藍(lán)牙Mesh網(wǎng)關(guān)模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉何 陳國丞

摘要：隨著藍(lán)牙技術(shù)引入了Mesh組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，以及Bluetooth SIG逐步完善藍(lán)牙Mesh協(xié)議規(guī)范，再結(jié)合現(xiàn)存的低功耗藍(lán)牙存量市場，使得藍(lán)牙Mesh較其他短距離無線通信更容易被推廣?；贛TK7268和Nordic52840搭建了一個(gè)藍(lán)牙Mesh網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，借助OpenWrt操作系統(tǒng)以及Nordic提供的PyACI腳本演示了系統(tǒng)的運(yùn)行過程，通過筆者實(shí)際測試，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可以滿足一般的Mesh應(yīng)用，如燈和開關(guān)組成的Mesh網(wǎng)絡(luò)。讀者在該系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步拓展集成其他無線協(xié)議，如ZigBee、Thread等，使系統(tǒng)成為一個(gè)支持多協(xié)議的網(wǎng)關(guān)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);智能網(wǎng)關(guān);BLE;藍(lán)牙Mesh

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）17-0037-04

1引言

伴隨5G+AIoT技術(shù)的發(fā)展，各種物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)品呈爆發(fā)性增長趨勢，這促進(jìn)了多種無線通信技術(shù)的發(fā)展，如ZigBee、Z-Wave、Thread、Wi-Fi、BLE等，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品根據(jù)不同的場景需求應(yīng)用到了上述無線通信技術(shù)，這些技術(shù)在多個(gè)方面表現(xiàn)各異，如協(xié)議、性能、可靠性、時(shí)延、成本以及覆蓋范圍等。實(shí)際應(yīng)用需要根據(jù)產(chǎn)品的服務(wù)屬性和應(yīng)用情景來選擇使用它們中的一種或多種組合。這些技術(shù)各有所長，其中BLE廣泛應(yīng)用于短距離通信，由于其簡單、低功耗、低成本等優(yōu)勢，在幾乎所有的智能手機(jī)、平板電腦、個(gè)人筆記本和其他消費(fèi)類電子都有用到BLE。得益于BLE的普及上，Bluetooth SIG在BLE的基礎(chǔ)上引入了Mesh網(wǎng)絡(luò)特性，并逐步制定了Bluetooth Mesh組網(wǎng)和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[1]。通過Mesh組網(wǎng)的方法，分散部署的產(chǎn)品通過藍(lán)牙Mesh拓?fù)渚W(wǎng)狀技術(shù)實(shí)現(xiàn)多對多（Many-to-Many）通信，通信數(shù)據(jù)借助中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，解決了端對端（End-to-End）通信距離不足的問題，突破了單個(gè)BLE低功耗藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)無線電覆蓋范圍短的壁壘[2-3]。

藍(lán)牙Mesh在BLE低功耗藍(lán)牙的基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展了應(yīng)用空間，最典型的變化是將點(diǎn)對點(diǎn)星狀網(wǎng)絡(luò)升級為多對多的Mesh拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，使得網(wǎng)絡(luò)設(shè)備容載量、魯棒性以及通信距離得到極大的提升，點(diǎn)狀星形網(wǎng)絡(luò)依賴中心節(jié)點(diǎn)，設(shè)備只能與中心節(jié)點(diǎn)直接通信，設(shè)備彼此之間無法直接通信，Mesh網(wǎng)絡(luò)則打破了此限制，設(shè)備間可以直接通信或通過中繼節(jié)點(diǎn)通信，因此Mesh網(wǎng)絡(luò)可以突破單個(gè)節(jié)點(diǎn)無線電覆蓋范圍的限制，消息通過中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)后讓網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍得到極大的延伸。

2藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)

