瑞瀛物联带你了解蓝牙mesh模组应用

  Mesh网络技术是一种独立研发的创新网络技术，利用蓝牙设备作为信号中继站，实现数据覆盖到广阔的物理区域。该技术兼容蓝牙4和5系列的协议。传统的蓝牙连接通常是通过设备之间的「配对」实现的，建立了「一对一」或「一对多」的微型网络。然而，Mesh网络技术能实现设备之间的「多对多」连接。本文将从蓝牙的历史出发，探讨Mesh网络的发展前景以及介绍蓝牙Mesh协议的基本概念。

  在Mesh网络中，每个设备节点都具备发送和接收信息的能力。只要有一个设备连接到网关，信息就能够在节点之间被中继，从而实现消息传输至比无线电波正常传输距离更远的位置。这种特性使得Mesh网络能够广泛应用于制造工厂、办公楼、购物中心、商业园区等场景中，为照明设备、工业自动化设备、安防摄像机、烟雾探测器和环境传感器等提供更稳定的控制方案。

  蓝牙技术开始于爱立信在1994年创制的方案，该方案旨在研究移动电话和其他配件间进行低功耗、低成本无线通信连接的方法。发明者希望为设备间的无线通讯创造一组统一规则（标准化协议），以解决用户间互不兼容的移动电子设备的通信问题，用于替代RS-232串口通讯标准。

  1998年5月20日，爱立信联合IBM、英特尔、诺基亚及东芝公司等5家著名厂商成立「特别兴趣小组」（Special Interest Group，SIG），即蓝牙技术联盟的前身，目标是开发一个成本低、效益高、可以在短距离范围内随意无线连接的蓝牙技术标准。当年蓝牙推出0.7规格，支持Baseband与LMP（Link Manager Protocol）通讯协定两部分。

  1999年蓝牙1.0版本出现，但直到2003年1.2版本推出才满足了无线语音和音频传输等功能的基本要求。

  2004年推出的蓝牙2.0版本和2007年推出的2.1版本将蓝牙的传输速率提高到了3Mbit/s，并改善了蓝牙设备的配对体验。

  2009年发布的蓝牙3.0新增了High Speed功能，使传输速率高达24Mbit/s。但此功能应用范围较窄，仅在电脑上出现过。

  2010年发布了蓝牙4.0版本，增加了蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy）技术。蓝牙进入了物联网产品中。

  2016年蓝牙5.0协议发布，在低功耗模式下具备更快更远的传输能力。速度上限达到2Mbit/s，传输有效距离理论上可达300m。

  2017年发布了蓝牙Mesh1.0协议。蓝牙通过这个协议正式进入了物联网的领域。

  蓝牙Mesh技术是基于低功耗蓝牙广播报文来实现的。这是一种基于洪泛（flooding）的消息传递机制。当一个节点需要向另一个节点发送消息时，它会广播一条消息，所有收到这个消息的节点都接收并且转发这条消息，确保目标节点能够收到这一消息。

  在蓝牙Mesh网络中，我们通常把还未加入蓝牙Mesh网络的设备叫做未配网设备（Unprovisioned device），未配网设备加入一个蓝牙Mesh网络之后就被称为节点（Node）。

  把一个未入网设备加入蓝牙Mesh网络变成节点的过程叫做配网过程（Provisioning）。在蓝牙Mesh网络中，通常是由一个配网器（Provisioner）来将未配网设备进行配网从而变成蓝牙Mesh网络中一个节点的。

  功率受限的节点可能会利用低功耗特性来减少无线电接通时间并节省功耗。同时低功耗节点（LPN）可以与Friend节点协同工作。

  功率不受限的节点很适合作为Friend节点。Friend节点能够存储发往低功耗节点（LPN）的消息和安全更新；当低功耗节点需要时再将

  中继节点能够接收和转发消息，通过消息在节点之间的中继，实现更大规模的网络。节点是否能够具备这一特性取决于其电源和计算能力。

  代理节点能够实现GATT和蓝牙Mesh节点之间的Mesh消息发送与接收。承担这一角色的节点需要固定的电源和计算资源。

  一个节点是由元素组成的，节点至少要包含一个主元素（Primary Element），也可以包含多个元素，每个节点里包含的元素个数和结构是固定的，每个元素都有自己的地址，主元素的单播地址在配网过程中由配网器下发，而节点中其余元素的地址则依序增加。

