基于BLE Mesh組網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曾胡濤， 黃 晁， 白玉軍

(1.寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 浙江 寧波 315211；2.寧波中國(guó)科學(xué)院 信息技術(shù)應(yīng)用研究院，浙江 寧波 315100；3.寧波中科集成電路設(shè)計(jì)中心有限公司，浙江 寧波 315100)

基于BLE Mesh組網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曾胡濤1， 黃 晁2，3， 白玉軍1

(1.寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,浙江寧波315211；2.寧波中國(guó)科學(xué)院信息技術(shù)應(yīng)用研究院，浙江寧波315100；3.寧波中科集成電路設(shè)計(jì)中心有限公司，浙江寧波315100)

針對(duì)傳統(tǒng)智能產(chǎn)品組網(wǎng)方式復(fù)雜、耗電量大、同步控制以及需要獨(dú)立系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于低功耗藍(lán)牙(BLE)Mesh技術(shù)的室內(nèi)發(fā)光二極管(LED)燈及溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。測(cè)試表明:系統(tǒng)低功耗的性能優(yōu)于目前主流的無(wú)線(xiàn)芯片ZigBee,WiFi，同時(shí)提出了一種以解決Mesh網(wǎng)絡(luò)中功耗問(wèn)題的新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化了BLE Mesh的網(wǎng)絡(luò)功耗，且系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確無(wú)誤控制室內(nèi)的設(shè)備以及監(jiān)測(cè)各個(gè)設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)。該應(yīng)用會(huì)在未來(lái)智能物聯(lián)網(wǎng)家居產(chǎn)品領(lǐng)域具有較好的市場(chǎng)前景。

BLE Mesh組網(wǎng)； 低功耗； 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?物聯(lián)網(wǎng)

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展，智能家居地位也日益漸起，但在低功耗以及低成本方面存在著各種各樣的瓶頸，眾所周知，無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WiFi)特點(diǎn)是設(shè)備多、范圍廣、速度快，但耗電量大;而ZigBee[1～3]的優(yōu)點(diǎn)是低功耗，但速度慢、難兼容，其搭載的設(shè)備普及率極低，需要獨(dú)立的網(wǎng)關(guān)。

低功耗藍(lán)牙[4～6](Bluetooth low energy，BLE)技術(shù)則致力于特定空間內(nèi)使所有支持該技術(shù)的設(shè)備建立通信連接。其極低功耗、低成本、穩(wěn)定安全、開(kāi)放接口、快速傳輸?shù)忍攸c(diǎn)符合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)要求。但藍(lán)牙傳輸距離短(一般在10～30 m)，只能一對(duì)一配對(duì)，不能遙控等問(wèn)題也同時(shí)阻礙著其在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。隨著B(niǎo)LE Mesh[7]的問(wèn)世，打破了藍(lán)牙傳輸距離短的瓶頸,同時(shí)其是網(wǎng)絡(luò)狀連接而非點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，而且不需要獨(dú)立網(wǎng)關(guān)，可以直接與手機(jī)通信。

本文結(jié)合實(shí)際情況，所設(shè)計(jì)的應(yīng)用系統(tǒng)通過(guò)組建BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)家庭用戶(hù)通過(guò)安卓手機(jī)實(shí)時(shí)控制藍(lán)牙智能觸摸開(kāi)關(guān)、燈等電器協(xié)同工作，以及監(jiān)控其工作狀態(tài)等，同時(shí)針對(duì)Mesh 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功耗問(wèn)題，提出了一種新的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)[8,9]拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用BLE Mesh的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，無(wú)需傳統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)即可以與手機(jī)通信，及其低功耗、低成本對(duì)用戶(hù)具有重要意義。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)框架主要由用戶(hù)管理層和設(shè)備應(yīng)用層組成，兩者通過(guò)藍(lán)牙建立網(wǎng)絡(luò)連接。用戶(hù)管理層主要由用戶(hù)手機(jī)組成，手機(jī)對(duì)Mesh網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備進(jìn)行配置、添加、控制監(jiān)聽(tīng)等功能，同時(shí)用戶(hù)間還可以實(shí)現(xiàn)共享功能：主用戶(hù)可以授權(quán)Mesh網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)密鑰(network key)給其他用戶(hù)，同時(shí)將配置好的家庭內(nèi)設(shè)備信息共享給他人，即可實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)管理；設(shè)備應(yīng)用層由各個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)備組成：如圖1所示的客廳、臥室、陽(yáng)臺(tái)等應(yīng)用場(chǎng)景，而設(shè)備之間通過(guò)Mesh網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。如客廳：設(shè)備1為觸摸感應(yīng)模塊的藍(lán)牙設(shè)備模塊，設(shè)備2為集成藍(lán)牙功能的可調(diào)色燈驅(qū)動(dòng)電路，設(shè)備3為具有環(huán)境溫濕度檢測(cè)功能及光照度檢測(cè)功能的無(wú)線(xiàn)設(shè)備模塊。設(shè)備1觸摸感應(yīng)功能具有3路觸摸信號(hào)可測(cè)，將檢測(cè)出的信號(hào)經(jīng)過(guò)Mesh網(wǎng)絡(luò)傳遞給可調(diào)色燈驅(qū)動(dòng)模塊，可調(diào)色燈驅(qū)動(dòng)模塊上中藍(lán)牙單片機(jī)(micro controller unit,MCU)根據(jù)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，控制可調(diào)色燈驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生相應(yīng)的燈光變化。而溫濕度傳感器將檢測(cè)的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)應(yīng)用(APP)上，實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)功能。