2017年7月，Bluetooth SIG（藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟）正式宣布藍(lán)牙技術(shù)開始支持Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。在Bluetooth Mesh網(wǎng)絡(luò)中，理論上最大支持32767個(gè)節(jié)點(diǎn)和127跳（Hop），節(jié)點(diǎn)之間沒有連接的概念，消息的收發(fā)主要通過BLE廣播和掃描實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)消息可以被相鄰節(jié)點(diǎn)中繼，因此通過一個(gè)節(jié)點(diǎn)就可以控制和管理整個(gè)Mesh網(wǎng)絡(luò)。藍(lán)牙Mesh采用管理型網(wǎng)絡(luò)泛洪的方式控制信息的傳輸，相較于ZigBee用的路由方式更加簡單，不需要?jiǎng)?chuàng)建和維護(hù)路由表、鄰居表等路徑信息，Mesh消息通過廣播的方式經(jīng)由多條路徑到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，可有效避免因單點(diǎn)故障帶來的通信不可靠問題[4]。藍(lán)牙Mesh節(jié)點(diǎn)有中繼、代理、好友和低功耗四種基本特性，同一個(gè)節(jié)點(diǎn)可使能其中的一種或多種特性，如圖1所示[5]。中繼節(jié)點(diǎn)主要將收到的消息再次轉(zhuǎn)發(fā)傳輸出去;代理節(jié)點(diǎn)（Proxy）可以和手機(jī)等智能設(shè)備建立GATT連接，同時(shí)可以接收Mesh網(wǎng)絡(luò)的消息，因此該類節(jié)點(diǎn)是普通BLE設(shè)備和Mesh網(wǎng)絡(luò)的通信橋梁;低功耗節(jié)點(diǎn)主要應(yīng)用于電池供電類設(shè)備，它們需要和好友節(jié)點(diǎn)配合使用，好友節(jié)點(diǎn)替低功耗節(jié)點(diǎn)緩存消息，低功耗節(jié)點(diǎn)為節(jié)省電能，大部分時(shí)間都關(guān)閉了射頻功能，其自身通過周期性喚醒的方式向好友節(jié)點(diǎn)請求網(wǎng)絡(luò)給自己的消息。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控和配置管理，Mesh網(wǎng)絡(luò)一般有一個(gè)管理配置節(jié)點(diǎn)（Provisioner），它可以創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)并管理網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)往往集成在藍(lán)牙Mesh網(wǎng)關(guān)，Mesh網(wǎng)關(guān)可以通過多種方式訪問互聯(lián)網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)上云并接受云端的控制。

3系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)采用Nordic52840運(yùn)行Mesh協(xié)議棧，其具備1MB Flash和256kB RAM，充當(dāng)Mesh網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)配置設(shè)備（Provisioner），Provisioner通過UART接口與外部控制器交互，完整的網(wǎng)關(guān)功能需搭配Nordic官方提供的PyACI（Python Application Control Interface）腳本使用。主控制采用MTK7628芯片，運(yùn)行OpenWrt操作系統(tǒng)，系統(tǒng)的整體功能框圖如2所示。

4軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)主控制器MTK7628運(yùn)行OpenWrt操作系統(tǒng)，配置為Station模式通過Wi-Fi連接外部AP訪問互聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)的主體業(yè)務(wù)邏輯運(yùn)行在MTK7628上，如子設(shè)備管理、協(xié)議轉(zhuǎn)換和本地場景等。網(wǎng)關(guān)業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖3所示，gateway_proxy為網(wǎng)關(guān)進(jìn)程，該進(jìn)程下包含了六個(gè)子線程，各線程單元處理自身相應(yīng)的業(yè)務(wù)功能，其分工如表1所示：

4.1協(xié)議結(jié)構(gòu)

