MESH serisinin ilki olan bu makale , Bluetooth mesh 1.0 protokolünün mimarisini ve işlevlerini tanıtmaktadır . Bluetooth Low Energy protokolüne ek bir protokol olarak Bluetooth 5.0'dan bağımsız Bluetooth Mesh protokolü, Bluetooth Low Energy cihazlarına ilk kez açık standart bir ağ ağı sunar.

MESH ağı, akıllı ev ve bina otomasyonu için düşük güçlü bir kablosuz teknolojidiruygulamalar. İlk başta SIG, MESH ağı desteğine sahip olmadığı için mühendisler, akıllı ev uygulamalarının geliştirilmesi için Bluetooth Low Energy'yi diğer teknolojilere (ZigBee ve Thread gibi) değiştirmek zorunda kalıyor. Durum, Bluetooth ağının özellikleri 2017'nin ortalarında kamuoyuna açıklanana kadar sürdü. Artık Bluetooth SIG, Bluetooth 5.0 tamamlayıcı spesifikasyonu - Bluetooth ağ ağı 1.0'ı sunarak MESH ağ eksikliğini çözmüştür. Spesifikasyon, başka donanım desteğine ihtiyaç duymaz ve bellenimi güncelleyerek mevcut Bluetooth Düşük Enerji yongalarında (BLE4.0, BLE4.1, BLE4.2 ve BLE5.0) çalışabilir. Bazı çip üreticileri artık Bluetooth Mesh 1.0 protokolünü destekleyebilir.

1. BLE MESH Pazarı Şimdi

Şimdiye kadar dünyada 73 şirket SIG'de BLE MESH sertifikasına sahip ve sertifikalı ürün sayısı 461'e kadar çıkıyor. Bu veri, terminal ürünleri ve çipin toplam sertifika sayısını içeriyor. Aşağıdaki tablo, Çinli İnternet devleri tarafından onaylanan birçok terminal ürününün bulunduğu, sertifikalı şirketleri ve ürün sertifikalarının sayısını listeler.

2. MESH'in Avantajları

Bluetooth Low Energy, kablosuz teknolojiyi pille çalışan cihazlara genişleterek "klasik" Bluetooth'un yüksek güç tüketimini tamamlamak üzere orijinal olarak tasarlanmıştır. Örneğin, kalp atış hızı kemerleri ve kablosuz olarak kontrol edilen oyuncak uygulamaları, Bluetooth Low Energy teknolojisi aracılığıyla bir ana cihazla (cep telefonu gibi) iletişim kurar. Bir ana cihaz bile, bir yıldız ağ topolojisi oluşturmak için birden fazla bağımlı cihazı kontrol eder.

Bluetooth düşük enerji ve cep telefonlarının birlikte çalışabilirliği nedeniyle, Bluetooth düşük enerji, aydınlatma kontrolü , akıllı ev vb . gibi diğer uygulamalara hızla genişletilebilir. Bu tür uygulamalarda, yıldız ağının eksiklikleri ortaya çıkar. Örneğin, Bluetooth düşük enerji çözümleri yalnızca sınırlı sayıda eşzamanlı bağlantıyla (genellikle sekiz) başa çıkabilir. 8'den fazla ampulü olan aydınlatma cihazları ise tek bir komutla kontrol edilememekte, bu da kontrol gecikmelerine neden olmaktadır. Büyük evden uzaktaki ampuller, merkezi denetleyicinin menzili içinde olmayabilir ve yönlendirme işlevlerine sahip düğümler tarafından anahtarlanması gerekir.

Bluetooth Low Energy'nin piyasaya sürülmesinden bu yana 4.1, 4.2, 5.0, 5.1 ve 5.2 sürümlerini piyasaya sürdü. İletim aralığı, aktarım hızı, yayın verilerinin taşıma kapasitesi, AoA/AoD konumlandırma ve birlikte var olma iyileştirmeleri gibi protokoldeki birçok işlev geliştirildi . (bu yeni özelliklerden bazıları isteğe bağlıdır. İsteğe bağlı, bu yeni işlevleri desteklemeyen bir yonganın BLE 5.0 yongası olabileceği anlamına gelir).