圖1 系統(tǒng)整體框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器電路

系統(tǒng)主控制器采用BLE1010[7]藍(lán)牙芯片，具有4路脈寬調(diào)制(pulse-width modulation,PWM)波通道、3個(gè)10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter,ADC)模擬信號(hào)檢測(cè)接口以及12個(gè)通用輸入輸出(general purpose input/output,GPIO)等接口，豐富的外設(shè)接口資源足以滿(mǎn)足系統(tǒng)需求。此外該控制器還帶有BLE Mesh協(xié)議棧，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)65 535個(gè)設(shè)備互聯(lián)進(jìn)行通信。主控制器電路如圖2所示。

圖2 主控制器電路原理圖

2.2 傳感器電路

傳感器設(shè)備主要負(fù)責(zé)測(cè)量環(huán)境內(nèi)溫度、濕度、觸摸感應(yīng)等參數(shù)并傳遞到相關(guān)聯(lián)的設(shè)備或終端設(shè)備界面。分別采用紐扣電池供電，其硬件電路如圖3所示。溫濕度傳感器采用DHT11，通過(guò)單總線(xiàn)直接與藍(lán)牙CSR1010的并行輸入輸出(parallel input/output,PIO)10腳相連,采集環(huán)境的溫度和濕度，設(shè)置為15 min向終端設(shè)備發(fā)送一次數(shù)據(jù)(其他時(shí)間處于休眠狀態(tài))；觸摸感應(yīng)模塊設(shè)計(jì)成觸摸控制面板形式，具有設(shè)備本地控制功能，其優(yōu)先級(jí)最高，采用XC2863芯片，采集3路觸摸信號(hào)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)配置，控制相關(guān)的燈光設(shè)備產(chǎn)生相應(yīng)變化。

圖3 傳感器電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括底層設(shè)備控制及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控等人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)和Mesh組網(wǎng)控制器的軟件設(shè)計(jì)。

3.1 人機(jī)交互界面軟件設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面軟件采用基于安卓系統(tǒng)的Java語(yǔ)言，編程軟件采用Android Studio?？烧{(diào)色燈的控制界面：顯示所有場(chǎng)景可調(diào)色燈設(shè)備及其在線(xiàn)狀態(tài)；同時(shí)用戶(hù)通過(guò)中間調(diào)色圈可以選擇想要的燈光顏色及滑動(dòng)條控制燈亮度等；點(diǎn)擊分享按鈕能將所有設(shè)備信息通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙或者流量傳給其他用戶(hù)，加載按鈕可以加載接收的設(shè)備信息，而無(wú)需服務(wù)器保存或更新設(shè)備信息實(shí)現(xiàn)用戶(hù)共享功能；場(chǎng)景溫濕度監(jiān)控界面：顯示所有在線(xiàn)場(chǎng)景最近一次上傳溫濕度數(shù)據(jù)，顏色表示當(dāng)前設(shè)備在線(xiàn)，同時(shí)點(diǎn)擊設(shè)置按鈕會(huì)有圖表記錄所有上傳的溫濕度時(shí)間對(duì)照值。

3.2 Mesh組網(wǎng)控制器軟件設(shè)計(jì)

控制器軟件采用CSR提供的IDE(CSR μEnergy SDK 2.4.5.13)進(jìn)行軟件工程開(kāi)發(fā)，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化編程思想，各個(gè)程序主要包括：可調(diào)色燈燈控程序、3路觸摸開(kāi)關(guān)程序、溫濕度檢測(cè)程序、以及BLE Mesh設(shè)備間通信程序等，其軟件工作流程如圖4所示。

