在本文中，我們將熟悉一些基本的藍牙網(wǎng)格概念，例如節(jié)點和元素。我們還將看到藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡中的節(jié)點有不同的要求。為了滿足這些要求，藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡協(xié)議允許每個節(jié)點具有一些額外的可選功能，即中繼、朋友、低功耗和代理功能。

了解藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡中的節(jié)點

首先，讓我們考慮一個假設(shè)的智能家居示例來解釋這些概念?？紤]圖 1 所示的平面圖。

圖 1. 智能家居布局中的節(jié)點示例

在此示例中，每個房間都有一個或多個燈以及用于控制室溫的恒溫器。此外，走廊中還有一個占用傳感器（圖中的節(jié)點 15）。這些設(shè)備中的每一個都包含一個藍牙無線電，以便能夠與系統(tǒng)的其他部分進行通信。在藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡術(shù)語中，這些設(shè)備中的每一個都稱為一個節(jié)點。

換句話說，節(jié)點是藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡的基本單元，它執(zhí)行特定功能，例如照明或感測物理參數(shù)，并且包括能夠與網(wǎng)絡的其余部分通信的藍牙無線電。

給定節(jié)點可以直接與一個或多個附近節(jié)點通信，但通常它不能直接與網(wǎng)絡中的每個其他節(jié)點通信。不在彼此直接無線電范圍內(nèi)的節(jié)點應通過中間節(jié)點進行通信。例如，在上圖中，節(jié)點 11 可以通過節(jié)點 9 與節(jié)點 14 進行通信。

藍牙 Mesh 節(jié)點元素

藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡中的一個節(jié)點可能有多個組成部分。在上面的例子中，一組三個燈泡被抽象為網(wǎng)絡中的一個節(jié)點，節(jié)點 6。在這種情況下，這三個燈泡之間的通信通過單個藍牙無線電進行。在藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡的上下文中，節(jié)點的組成部分稱為元素。

節(jié)點中的每個元素都有一個唯一的地址，稱為單播地址。通過這些單播地址，我們能夠獨立控制節(jié)點的元素。根據(jù)藍牙網(wǎng)格規(guī)范，元素是節(jié)點內(nèi)的可尋址實體。

一個節(jié)點可以有不同類型的元素。例如，考慮一個還包括占用傳感器的開關(guān)。在這種情況下，切換功能和占用感應功能是節(jié)點的兩個不同元素。類似地，還具有光水平傳感器的占用傳感器形成具有兩個元素的節(jié)點。網(wǎng)絡的每個節(jié)點至少有一個元素，稱為“主要元素”。節(jié)點的附加功能（如果有的話）稱為“輔助元素”。

藍牙節(jié)點特性：節(jié)點是異構(gòu)的！

在藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡中，節(jié)點有不同的要求。例如，燈泡節(jié)點由電源供電，而傳感器節(jié)點可能由電池供電。這兩個節(jié)點的功率要求明顯不同。雖然燈泡可以一直亮著，但傳感器應將大部分時間花在睡眠模式以節(jié)省電量。

節(jié)點的處理能力也不相同。例如，通過網(wǎng)絡路由信息的節(jié)點比不充當路由器的網(wǎng)絡邊緣節(jié)點需要更多的處理能力。此外，網(wǎng)絡中的某些節(jié)點可能需要能夠與不直接支持藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡的設(shè)備（例如智能手機和平板電腦）進行通信。

為了滿足所有這些要求，藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡協(xié)議允許每個節(jié)點具有一些額外的可選功能。有四個預定義的節(jié)點特性（圖 2），即中繼、朋友、低功耗和代理特性。

圖 2. 典型的藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡由具有不同特性的節(jié)點組成。圖片由英飛凌提供

讓我們來看看這些節(jié)點特性。

中繼節(jié)點特性：與 Zigbee 和 Thread 的區(qū)別

中繼節(jié)點重新傳輸它接收到的信息。這是網(wǎng)狀網(wǎng)絡的基本要求，可擴展覆蓋范圍并增強可靠性。但是，應該注意，這是一個可選功能，并非所有節(jié)點都需要充當中繼器。例如，位于網(wǎng)絡邊緣的節(jié)點不需要是中繼節(jié)點。