Bluetooth Mesh 1.0, BLE 5'in basit bir yükseltmesi değil, Bluetooth protokolünden bağımsız bir dizi protokoldür. Ve herhangi bir önceki sürüm (BLE 4.0, BLE 4.1, BLE 4.2, BLE 5.0) çip ürünleri yükseltilebilir. Yeterli Flash ve RAM kaynakları öncülüğünde, yalnızca Bluetooth ağını çalıştırmak için bellenimi yükseltmesi gerekir.

Bluetooth MESH düğümü bir mesaj aldığında, Bluetooth düşük enerji katmanından elde ettiği verileri taşıyıcı katmana aktarır, ardından veriler taşıyıcı katman aracılığıyla ağ katmanına aktarılır. Ağ katmanı, mesajın alt taşıma katmanına iletilip geçirilmeyeceğine veya atılıp atılmayacağına karar vermek için çeşitli kontroller kullanır.

Bluetooth MESH özelliği, yeni bir çekirdek protokolü tanımlar. Çekirdek protokol katmanlarından bazıları, Bluetooth düşük enerji çekirdek protokol katmanlarıyla bazı kavramları paylaşır, ancak iki protokol birbiriyle tamamen uyumlu değildir. Bu, ZigBee ve Thread gibi teknolojilerden farklıdır. ZigBee ve Thread başından beri MESH ağları olarak tasarlanmıştır. Temel belirtimler 802.15.4'ü temel alır, ancak diğer genel protokollerin uyumluluğu dikkate alınmamıştır. (Son iki yılda ZigBee dotdot kullanımını en üst seviyede diğer ağ protokolleri ile uyumlu hale getirmek ve ara bağlantı sağlamak için değerlendirmiştir. Detaylar için lütfen https://zigbeealliance.org/solution/dotdot/ adresine bakınız )

Dört tür ağ düğümü vardır:

Bir Röle Düğümü, reklam taşıyıcıyı kullanarak Bluetooth ağ mesajlarını alır ve yeniden iletir. Röle düğümlerinin dezavantajı, güç tüketimini büyük ölçüde artıracak olan her zaman uyarı durumunu korumak zorunda olmalarıdır. Akıllı aydınlatma gibi ana güçle çalışan uygulamalar üzerinde çok az etkisi vardır, ancak ağa dahil edilen anahtarlar gibi pille çalışan düğümler için büyük bir sorundur.

Düşük güçlü düğümler, Bluetooth Low Energy'nin (uzun süre uyku durumunu koruyan) standart güç tasarrufu özelliklerini kullanır, böylece pil veya enerji toplama yoluyla uzun süre çalışabilirler. LPN'ler, güç kısıtlaması olmayan (egit'in kalıcı bir AC güç kaynağına sahip olduğu) Friend düğümü ile birlikte çalışır. Friend, LPN'ye gönderilen mesajları depolar ve LPN Friend düğümünü "bekleyen mesajlar" için sorguladığında bunları LPN'ye iletir. LPN alma moduna girdiğinde (önceden belirlenmiş bir programa göre), saklanan mesajı alır ve talimatları takip eder, ardından enerji tasarruflu uyku moduna geri döner.

Arkadaş Düğümleri
Bir Arkadaş Düğümü, ilişkili bir Düşük Güçlü Düğüme gönderilen mesajları depolayabilir ve daha sonra iletebilir. Düşük güçlü bir düğüm uyandığında ve bir Friend düğümünü yokladığında, Friend bu mesajları ilgili Düşük güçlü düğüme iletecektir. Arkadaş düğümleri, bir veya daha fazla Düşük güçlü düğüm için mesaj depolaması gerektiğinden, diğer düğüm türlerinden daha fazla bellek kaplar. Gerekli bellek boyutu, yoklama işlemleri sırasında Friend düğümlerinde saklanması ve Düşük güçlü düğümlere gönderilmesi gereken veri/komut miktarına bağlıdır.