圖4 Mesh組網(wǎng)軟件流程

系統(tǒng)供電后,開(kāi)始正常工作，系統(tǒng)及各個(gè)子設(shè)備要進(jìn)行硬件初始化，包括Mesh協(xié)議棧的初始化以及設(shè)備外圍接口的初始化(PWM,ADC,I/O)，保證各場(chǎng)景子設(shè)備均處于正常工作狀態(tài)；BLE藍(lán)牙開(kāi)始組建Mesh網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)組建成功后，有限范圍內(nèi)子設(shè)備一直廣播其設(shè)備通用唯一標(biāo)識(shí)符(universally unique identifier device，UUID)等設(shè)備信息。經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)中中繼設(shè)備如波浪式傳至更遠(yuǎn)處，手機(jī)打開(kāi)藍(lán)牙后會(huì)去與其中的一個(gè)子設(shè)備建立BLE連接，且在手機(jī)客戶(hù)端關(guān)聯(lián)設(shè)備；當(dāng)設(shè)備獲取到設(shè)備身份(device ID)關(guān)聯(lián)(association)完成，各個(gè)子設(shè)備即可獨(dú)立工作：各場(chǎng)景子設(shè)備每隔15 min上傳采集的溫濕度數(shù)據(jù)至手機(jī)客戶(hù)端，同時(shí)各模塊正常工作。

3.3 新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.3.1 CSR Mesh

CSR Mesh 協(xié)議[7]使用低功耗藍(lán)牙技術(shù)將信號(hào)傳輸至其他接入Mesh網(wǎng)絡(luò)中的低功耗藍(lán)牙設(shè)備，這些設(shè)備再將接收的信號(hào)傳到更遠(yuǎn)的設(shè)備。信號(hào)可單獨(dú)傳輸給單個(gè)設(shè)備也可同時(shí)傳輸至多個(gè)設(shè)備，甚至還可傳輸至分屬多組的不同設(shè)備。其使用中繼方式擴(kuò)展低功耗藍(lán)牙的通信范圍，不需要使用集線(xiàn)器(Hub)或接入點(diǎn)(access point,AP)，同時(shí)傳播延遲極小，節(jié)點(diǎn)間僅約5 ms的延遲。

當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)從另一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包時(shí)，目標(biāo)地址檢查數(shù)據(jù)包內(nèi)發(fā)送的批處理圖字段，并確定響應(yīng)，或轉(zhuǎn)發(fā)，或丟棄該數(shù)據(jù)包。如圖5所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)廣播結(jié)構(gòu)

3.3.2 CSR Mesh協(xié)議功耗優(yōu)化

針對(duì)如上所述CSR Mesh[8～11]提出了新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋄3，4]圖如圖6所示，C為終端節(jié)點(diǎn)(c);B為橋模式(B);R為中繼模式(R);RB為路由模式(R+B)。各個(gè)節(jié)點(diǎn)所定義的含義：

1)終端節(jié)點(diǎn)：僅定期采集傳感器信息發(fā)送至其他中繼或橋接節(jié)點(diǎn)，或獲取中繼或橋接節(jié)點(diǎn)控制信息，采用低功耗廣播(ADV LOW)廣播自身設(shè)備信息；

2)橋模式：具有終端節(jié)點(diǎn)的全部功能，同時(shí)可與手機(jī)相互連接通信，采用標(biāo)準(zhǔn)低功耗藍(lán)牙的關(guān)貿(mào)總協(xié)定(general aggreement on tariffs and trade,GATT)協(xié)議與手機(jī)進(jìn)行通信；

3)中繼模式：具有終端節(jié)點(diǎn)的全部功能，同時(shí)可接收和轉(zhuǎn)發(fā)信息，采用廣播的方式中繼其他設(shè)備傳至的廣播信息；

4)路由模式：具有橋模式與中繼模式的全部功能。

圖6 BLE Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

例如本應(yīng)用的溫濕度藍(lán)牙設(shè)備設(shè)置在終端節(jié)點(diǎn)模式，其無(wú)需關(guān)心他設(shè)備，只需每15 min上傳自身的傳感器數(shù)據(jù)，其余時(shí)間則處在休眠狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)低功耗；而橋模式下的設(shè)備，用于與手機(jī)建立BLE連接，通過(guò)GATT互相通信，同時(shí)下發(fā)手機(jī)的命令以及關(guān)聯(lián)設(shè)備，而不像路由設(shè)備需要中繼其他節(jié)點(diǎn)的消息。此外所提出的新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌芍С侄嗯_(tái)手機(jī)控制與監(jiān)控。

如圖7所示，可在橋節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)功耗的最優(yōu)化，當(dāng)控制消息為連接上述節(jié)點(diǎn)手機(jī)發(fā)出，通過(guò)GATT[5]即可立即處理。將路由節(jié)點(diǎn)和橋節(jié)點(diǎn)區(qū)分開(kāi)，是由于路由節(jié)點(diǎn)為了增加網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的控制可靠性，需要中繼其他節(jié)點(diǎn)的消息，同時(shí)橋節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)可用于多用戶(hù)的接入。