由于中繼節(jié)點需要不斷地監(jiān)聽網(wǎng)絡并重新傳輸接收到的信息，因此其功耗較高，通常需要市電供電。

藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡與 Zigbee 和 Thread 等協(xié)議之間存在根本區(qū)別。Zigbee 和 Thread 使用路由表，這意味著為從節(jié)點 A 到節(jié)點 B 的消息選擇特定的路徑。但是，使用藍牙網(wǎng)格，沒有特定的路徑，數(shù)據(jù)包只是廣播到所有附近的節(jié)點。中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)他們收到的消息，直到它到達他們的最終目的地。

由于這種被稱為“泛洪傳輸”模型的路由方法，必須仔細選擇中繼節(jié)點的數(shù)量和位置，以提供足夠的傳輸路徑，而不會不必要地增加網(wǎng)絡流量。大量的中繼節(jié)點會增加網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)包沖突率、延遲和能量消耗。

低功耗節(jié)點和友元特性

顧名思義，低功耗節(jié)點 （LPN） 試圖將功耗降至最低。這對于電源有限的設(shè)備非常有用，例如家庭自動化中的電池供電傳感器節(jié)點和零售店中的價格標簽。為了最大限度地降低功耗，LPN 大部分時間都處于休眠模式，此時節(jié)點無線電硬件已關(guān)閉。

總體而言，LPN 僅短暫喚醒以與網(wǎng)絡通信，并且無法在睡眠模式下接收其消息。因此，需要另一個沒有功率限制并且可以始終開啟的節(jié)點來收集應該傳遞到 LPN 的消息。LPN 通過它與網(wǎng)絡通信的這個關(guān)聯(lián)節(jié)點稱為朋友節(jié)點。

朋友節(jié)點始終偵聽網(wǎng)絡并為其關(guān)聯(lián)的 LPN 收集傳入消息。當 LPN 喚醒時，它會 ping 其朋友節(jié)點以檢查是否有任何新消息。朋友節(jié)點還將來自 LPN 的消息中繼到網(wǎng)絡中，這意味著朋友節(jié)點也應該是中繼節(jié)點。

例如，燈泡是一種常見的設(shè)備類型，可以作為附近功率受限設(shè)備的朋友節(jié)點。如下圖 3 所示，一個好友節(jié)點可以與多個 LPN 建立好友關(guān)系。

圖 3. 顯示朋友節(jié)點和 LPN 關(guān)系的示例

友誼功能允許我們將功率受限的設(shè)備添加到藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡。想了解更多關(guān)于藍牙m(xù)esh中的友誼，請參考這篇文章。

節(jié)點代理功能

代理功能允許節(jié)點充當網(wǎng)狀網(wǎng)絡和不直接支持藍牙網(wǎng)狀但支持藍牙低功耗 （BLE）的智能手機等設(shè)備之間的接口。在藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡中，有兩種不同的消息傳輸方法：ADV（或廣告）承載和 GATT（或通用屬性）承載，如圖 4 所示。

圖 4. ADV 承載（左）和 GATT 承載（右）概覽。圖片由瑞薩電子提供。

ADV 承載使用 BLE 設(shè)備的廣播狀態(tài)來發(fā)送和接收消息。當 BLE 設(shè)備發(fā)布廣告時，它會定期發(fā)送數(shù)據(jù)包，這些數(shù)據(jù)包可以被附近的設(shè)備檢測和處理。ADV 承載發(fā)送的消息可以被多個節(jié)點同時接收。此方法用于網(wǎng)狀網(wǎng)絡內(nèi)部的通信，但并非所有可用的智能手機都支持。ADV 承載基于 BLE 的 GAP（或通用訪問配置文件）并使用一種特殊類型的廣告，稱為不可連接和不可掃描的非定向廣告。

另一方面，GATT 承載在點對點拓撲中發(fā)送和接收消息。在這種情況下，需要建立連接。所有支持 BLE 的智能手機都可以通過 GATT 承載進行通信。藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡的代理節(jié)點支持使用 GATT 承載和 ADV 承載進行通信。換句話說，代理節(jié)點具有在 GATT 和 ADV 承載之間中繼消息的能力，因此可以充當不支持藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡但具有 BLE 功能的智能手機等設(shè)備的網(wǎng)狀網(wǎng)絡接口。

代理功能還可用于將支持 BLE 的舊傳感器連接到藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡。例如，基于藍牙 4.0 的舊傳感器可以與具有代理功能的燈泡通信。在這種情況下，燈泡將消息從一個承載傳輸?shù)搅硪粋€承載，以便舊傳感器可以與網(wǎng)絡通信。