Proxy Düğümleri
Proxy Düğümü, ağ dışı Bluetooth Düşük Enerji cihazlarının (cep telefonu gibi) bir Bluetooth ağ ağının parçası olmasını sağlamanın anahtarıdır. Proxy düğümleri, Bluetooth LE cihazlarının bir örgü ağ ile etkileşime geçmek için kullanabileceği bir GATT arayüzünü ortaya çıkarır. Bir Vekil Düğüm, mesajları bir taşıyıcı (reklam veya GATT) üzerinden alabilir ve bunları diğeri (reklam veya GATT) üzerinden yeniden iletebilir. Proxy Düğümünün temel amacı, taşıyıcı dönüştürme gerçekleştirmektir. Reklam taşıyıcısından GATT taşıyıcısına veya tam tersine dönüşebilir. Bu nedenle, reklam taşıyıcısını desteklemeyen bir cihaz, bunun yerine bir GATT bağlantısı üzerinden çeşitli türlerde Bluetooth ağ mesajları gönderip alabilir. Örneğin, kullanıcı bir akıllı aydınlatma ağını kontrol etmek için geleneksel bir akıllı telefon kullanmak istediğinde işlev kullanışlıdır.

Şekil, basit bir Bluetooth ağ ağının bir örneğini sağlar. Bu örnekte, ampuller gibi çoğu düğüm şebekeden güç alır ve gelen mesajlar için reklam kanallarını sürekli olarak tarayabilir. Bu düğümlerden bazıları ayrıca geçiş, proxy ve arkadaş özelliklerini de destekleyebilir. Ayrıca, bu örneğin topolojisinde, düşük güçlü sıcaklık sensörü, düşük güç özelliğini kullanır ve arkadaş özelliğine sahip şebekeden güç alan düğümlerden biri tarafından desteklenir. Benzer şekilde, reklam taşıyıcı desteği olmayan bir akıllı telefon, proxy özelliğini destekleyen bir düğüm aracılığıyla ağ ağı ile iletişim kurar.

Ek olarak, yeni cihazın güvenilir bir cihaz olduğundan ve ağdaki tüm düğümlere erişebildiğinden emin olmak için yeni düğümün örgü ağa katılmadan önce yapılandırılması gerekir. Girdikten sonra, MESH ağı yeni düğüm için adresleri, cihaz türlerini ve cihaz anahtarlarını atar. Daha sonra cihaz anahtarı, yeni düğümleri yapılandırmak üzere güvenli bir kanal oluşturmak için kullanılır. Teorik olarak, Bluetooth MESH ağı 32.000'e kadar düğümü destekleyebilir.

5. Bluetooth MESH Mimarisi

Bluetooth ağ ağı, ağdaki mesajları göndermek için "sel" teknolojisini kullanır (Virüsün yayılma şekline benzer). Her veri paketi, mesaj hedef düğüme ulaşana kadar ağdaki diğer düğümlere iletilir. Mesaj yayını tek bir düğüm, bir grup düğüm ve tüm düğümler için olabilir. Örneğin tek bir odadaki tüm ışıkları grup adresi olarak tanımlayabiliriz. Bluetooth ağ belirtimi, dört sabit grup adresi tanımlar: "Tüm Proxy'ler", "Tüm Arkadaşlar", "Tüm Röleler" ve "Tüm Düğümler". (LPN, düşük güç tüketimini korumak zorunda olduğu için mesaj iletme işlevine sahip değildir.)

Taşan ağ mimarisi ve grup adresi seçimi, akıllı ev uygulamaları için Bluetooth ağ ağı desteğini artırır. Örneğin, MESH ağındaki Ağ Geçidi cihazı, MESH ağı üzerinden tüm ağa hızlı bir şekilde yayınlanabilen "AÇIK" komutunu alırsa. Ağdaki her düğüm cihazı komutu alır ve buna göre harekete geçer, hedef gruptaki ışıklar anında açılabilir.

Yıldız ağ ile karşılaştırıldığında, MESH ağ düğümleri için ortalama veri alma minimum bekleme süresi, yıldız ağdan çok daha düşüktür. Çünkü merkezi cihazın yıldız ağda bağlı her ampule ayrı bir komut göndermesi gerekmektedir. Ve CPU'nun tüm alt cihazlara zaman aralıklarında komutlar göndermesi gerekir.

Bluetooth MESH ile geleneksel Bluetooth arasında bazı farklılıklar vardır. Tüm örgü verileri yalnızca üç reklam kanalı 37, 38 ve 39 üzerinden iletilecektir. Avantajları ve dezavantajları vardır. Avantaj, yüksek verimlilik ve basit iletim yoludur. Dezavantajı ise ağ bant genişliğini azaltması ve tıkanıklık riskini artırmasıdır.