圖7 橋節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)角色結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試分為硬件電路測(cè)試、軟件測(cè)試和系統(tǒng)整體測(cè)試。硬件測(cè)試主要對(duì)硬件PCB功能測(cè)試；軟件測(cè)試主要針對(duì)基本功能需求，如控制調(diào)光、溫濕度檢測(cè)，及APP界面UI等；系統(tǒng)整體測(cè)試主要檢測(cè)新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎略O(shè)備工作功耗，及APP能否監(jiān)聽(tīng)與控制整個(gè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，多用戶(hù)能否實(shí)現(xiàn)控制與監(jiān)控。測(cè)試工具：2臺(tái)Android手機(jī)。測(cè)試環(huán)境和結(jié)果如表1～表3所示。其中：R+B:節(jié)點(diǎn)處于路由模式；C:節(jié)點(diǎn)處于終端節(jié)點(diǎn)模式；B:節(jié)點(diǎn)處于橋模式；R:節(jié)點(diǎn)處于中繼模式。

表1 測(cè)試環(huán)境表

表2 各工作模式下測(cè)得的電流

表3 CSR Mesh與ZigBee電流對(duì)比

實(shí)際測(cè)試過(guò)程中將兩臺(tái)Android手機(jī)全部接入路由模式或橋模式的節(jié)點(diǎn)，結(jié)果均能實(shí)時(shí)控制設(shè)備以及達(dá)到設(shè)備監(jiān)聽(tīng)要求。由測(cè)試結(jié)果可以得出：

1)經(jīng)測(cè)試BLE Mesh的信號(hào)強(qiáng)度、通信距離、穿透性均可滿(mǎn)足應(yīng)用所需，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，24 h不間斷測(cè)試中，數(shù)據(jù)丟包率僅為0.8 %，網(wǎng)絡(luò)控制延時(shí)最大約為1 s；

2)藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)便捷。組網(wǎng)成功后能快速控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備各種工作狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)子設(shè)備可實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，能根據(jù)與其網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)設(shè)備信息作出相應(yīng)處理；

3)設(shè)備終端界面可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有效區(qū)域內(nèi)的設(shè)備狀態(tài)信息及傳感器采集的數(shù)據(jù)信息；

4)采用新的BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可顯著降低CSR Mesh網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的功耗，同時(shí)未優(yōu)化之前的BLE Mesh功耗也明顯較ZigBee低。

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)將家庭生活所需的如可調(diào)色燈、觸摸面板、溫濕度傳感器等設(shè)備互聯(lián)互通，方便用戶(hù)對(duì)家庭內(nèi)設(shè)備進(jìn)行管理，同時(shí)提升了家庭內(nèi)設(shè)備智能化水平。在無(wú)BLE Mesh拓?fù)錁?biāo)準(zhǔn)的前提下，采用Mesh藍(lán)牙技術(shù)設(shè)計(jì)智能產(chǎn)品能降低產(chǎn)品的功耗需求及成本問(wèn)題，同時(shí)在CSR Mesh的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新的BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?jīng)實(shí)際測(cè)試可有效降低BLE Mesh組網(wǎng)功耗。

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Designofapplicationsystemofnetworking-basedBLEMesh

ZENG Hu-tao1, HUANG Chao2,3, BAI Yu-jun1

(1.SchoolofInformationScienceandEngineering,NingboUniversity,Ningbo315211,China;2.InstituteofInformationTechnologyApplication,ChineseAcademyofSciences,Ningbo315100,China;3.NingboZhongkeIntegratedCircuitDesignCenterCoLtd,Ningbo315100,China)

Aiming at problem that networking mode of traditional intelligent product is complex,power consumption is large,synchronous control and independent gateway is needed,indoor light-emitting diode(LED) lights and temperature and humidity monitoring system based on Bluetooth low energy(BLE) Mesh technology are designed.The test shows that its low power performance is superior to the current mainstream wireless chip ZigBee,WiFi,and propose a new network consumption topology to solve power consumption problem in mesh network to optimize the BLE Mesh network power consumption,and the system can accurately control indoor equipment and monitor status parameters of each device.According to the above characteristics,the application will has better market prospects in the field of application of intelligent home networking products in the future.

Bluetooth Mesh networking; low power consumption;network topology;Internet of things(IoT )

10.13873/J.1000—9787(2017)12—0064—04

TP 391.4

A

1000—9787(2017)12—0064—04

2017—09—26

曾胡濤(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線(xiàn)通信低功耗，嵌入式系統(tǒng),E—mail：taogal976787288@163.com。黃 晁(1972-)，男，通訊作者，博士，副研究員，主要從事極動(dòng)云平臺(tái)、產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)、智慧城市系統(tǒng)研究工作,E—mail：huangchao@nbu.edu.cn。