藍(lán)牙通信主要涉及兩部分協(xié)議，Mesh協(xié)議和串口協(xié)議，以下內(nèi)容分別對其進(jìn)行一個(gè)簡要介紹。

1）Mesh協(xié)議

Mesh通信數(shù)據(jù)包本質(zhì)上屬于BLE廣播包，如圖4所示，BLE廣播包含31個(gè)字節(jié)，廣播包有效數(shù)據(jù)部分由若干個(gè)廣播數(shù)據(jù)單元（AD Structure）構(gòu)成，一個(gè)廣播單元分為長度Len、類型Type（AD Type）和數(shù)據(jù)Data（AD Data）三部分。廣播數(shù)據(jù)中的AD Type標(biāo)示廣播段的含義（如設(shè)備名稱、UUID等），SIG聯(lián)盟統(tǒng)一規(guī)范了該字段的具體意義。當(dāng)前有三種類型用于Mesh數(shù)據(jù)包，分別為0x29（PB-ADV）、0x2A（Mesh Message）和0x2B（Mesh Beacon）[6]，因此Mesh網(wǎng)絡(luò)的Network PDU部分最大占據(jù)29個(gè)字節(jié)。

2）串口協(xié)議

Provisioner通過串口Uart與主控MTK7628交互，圖5定義了串口協(xié)議基本格式 length-opcode-payload，主要分三部分：指令長度、操作碼和數(shù)據(jù)包內(nèi)容[7]，其功能如表2所述。主控MCU和Provisioner之間的所有數(shù)據(jù)交互全部封裝成上述格式，其中數(shù)據(jù)域payload 主要分兩類：Command和Event。Mesh協(xié)議棧部分主要運(yùn)行在Provisioner，主控MCU如果需要操作Mesh網(wǎng)絡(luò)，可以通過下發(fā)相應(yīng)的Command給Provisioner;協(xié)議?；蚓W(wǎng)絡(luò)有事件發(fā)生，Provisioner通過Event上報(bào)給主控。

4.2 子節(jié)點(diǎn)配網(wǎng)

藍(lán)牙Mesh設(shè)備配網(wǎng)過程又稱啟動(dòng)配置（Provisioning），新設(shè)備New device需要通過啟動(dòng)配置加入Mesh網(wǎng)絡(luò)，從而成為Mesh網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)。新設(shè)備的啟動(dòng)配置過程通過五個(gè)步驟完成[8]：

1）待配網(wǎng)設(shè)備發(fā)送Beacon信號（Beaconing）;

2）啟動(dòng)配置設(shè)備（Provisioner）發(fā)出配網(wǎng)邀請（Invitation）;

3）交換公共密鑰（Exchanging public keys）;

4）設(shè)備相互認(rèn)證（Authentication）;

5）分發(fā)啟動(dòng)配置數(shù)據(jù)（Distribution of Provisioning data）。

圖6為設(shè)備配網(wǎng)過程示意圖，啟動(dòng)配置過程總共包含了10種類型的Provisioning PDU，如表3所示，實(shí)際配置過程中使用到的數(shù)據(jù)包類型根據(jù)不同的場景有所差異。

首先，待配網(wǎng)設(shè)備New Device會(huì)主動(dòng)廣播Unprovisioned Device Beacon信號，啟動(dòng)配置端Provisioner向待配網(wǎng)設(shè)備發(fā)出邀請（Invitation），在此過程中，如果周圍有多個(gè)待配網(wǎng)設(shè)備，用戶可以通過手機(jī)、平板或網(wǎng)關(guān)的UI界面選擇或指定特定設(shè)備進(jìn)行配置。新設(shè)備收到Provisioner的邀請后，回應(yīng)自身具備的能力（Capabilities），Provisioner會(huì)根據(jù)新設(shè)備的能力決定后續(xù)采取哪些動(dòng)作完成剩余階段的一系列操作，如公鑰交互方式、認(rèn)證方法等。為方便闡述，本文采用No OOB（Out-Of-Band）的方式交換Public Key，Provisioner通過Provisioning Start告訴新設(shè)備不使用OOB方式的公鑰，實(shí)際的Public Key由New device和Provisioner各自生成，再通過Provisioning Public Key發(fā)送給對方，雙方獲得對端設(shè)備公鑰后進(jìn)入到認(rèn)證階段。在認(rèn)證環(huán)節(jié)中，雙方各自產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，在將到現(xiàn)階段彼此交互過的所有PDU連同剛生成的隨機(jī)數(shù)進(jìn)行加密后的哈希值通過Provisioning Confirmation發(fā)給對端，接下來Provisioner通過Provisioning Random將剛產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)發(fā)給New Device，New Device使用此隨機(jī)數(shù)連同此前已交互的PDU加密計(jì)算哈希值，在與Provisioner發(fā)送過來的哈希值進(jìn)行對比，確認(rèn)無誤后，New Device以同樣的方式將其產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)發(fā)送給Provisioner，Provisioner確認(rèn)無誤后則雙方完成對彼此的認(rèn)證，認(rèn)證通過后，Provisioner通過Provisioning Data分發(fā)啟動(dòng)配置數(shù)據(jù)。New Device一旦成功獲得配置數(shù)據(jù)（Composition data）則正式成為Mesh網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)Node，并通過Provisioning complete告訴Provisioner完成配網(wǎng)過程。上述任何環(huán)節(jié)中，如果New Device出錯(cuò)或等待數(shù)據(jù)包超時(shí)，則可以通過Provisioning failed結(jié)束配網(wǎng)過程，如果New Device配網(wǎng)失敗，它應(yīng)該清除已接收到的所有數(shù)據(jù)，配網(wǎng)交互過程如果被中斷，Provisioner必須從頭開始Provisioning新設(shè)備。新設(shè)備的配網(wǎng)流程如圖7所示。