MESH ağının tıkanıklığı halletmesi için iki yöntem vardır: Birincisi, belirli bir paketin kaç kez iletilebileceğini (tipik olarak üç adım) tanımlayan TTL'dir (Yaşam Süresi) . İkincisi, ağ önbelleğidir . Cihaz, iletilen bir veri paketini yakaladıktan sonra yalnızca bir kez yayın yapacaktır. Cihaz, bir dahaki sefere diğer cihazlar tarafından yayınlanan aynı bilgi paketini aldığında daha fazla iletmeyecektir.

Geliştiriciler ayrıca isteğe bağlı grup dağıtım yollarını kullanabilir ve geçiş işlevini koruyabilir. Ayarlamadan sonra, düğüm veri paketini alabilir ancak iletemez. Bu nedenle, düğümün esnekliği zayıflayacaktır.

6. BLE MESH Modeli

MESH modeli kavramı, Bluetooth profili kavramına benzer. Model, bir veya daha fazla hizmet içerebilen bir genel bilgi yapısını belirtir (uç aygıtları tanımlamak için model kavramı kullanılır).

Model, düğümlerin belirli davranışlarını ve hizmetlerini içerir ve duruma göre hareket eden bir dizi durum ve mesaj tanımlar. Standart model, cihaz konfigürasyonu, sensör okumaları ve aydınlatma kontrolü gibi tipik uygulamalarda çalışabilir. Geliştiriciler ayrıca özel modeller de oluşturabilir.

Düğümlerdeki modeller, elemanlar tarafından düzenlenir. Her öğe, ağda benzersiz bir adrese sahip sanal bir varlık gibi davranır ve gelen her mesaj, öğedeki model tarafından işlenir.

Farklı modeller "yayınla ve abone ol" aracılığıyla birbirleriyle etkileşime girer. Yayınlama düğümü bir mesaj gönderir ve abone olmak için yapılandırılan düğüm, mesajı aldıktan sonra onu işler.

Aşağıdaki şekilde, “Switch 1” düğümünün Kitchen grup adresine yayın yaptığını görebiliriz. Light 1, Light 2 ve Light 3 düğümlerinin her biri Mutfak adresine abone olur ve bu nedenle bu adrese yayınlanan mesajları alır ve işler. Başka bir deyişle, Işık 1, Işık 2 ve Işık 3, Anahtar 1 kullanılarak açılıp kapatılabilir.

Switch 2, Yemek Odası grubuna adres yayınlar. Yalnızca Işık 3 bu adrese abone oldu ve bu nedenle Anahtar 2 tarafından kontrol edilen tek ışık da öyle. Bu örneğin aynı zamanda düğümlerin birden fazla farklı adrese gönderilen mesajlara abone olabileceği gerçeğini gösterdiğine dikkat edin. Bu hem güçlü hem de esnektir.

Benzer şekilde, her iki düğümün de Anahtar 5 ve Anahtar 6'nın aynı Garden adresine nasıl yayın yaptığına dikkat edin.

7. Bluetooth Ağ Yapılandırma Ağı

Aşağıdaki şekil, eksiksiz bir yapılandırma ağ aboneliğine bir örnektir. İşlem, Bluetooth MESH yapılandırma ağ kayıt ekipmanı için standart işlemdir. Başlangıçta bulb, katılmak için bir ağ aradığını bildirmek üzere MESH ağına bir sinyal gönderir. Yapılandırma düğümü ampul işaretini doğrular ve onu ağa katılmaya davet eder. Kimlik doğrulama başarılı olursa, cihaza ağa katılmak ve yapılandırmaya hazırlanmak için gerekli anahtarlar ve adresler sağlanacaktır. Daha sonra ampul "ev otomasyonu" APP anahtarı ile sağlanır. "OnOff sunucusu"nun (kontrol ampulü) yayınlama durumunu ayarlayacak ve son olarak "ışık grubu"na aboneliği ekleyecektir.

8. Bluetooth MESH Uygulamaları

SIG sertifikalı ürünlerin ön istatistiklerine dayanarak, BLE MESH uygulamalarının ağırlıklı olarak akıllı evler ve aydınlatma kontrol uygulamalarında yoğunlaştığı, aydınlatma kontrolünün %60, akıllı evlerin %30 ve son olarak %10 olduğu tespit edilmiştir. orijinal üretici çip sertifikasına ve niş pazar uygulamasına aittir. BLE MESH şüphesiz ZigBee'nin en büyük rakibi .