puissance pendant les opérations d'interrogation.

Nœuds proxy
Le nœud proxy est la clé permettant aux appareils Bluetooth Low Energy non maillés (tels qu'un téléphone portable) de faire partie d'un réseau maillé Bluetooth. Les nœuds proxy exposent une interface GATT que les appareils Bluetooth LE peuvent utiliser pour interagir avec un réseau maillé. Un nœud proxy peut recevoir des messages sur un support (publicité ou GATT) et les retransmettre sur l'autre (publicité ou GATT). L'objectif fondamental du nœud proxy est d'effectuer la conversion de support. Il peut passer du support publicitaire au support GATT et vice versa. Par conséquent, un appareil qui ne prend pas en charge le support publicitaire peut à la place envoyer et recevoir divers types de messages maillés Bluetooth via une connexion GATT. Par exemple, la fonction est utile lorsque l'utilisateur souhaite utiliser un smartphone traditionnel pour contrôler un réseau d'éclairage intelligent.

La figure fournit un exemple de réseau maillé Bluetooth simple. Dans cet exemple, la plupart des nœuds, tels que les ampoules, sont alimentés par le secteur et peuvent balayer en permanence les canaux publicitaires pour les messages entrants. Certains de ces nœuds peuvent également prendre en charge les fonctionnalités de relais, de proxy et d'ami. De plus, dans la topologie de cet exemple, le capteur de température à faible puissance utilise la fonction à faible puissance et est assisté par l'un des nœuds alimentés par le secteur sur lequel la fonction ami est implémentée. De même, un smartphone qui ne prend pas en charge le support publicitaire communique avec le réseau maillé via un nœud prenant en charge la fonction proxy.

De plus, le nouveau nœud doit être configuré avant de rejoindre le réseau maillé afin de s'assurer que le nouveau dispositif est un dispositif de confiance et peut accéder à tous les nœuds du réseau. Après la saisie, le réseau MESH attribue des adresses, des types d'appareils et des clés d'appareils pour le nouveau nœud. Ensuite, la clé de l'appareil est utilisée pour établir un canal sécurisé pour configurer de nouveaux nœuds. En théorie, le réseau Bluetooth MESH peut prendre en charge jusqu'à 32 000 nœuds.

5. Architecture maillée Bluetooth

Le réseau maillé Bluetooth utilise la technologie "flooding" pour envoyer des messages sur le réseau (c'est similaire à la façon dont le virus se propage). Chaque paquet de données est transmis aux autres nœuds du réseau jusqu'à ce que le message atteigne le nœud cible. La diffusion des messages peut concerner un seul nœud, un groupe de nœuds et tous les nœuds. Par exemple, nous pouvons définir toutes les lumières d'une seule pièce comme adresse de groupe. La spécification de maillage Bluetooth définit quatre adresses de groupe fixes : "All-Proxies", "All-Friends", "All-Relays" et "All-nodes". (LPN n'a pas pour fonction de transférer les messages, car il doit maintenir une faible consommation d'énergie.)

L'architecture de maillage d'inondation et le choix de l'adresse de groupe améliorent la prise en charge du réseau maillé Bluetooth pour les applications de maison intelligente. Par exemple, si le périphérique passerelle du réseau MESH reçoit la commande "ON", qui peut être rapidement diffusée sur l'ensemble du réseau via le réseau MESH. Chaque périphérique de nœud du réseau reçoit la commande et agit en conséquence, les lumières du groupe cible peuvent être allumées immédiatement.

Par rapport au réseau en étoile, le temps d'attente minimum des données de réception moyennes pour les nœuds du réseau MESH est bien inférieur à celui du réseau en étoile. Parce que l'appareil central est tenu d'envoyer une commande distincte à chaque ampoule connectée dans le réseau en étoile. Et le CPU doit envoyer des commandes à tous les sous-dispositifs à des intervalles de temps.

Il existe quelques différences entre le Bluetooth MESH et le Bluetooth traditionnel. Toutes les données de maillage ne seront transmises que sur trois canaux publicitaires 37, 38 et 39. Cela a ses avantages et ses inconvénients. L'avantage est un rendement élevé et une transmission simple. Et l'inconvénient est qu'il réduit la bande passante du réseau et augmente le risque de congestion.

