藍牙物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的進化之路

藍牙物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品與應(yīng)用可能很多人還不是很了解，但是做一項通訊技術(shù)，相信大多數(shù)人都有接觸藍牙產(chǎn)品，比如說智能手機與電腦上面都之處藍牙連接，還有汽車的揚聲器、無線鼠標(biāo)等等。而藍牙在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中的應(yīng)用則更多的是在城市與工業(yè)場景中進行大規(guī)模的Mesh網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)備的鏈接。

從點對點到mesh，藍牙的進化之路

自1994年電子工程師Jaap Haartsen在瑞典為愛立信工作時發(fā)明藍牙技術(shù)以來，藍牙技術(shù)已經(jīng)取得了長足的進步。他認(rèn)為，這種技術(shù)可以替代RS-232數(shù)據(jù)線。自上世紀(jì)60年代以來，RS-232數(shù)據(jù)線一直是連接電腦和外圍設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。

Haartsen使用了ISM頻段使 (從2.4 GHz到2.485 GHz)，在幾米的短距離內(nèi)發(fā)送小而簡單的數(shù)據(jù)包，從而打破了數(shù)據(jù)線這一標(biāo)準(zhǔn)。

1998年，Haartsen在創(chuàng)建藍牙特別興趣小組(SIG)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，該小組類似于3GPP和LoRa Alliance這樣的標(biāo)準(zhǔn)制定機構(gòu)，將藍牙技術(shù)逐漸推廣至世界。

使用藍牙物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實現(xiàn)業(yè)務(wù)目標(biāo)

目前市面上有各種各樣的連接技術(shù)，包括NB-IoT、eMTC、LoRa等等，因此企業(yè)在選擇使用何種連接技術(shù)的時候需要考慮以下幾個問題：

首先要明確公司發(fā)展IoT的業(yè)務(wù)目標(biāo)是什么，只有目標(biāo)明確，才能進行更好的技術(shù)選擇。

其次，要考慮公司所處的行業(yè)以及用戶的物理環(huán)境如何，因為連接技術(shù)需要因物理環(huán)境不同而變動。

然后，就是公司的業(yè)務(wù)是否有涉及在室內(nèi)室外都有覆蓋。

接著，就是要考慮公司的應(yīng)用環(huán)境是否有現(xiàn)成的電源，或者這些設(shè)備需要電池驅(qū)動?

最后，就是確定在項目中發(fā)送的數(shù)據(jù)數(shù)小數(shù)據(jù)包還是視頻/音頻等大數(shù)據(jù)包。

藍牙的優(yōu)勢與缺點

藍牙的技術(shù)特點就是低功耗，理論上無限的可擴展性和新興藍牙Mesh網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)可靠性，這種特性使得它能夠在室內(nèi)資產(chǎn)跟蹤場景非常的合適。

當(dāng)然，藍牙也不是萬能靈丹妙藥，它也有著自身的缺陷，比如說，傳輸距離短便是一個明顯問題，這也限制了它的應(yīng)用，例如，它不能很好地跟蹤港口或石油鉆井平臺上的水下資產(chǎn)。藍牙2.4 GHz的信號不能穿透水井。對于需要通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布視頻、音頻或生物特征信息的安全解決方案來說，藍牙也是一個糟糕的選擇。

藍牙物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的體系結(jié)構(gòu)

要理解為什么最近藍牙標(biāo)準(zhǔn)的變化對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來說意義重大，我們必須首先深入研究藍牙“堆?！?，“堆?！北举|(zhì)上意味著協(xié)議、流程和應(yīng)用程序的自底向上分層，其中每個較高的層依賴于下面的層，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建。最新的藍牙規(guī)范IoT-Bluetooth mesh必須在BLE 4.0或者5.0上進行設(shè)計。因此，新興的藍牙網(wǎng)格堆棧由三個堆棧層組成:核心層、BLE層和頂部的網(wǎng)格層。

藍牙網(wǎng)格堆棧圖

藍牙拓?fù)?點對點、廣播、Mesh

在過去的24年里，藍牙的拓?fù)湟苍诓煌５慕?jīng)歷著變化，以適應(yīng)市場的需求，從最初的點對點演化至點對多的廣播式再到最新的多對多的Mesh網(wǎng)絡(luò)。