  状态（State）用于表示节点中元素处于的某一个特定状况。元素的状态是通过客户-服务端的机制来访问的。例如，某个节点（比如插座）中的元素有通用开关模型的开关服务端，用来代表这个元素的开关状态；另一个节点的元素（比如开关按钮）有通用开关模型的开关客户端，这样就可以通过开关按钮上的开关客户端发送开关模型定义好的消息去访问或控制插座上开关服务端的开关状态。

  蓝牙Mesh网络节点之间的通信都是通过消息来实现的。每个状态都关联一系列消息，客户端会发送这些消息给服务端去读取或设置服务器端的状态，服务端也会在状态改变时发出消息来通知其他节点的客户端。

  蓝牙Mesh的消息定义包含了消息报文格式及消息的交互机制。消息报文格式由操作码和相关参数组成。

  模型（Model）定义了节点具备的基本功能，包含实现这个功能所必需的状态和操作状态的消息及其他一些行为。一个节点可以包含多个模型。在蓝牙Mesh模型里，采用客户端-服务端的架构进行通信。因此，在蓝牙Mesh网络中的应用也被定义成这3种模型：服务端模型、客户端模型和控制模型。

  在蓝牙Mesh网络中，节点在需要时可以向单播地址、组播地址、虚拟地址发布消息，而其他节点可以通过订阅这些地址来获取这些消息。如客厅中的灯具可以订阅客厅的组播地址。

  覆盖广泛：Mesh网络允许数据通过多个节点中继传输，从而扩展了覆盖范围。即使在大型建筑物或者广阔的区域内，只要有足够的节点覆盖，信号依然可以传输到目标位置。

  灵活性：由于Mesh网络中每个设备都可以充当信号中继站，因此可以轻松地调整网络布局和节点位置，以适应不同的环境和需求。这种灵活性使得Mesh网络非常适合应用于各种不同的场景和应用领域。

  可靠性：由于Mesh网络中数据可以通过多个路径传输，即使某些节点发生故障或者阻塞，数据依然可以通过其他路径进行传输，从而提高了网络的可靠性和稳定性。

  低功耗：蓝牙技术本身就是一种低功耗的通信技术，而Mesh网络进一步优化了能耗，使得设备可以长时间运行而无需频繁充电或更换电池。

  多对多连接：传统的蓝牙连接通常是一对一或者一对多的关系，而Mesh网络则能轻松实现多对多的连接，从而更好地满足了复杂的通信需求和场景。

  智能家居设备：蓝牙Mesh模组可以嵌入智能家居设备中，如智能灯泡、智能插座、智能门锁等，实现设备之间的互联互通，用户能够最终靠智能手机或智能语音助手控制家居设备，实现智能化的家居管理。

  商业照明系统：蓝牙Mesh模组可以应用于商业照明系统中，通过控制灯具的亮度、颜色和场景，实现节能环保和舒适的照明效果。同时，还能够最终靠定位功能实现室内定位和导航服务，提升商业场所的用户体验。

  工业自动化：在工业领域，蓝牙Mesh模组可以用于工厂自动化系统中，实现设备之间的数据传输和控制。例如，可以应用于机器设备的远程监控和维护、生产线的实时监测和调整等方面，提高工业生产的效率和质量。

  智能城市设施：蓝牙Mesh模组可以应用于智能城市设施中，如智能路灯、智能停车场、智能垃圾桶等，实现城市设施的智能化管理和监控。通过数据采集和分析，能轻松实现城市设施的智能调度和优化，提升城市管理的效率和品质。

  健康医疗设备：蓝牙Mesh模组还能应用于健康医疗设备中，如智能健康监测器、医疗器械远程监控系统等，实现对患者健康数据的实时监测和管理，提高医疗服务的效率和质量。

  总的来说，蓝牙Mesh模组在智能家居、商业照明、工业自动化、智能城市和健康医疗等领域都有广泛的应用，为各种设备和系统的互联互通提供了可靠的解决方案，推动了物联网技术的发展和普及。