5 實(shí)驗(yàn)操作

為方便測試，我們可以先在電腦端將Provisioner基本功能調(diào)試好。首先搭建Python開發(fā)環(huán)境，準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)所需工具。開發(fā)版預(yù)留有Uart轉(zhuǎn)USB接口，將Provisioner連接到電腦后可以通過串口助手和其進(jìn)行交互，Nordic的串口協(xié)議提供了完備的協(xié)議棧操作接口，我們可以根據(jù)應(yīng)用具體功能需求進(jìn)行調(diào)用。

5.1 PyACI操作

本實(shí)驗(yàn)使用多塊Nordic官方開發(fā)板nrf52840-DK，其中一塊充當(dāng)Provisioner，其余的充當(dāng)Mesh節(jié)點(diǎn)， Nordic提供了PyACI（Python Application Control Interface）的方式和Provisioner進(jìn)行交互，打開Powershell窗口，執(zhí)行interactive_pyaci.py腳本，此腳本主要用于操作Mesh模組，通過調(diào)用SDK中的內(nèi)置API函數(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)操作。通過以下實(shí)驗(yàn)步驟可以實(shí)現(xiàn)將一個(gè)新設(shè)備配置到Mesh網(wǎng)絡(luò)，新設(shè)備進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)后將取得Mesh網(wǎng)絡(luò)的Network Key和App Key，此時(shí)用戶可以對設(shè)備支持的Model進(jìn)行控制。