點對點：就是藍牙作為兩種設(shè)備配對的一種方式，比如我們使用的無線鼠標(biāo)之于電腦就是這種連接。

一對多:藍牙是一種讓一臺設(shè)備向多臺設(shè)備廣播信息的方式，反之亦然。例如使用一臺手機可以在智能揚聲器上播放音樂，同時向投影儀投射照片。

多對多:藍牙是將許多設(shè)備連接到其他設(shè)備的一種方式，就像在蜘蛛網(wǎng)中一樣，示例:將倉庫中數(shù)百上千個頭頂燈相互連接，根據(jù)活動和個人喜好自動調(diào)暗和點亮燈。

藍牙拓?fù)鋱D

從點對點到mesh，藍牙的進化之路

藍牙低功耗技術(shù)(BLE)，藍牙的重要演進

2009年推出的藍牙低功耗(Bluetooth Low-Energy 簡稱BLE)技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的未來應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。BLE是一種主要針對小型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用(如可穿戴設(shè)備和廣播信標(biāo))的規(guī)范，這些應(yīng)用需要設(shè)備以最小的功耗發(fā)送少量數(shù)據(jù)。Bluetooth SIG對Bluetooth Classic技術(shù)進行了幾項更改，以使其在不影響通信范圍的情況下減少耗電量，功耗降低了95%到99%(取決于用例)。將消息加密升級到128位AES-CCM(政府級別)。

在上表中，我們可以看到活動節(jié)點的數(shù)量從7個增加到“無限制”。在這項技術(shù)使得藍牙成為從小型個人應(yīng)用向大規(guī)?？蓴U展物聯(lián)網(wǎng)解決方案的轉(zhuǎn)變關(guān)鍵。

藍牙Mesh:專注于物聯(lián)網(wǎng)的連接

藍牙SIG在2017年宣布了“mesh標(biāo)準(zhǔn)”，規(guī)范了理論上無限多對多的BLE特性。以前的藍牙拓?fù)渲饕顷P(guān)于人和事物之間的接口。雖然最終目標(biāo)仍然是放大人類的潛力，但Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本上是關(guān)于事物如何大規(guī)模的相互通信。

全方位的連接以及跟可靠的通信

在Mesh網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點都充當(dāng)發(fā)射機、中繼器和接收機的角色。從它的起源，一個給定的消息從一個節(jié)點跳到另一個節(jié)點是全方位的，而不是線性的。想象一個蜘蛛網(wǎng)而不是一條高速公路。因此，該拓?fù)湎司W(wǎng)關(guān)故障的問題，因為網(wǎng)格通過在死節(jié)點周圍推送消息自動“自修復(fù)”。網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域也可以添加或刪除，除了配置和狀態(tài)配置之外沒有什么麻煩。因此，拓?fù)洳粌H是健壯的，而且是模塊化的。

對大量信息進行更高效的管理

使藍牙網(wǎng)格具有健壯拓?fù)涞脑S多特性都源于藍牙SIG對“flooding”技術(shù)的改進。flooding類似于互聯(lián)網(wǎng)的工作方式。當(dāng)一個給定的mesh節(jié)點發(fā)布數(shù)據(jù)時，它通過“flooding”所有直接范圍內(nèi)的節(jié)點來完成。這些節(jié)點依次淹沒了它們所能到達的所有節(jié)點，以此類推。而且，由于只有顯式地處理或“訂閱”節(jié)點才能對通過它們的數(shù)據(jù)進行操作，所以企業(yè)可以將每個設(shè)備作為中繼，而不是依賴網(wǎng)關(guān)。

雖然“flooding”聽起來效率很低，但是它支持光滑的硬件設(shè)計、簡單的命令執(zhí)行和節(jié)點之間的短距離跳躍——效率直接轉(zhuǎn)化為低功耗、低單位成本和可伸縮性?！癕anaged flooding”是BLE網(wǎng)格中使用的flooding的一種改進。它使標(biāo)準(zhǔn)化的Mesh網(wǎng)絡(luò)在可伸縮的藍牙物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中更有效地運行。