Il existe deux méthodes permettant au réseau MESH de gérer la congestion : la première est le TTL (Time To Live) , qui définit le nombre de fois qu'un paquet spécifique peut être transmis (généralement trois étapes). Le second est le cache réseau . L'appareil ne diffusera qu'une seule fois après avoir capturé un paquet de données transféré. L'appareil ne le transmettra pas plus loin lorsqu'il recevra le même paquet d'informations diffusé par d'autres appareils la prochaine fois.

Les développeurs peuvent également utiliser des itinéraires de livraison de groupe facultatifs et conserver la fonction de relais. Après le réglage, le nœud peut recevoir des paquets de données, mais ne peut pas les transmettre. Par conséquent, la flexibilité du nœud deviendra médiocre.

6. Modèle BLE MESH

Le concept de modèle MESH est similaire au concept de profil Bluetooth. Le modèle spécifie une structure d'information publique, qui peut contenir un ou plusieurs services (le concept de modèle est utilisé pour définir les terminaux).

Le modèle contient les comportements et services spécifiques des nœuds et définit un ensemble d'états et de messages qui agissent sur l'état. Le modèle standard peut fonctionner dans les applications typiques, telles que la configuration de l'appareil, les lectures de capteurs et le contrôle de l'éclairage. Et les développeurs peuvent également créer des modèles personnalisés.

Les modèles dans les nœuds sont organisés par éléments. Chaque élément agit comme une entité virtuelle dans le maillage avec une adresse unique, et chaque message entrant est traité par le modèle dans l'élément.

Différents modèles interagissent les uns avec les autres via "publier et s'abonner". Le nœud de publication envoie un message, et le nœud configuré pour s'abonner le traitera après avoir reçu le message.

Dans la figure suivante, nous pouvons voir que le nœud "Switch 1" publie à l'adresse de groupe Kitchen. Les nœuds Light 1, Light 2 et Light 3 s'abonnent chacun à l'adresse Kitchen et reçoivent et traitent donc les messages publiés à cette adresse. En d'autres termes, la lumière 1, la lumière 2 et la lumière 3 peuvent être allumées ou éteintes à l'aide de l'interrupteur 1.

Switch 2 publie à l'adresse de groupe Dining Room. Seule la lumière 3 s'est abonnée à cette adresse et est donc la seule lumière commandée par le commutateur 2. Notez que cet exemple illustre également le fait que des nœuds peuvent s'abonner à des messages adressés à plus d'une adresse distincte. C'est à la fois puissant et flexible.

De même, notez comment les deux nœuds Switch 5 et Switch 6 publient sur la même adresse Garden.

7. Réseau de configuration Bluetooth Mesh

La figure suivante est un exemple d'abonnement réseau de configuration complète. Le processus est le processus standard pour les équipements d'enregistrement de réseau de configuration Bluetooth MESH. Au début, l'ampoule envoie un signal au réseau MESH pour l'informer qu'elle recherche un réseau à rejoindre. Le nœud de configuration authentifie la balise ampoule et l'invite à rejoindre le réseau. Si l'authentification est réussie, l'appareil recevra les clés et adresses nécessaires pour rejoindre le réseau et préparer la configuration. Ensuite l'ampoule est munie de la clé APP "domotique". Il va définir l'état de publication du "serveur OnOff" (ampoule de contrôle), et enfin ajouter l'abonnement au "groupe lumière".

8. Applications Bluetooth MESH

Sur la base des statistiques préliminaires des produits certifiés SIG, il est constaté que les applications de BLE MESH sont principalement concentrées dans les maisons intelligentes et les applications de contrôle de l'éclairage, le contrôle de l'éclairage représentant 60 %, les maisons intelligentes représentant 30 % et les derniers 10 %. appartenant à la certification de puce du fabricant d'origine et à l'application de marché de niche. BLE MESH est sans aucun doute le plus grand concurrent de ZigBee .