#打開Provisioner所在的端口

1）python.exe .＼interactive_pyaci.py -d COM16 -l 5

#選擇數(shù)據(jù)庫文件

2） db = MeshDB（"database/example_database.json"）

#創(chuàng)建Provisioner實(shí)例

3）p = Provisioner（device， db）

#掃描待配網(wǎng)的新設(shè)備

4）p.scan_start（）

#對新設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)配置

5） p.provision（name="Light Node"）

#創(chuàng)建配置客戶端

6）cc = ConfigurationClient（db）

7）device.model_add（cc）

#選擇需要操作的設(shè)備

8）cc.publish_set（12， 1）

#獲取設(shè)備配置信息

9）cc.composition_data_get（）

#添加APP Key

10）cc.appkey_add（0）

#將APP KEY綁定到Model

11）cc.model_app_bind（db.nodes[0].unicast_address， 0， mt.ModelId（0x1000））

#創(chuàng)建On-Off客戶端

12）gc = GenericOnOffClient（）

13）device.model_add（gc）

#選擇需要控制的設(shè)備

14） gc.publish_set（0， 0）

#下發(fā)On指令

15）gc.set（True）

#下發(fā)Off指令

16）gc.set（False）

網(wǎng)關(guān)在第一次創(chuàng)建Mesh網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候會(huì)隨機(jī)生成Network Key和若干個(gè)App Key，并將其同步至Provisioner，配網(wǎng)過程中Provisioner會(huì)生成設(shè)備的Device Key，這個(gè)三個(gè)Key奠定了Mesh網(wǎng)絡(luò)通信安全的基石，由于Mesh網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)包長度受限，如果每次都傳輸這些Key將浪費(fèi)大量資源，因此這些Key都有其對應(yīng)的索引Index，子節(jié)點(diǎn)第一次獲得某個(gè)Key時(shí)也同步得到這個(gè)Key對應(yīng)的索引，因此后續(xù)需要用到某個(gè)Key時(shí)，則會(huì)使用其相應(yīng)的索引值代替。所有網(wǎng)絡(luò)和子節(jié)點(diǎn)相關(guān)的信息（包括各種Key、UUID、設(shè)備地址等）都需要網(wǎng)關(guān)保存到數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫保存了Mesh網(wǎng)絡(luò)的所有信息，因此如果當(dāng)前網(wǎng)關(guān)壞了或者用戶購買了新的網(wǎng)關(guān)，新網(wǎng)關(guān)需要接管現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，新網(wǎng)關(guān)僅需同步拿到Mesh網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)就可以完成替換了。

現(xiàn)今智能手機(jī)或平板一般都搭載有藍(lán)牙功能，藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)提供了代理Proxy角色，可以讓支持低功耗藍(lán)牙的傳統(tǒng)設(shè)備通過和代理角色建立GATT連接，然后接入Mesh網(wǎng)絡(luò)，從而讓不具備藍(lán)牙Mesh協(xié)議棧的藍(lán)牙低功耗設(shè)備可以與Mesh網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互。借助于藍(lán)牙功能的普及性，我們可以在手機(jī)或平板等智能設(shè)備上開發(fā)相應(yīng)的App，讓它們成為一個(gè)啟動(dòng)配置設(shè)備Provisioner。

6結(jié)束語

本文提供了一種快速搭建藍(lán)牙Mesh網(wǎng)關(guān)的方法，通過開源的OpenWrt系統(tǒng)可以免費(fèi)獲取很多第三方工具庫（如mbedTLS、Mosquitto等），相較于FreeRTOS等操作系統(tǒng)而言，省去了移植、調(diào)試成本。在編譯OpenWrt的時(shí)候需要使能Python相關(guān)的支持，這樣可以使用Nordic提供的PyACI腳本應(yīng)用，開發(fā)者可根據(jù)該腳本的調(diào)用執(zhí)行邏輯，將需要的具體功能集成到自己的網(wǎng)關(guān)模塊。藍(lán)牙Mesh是BLE低功耗藍(lán)牙技術(shù)的一個(gè)延伸應(yīng)用，隨著藍(lán)牙Mesh協(xié)議在各領(lǐng)域的不斷完善，設(shè)備之間的互通性將越來越強(qiáng)，外加人們?nèi)粘Ｉ畹闹悄茉O(shè)備基本搭載有藍(lán)牙功能，使得藍(lán)牙Mesh擁有ZigBee、Thread等技術(shù)無法比擬的先天優(yōu)勢，也使其更加容易被物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用整合。藍(lán)牙Mesh子設(shè)備分布式部署組網(wǎng)后，其中的任意節(jié)點(diǎn)連接到本網(wǎng)關(guān)即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上云和用戶遠(yuǎn)程操控，經(jīng)過筆者的實(shí)際測試使用，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可滿足一般的藍(lán)牙Mesh應(yīng)用場景。

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收稿日期：2022-03-16

基金項(xiàng)目：佛山市順德區(qū)核心技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目：AI語音+Wi-Fi6 IoT芯片模組開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用（項(xiàng)目編號：2130218002519）

作者簡介：葉何（1991—），男，湖南岳陽人，碩士，主要從事嵌入式開發(fā)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用相關(guān)工作;陳國丞（1972—），男，臺(tái)灣桃園人，博士，主要研究方向?yàn)闊o線通訊。