Managed flooding在Mesh拓?fù)涞木哂幸韵聨讉€技術(shù)特性：

每個網(wǎng)格節(jié)點定期發(fā)出“心跳”，以提醒附近的節(jié)點它是活動的，并準(zhǔn)備好傳遞消息。

接收到給定心跳的節(jié)點可以計算到心跳原點的距離。當(dāng)你限制了Mesh網(wǎng)絡(luò)的“跳數(shù)”時，允許網(wǎng)絡(luò)通過選擇消息的最佳生存時間(TTL)值來節(jié)省能量。

Mesh可以劃分為“子網(wǎng)”，這些子網(wǎng)將大量的消息解析為不同的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，從而在為拓?fù)湓黾幼钚【S度復(fù)雜性的同時節(jié)約能源。

每個節(jié)點緩存通過它的每個消息，因此當(dāng)消息淹沒節(jié)點時，它知道丟棄而不是中繼其緩存包含的任何消息。緩存使節(jié)點能夠管理信息流，同時保持電路簡單和節(jié)約能源。

友誼和代理

“友誼”是新的Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個整潔的特性，它允許它進一步管理大量的消息，同時也節(jié)約能源。

即你可以提供一些設(shè)備作為低功耗節(jié)點(LPNs)，另一些設(shè)備作為它們的“朋友”。他的朋友通常不受電力限制(也就是說，他們連接的是電網(wǎng)而不是電池)。在沒有電源限制的情況下，朋友節(jié)點貪婪地監(jiān)聽LPN，并將發(fā)送到LPN的消息排成隊列，就像語音信箱一樣，而LPN則關(guān)閉接收器以節(jié)省電源。當(dāng)LPN周期性地醒來時，它可以詢問朋友是否有消息存儲，在接收器上翻轉(zhuǎn)，并讓朋友節(jié)點在LPN返回睡眠之前以突發(fā)方式發(fā)送整個隊列。

這允許解決方案提供者利用廣播藍牙拓?fù)涞膬?yōu)點，但在一個靈活的mesh框架內(nèi)，根據(jù)用例的特定數(shù)據(jù)和電源需求裁剪最終結(jié)果。

Mesh拓?fù)涞淖詈笠粋€令人興奮的特性是，它可以在沒有網(wǎng)格堆棧的情況下與藍牙設(shè)備進行接口和包含。較老的可兼容BLE的設(shè)備包括BLE自2009年推出以來售出的數(shù)十億部智能手機。能夠使用舊技術(shù)與Mesh網(wǎng)絡(luò)交互的好處是顯而易見的。

回想一下，網(wǎng)格堆棧是層在BLE堆棧之上?？紤]到所有BLE設(shè)備都有一個通用屬性(GATT)配置文件。如果你提供一個網(wǎng)格節(jié)點作為代理，它將公開一個GATT接口，任何BLE設(shè)備都可以通過該接口“連接”Mesh網(wǎng)絡(luò)并與其節(jié)點交互?？傊?，mesh的代理協(xié)議使其向后兼容。

未來將是一個混合的網(wǎng)絡(luò)

雖然，mesh對于藍牙來說是一個重要的進步，但是我們還是需要理性看待技術(shù)的進步，從目前看來，混合連接也越來越受到重視，愛立信認(rèn)為，Mesh網(wǎng)絡(luò)的真正力量可能在于代理協(xié)議。

更具體地說，這種能力可能來自于多模技術(shù)的、支持ble的設(shè)備，這些設(shè)備作為“毛細(xì)管通道”作用于其他連接模式，例如蜂窩網(wǎng)絡(luò)。最終結(jié)果將是一個混合核心網(wǎng)絡(luò)。這種混合網(wǎng)絡(luò)將更具有適應(yīng)性、模塊化和可伸縮性，而不是Mesh網(wǎng)絡(luò)保持離散和隔離。

當(dāng)用例需要的時候，為什么未來不應(yīng)該是混合的呢?

當(dāng)然，技術(shù)的使用還是由應(yīng)用決定。一些應(yīng)用將通過單一的連接模式得到最好的服務(wù)，但另一些應(yīng)用可能從混合連接模式中獲益，以提高可靠性、擴展性和實用性。未來，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用也將是多元與混合的，應(yīng)用場景將會跨越室內(nèi)室外、山川海洋、城市與農(nóng)村，所以我們也需要更加集成的物聯(lián)網(wǎng)方案。