在本文中，我們將熟悉一些基本的藍牙網格概念，例如節點和元素。我們還將看到藍牙網狀網絡中的節點有不同的要求。為了滿足這些要求，藍牙網狀網絡協議允許每個節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。

了解藍牙網狀網絡中的節點

首先，讓我們考慮一個假設的智能家居示例來解釋這些概念。考慮圖 1 所示的平面圖。

圖 1. 智能家居布局中的節點示例

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（圖中的節點 15）。這些設備中的每一個都包含一個藍牙無線電，以便能夠與系統的其他部分進行通信。在藍牙網狀網絡術語中，這些設備中的每一個都稱為一個節點。

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

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

藍牙 Mesh 節點元素

藍牙網狀網絡中的一個節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絡中的一個節點，節點 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。在藍牙網狀網絡的上下文中，節點的組成部分稱為元素。

節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點的元素。根據藍牙網格規范，元素是節點內的可尋址實體。

一個節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。在這種情況下，切換功能和占用感應功能是節點的兩個不同元素。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點。網絡的每個節點至少有一個元素，稱為“主要元素”。節點的附加功能（如果有的話）稱為“輔助元素”。

藍牙節點特性：節點是異構的！

在藍牙網狀網絡中，節點有不同的要求。例如，燈泡節點由電源供電，而傳感器節點可能由電池供電。這兩個節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省電量。

節點的處理能力也不相同。例如，通過網絡路由信息的節點比不充當路由器的網絡邊緣節點需要更多的處理能力。此外，網絡中的某些節點可能需要能夠與不直接支持藍牙網狀網絡的設備（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，藍牙網狀網絡協議允許每個節點具有一些額外的可選功能。有四個預定義的節點特性（圖 2），即中繼、朋友、低功耗和代理特性。

圖 2. 典型的藍牙網狀網絡由具有不同特性的節點組成。圖片由英飛凌提供

讓我們來看看這些節點特性。

中繼節點特性：與 Zigbee 和 Thread 的區別

中繼節點重新傳輸它接收到的信息。這是網狀網絡的基本要求，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，并非所有節點都需要充當中繼器。例如，位于網絡邊緣的節點不需要是中繼節點。

由于中繼節點需要不斷地監聽網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。

藍牙網狀網絡與 Zigbee 和 Thread 等協議之間存在根本區別。Zigbee 和 Thread 使用路由表，這意味著為從節點 A 到節點 B 的消息選擇特定的路徑。但是，使用藍牙網格，沒有特定的路徑，數據包只是廣播到所有附近的節點。中繼節點轉發他們收到的消息，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點的數量和位置，以提供足夠的傳輸路徑，而不會不必要地增加網絡流量。大量的中繼節點會增加網絡的數據包沖突率、延遲和能量消耗。

低功耗節點和友元特性

顧名思義，低功耗節點 （LPN） 試圖將功耗降至最低。這對于電源有限的設備非常有用，例如家庭自動化中的電池供電傳感器節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，此時節點無線電硬件已關閉。

總體而言，LPN 僅短暫喚醒以與網絡通信，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點來收集應該傳遞到 LPN 的消息。LPN 通過它與網絡通信的這個關聯節點稱為朋友節點。

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

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

圖 3. 顯示朋友節點和 LPN 關系的示例

友誼功能允許我們將功率受限的設備添加到藍牙網狀網絡。想了解更多關于藍牙mesh中的友誼，請參考這篇文章。

節點代理功能

代理功能允許節點充當網狀網絡和不直接支持藍牙網狀但支持藍牙低功耗 （BLE）的智能手機等設備之間的接口。在藍牙網狀網絡中，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 設備的廣播狀態來發送和接收消息。當 BLE 設備發布廣告時，它會定期發送數據包，這些數據包可以被附近的設備檢測和處理。ADV 承載發送的消息可以被多個節點同時接收。此方法用于網狀網絡內部的通信，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。藍牙網狀網絡的代理節點支持使用 GATT 承載和 ADV 承載進行通信。換句話說，代理節點具有在 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狀網絡但具有 BLE 功能的智能手機等設備的網狀網絡接口。

代理功能還可用于將支持 BLE 的舊傳感器連接到藍牙網狀網絡。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到另一個承載，以便舊傳感器可以與網絡通信。