Podstawy Bluetooth Mesh – typy modułów
| TechnikaBez żadnych wątpliwości można stwierdzić, że technologia Bluetooth Low Energy (BLE) jest obecnie dominującym interfejsem komunikacyjnym w branży IoT. Wiele rodzajów urządzeń, jak np. układy dla inteligentnego budynku, systemy śledzenia zasobów czy urządzenia noszone w znaczący sposób korzystają z możliwości, jakie daje interfejs BLE, przede wszystkim pod względem energooszczędności. Koncepcja Bluetooth Mesh stanowi kolejny krok na drodze ewolucji tych systemów, umożliwiając tworzenie rozległych sieci wzajemnie komunikujących się ze sobą modułów.
Koncepcja Bluetooth Mesh opracowana została jako odpowiedź na jedno z głównych ograniczeń interfejsu BLE, czyli brak możliwości komunikacji wielu-do-wielu. BLE umożliwia jedynie połączenie jeden-do-jednego lub jeden-do-wielu. Tworzenie sieci urządzeń komunikujących się poprzez BLE jest również mocno utrudniane przez ograniczony zasięg tego typu transmisji, szczególnie we wnętrzach budynków, gdzie poszczególne moduły często oddzielone są od siebie wieloma ścianami lub innymi przeszkodami tłumiącymi siłę sygnału. W takim układzie utworzenie poprawnie działającej bezprzewodowej sieci modułów opartej na topologii gwiazdy może być bardzo utrudnione lub wręcz niemożliwe.
Komunikacja oparta na topologii kraty (wielu-do-wielu) jest bardziej odpowiednia dla systemów IoT również ze względów funkcjonalnych. Przykładem może być system zarządzania budynkiem z zamontowanymi w nim inteligentnymi żarówkami. Mogą one być kontrolowane jednocześnie przez wiele źródeł – przykładowo, kilka różnych smartfonów (każdego z mieszkańców), czujnik zmierzchu, czujnik ruchu oraz włączniki ścienne. Każdy z tych modułów powinien mieć możliwość transmisji danych bezpośrednio do żarówki.
Specyfikacja Bluetooth Mesh oficjalnie wprowadzona została w 2017 roku, m.in. z myślą o sytuacjach zbliżonych do tej z powyższego przykładu. Umożliwia utworzenie sieci modułów o topologii kraty. Pozwala to na znaczące wydłużenie zasięgu komunikacji oraz zwiększenie rozmiaru sieci. Przyjęte rozwiązania umożliwiają efektywną komunikację nawet skrajnie energooszczędnym modułom zasilanym bateriami o niewielkich pojemnościach. Wiele wskazuje na to, że technologia ta rozwijać się będzie jako jedno z dominujących rozwiązań w obszarze automatyki domowej, m.in. dzięki temu, że pozwala na uzyskanie dostępu do poszczególnych węzłów sieci bezpośrednio z wykorzystaniem tabletu lub telefonu komórkowego, bez potrzeby instalacji dodatkowych bramek. Duża interoperacyjność jest jedną z największych zalet tego rozwiązania, ponieważ daje wysoką pewność poprawnej pracy układów pochodzących od różnych producentów.
Elementy sieci Bluetooth Mesh
Sieć Bluetooth Mesh składa się z węzłów, które mogą charakteryzować się określonymi cechami. Każdy z modułów może (lecz nie musi) posiadać jedną lub więcej cech, określających różne role i funkcjonalności, które dany układ jest w stanie pełnić. Podstawowe role/cechy, które mogą być przypisane poszczególnym elementom sieci to:
- Relay Node (przekaźnik),
- Low Power Node (LPN, moduł energooszczędny),
- Friend Node (moduł zaprzyjaźniony),
- Proxy Node,
- Provisioner.
Przykład sieci zbudowanej z wykorzystaniem modułów różnego typu, pełniących różne role w procesie komunikacji, przedstawiony został na rysunku 1. Jak już wspomniano, każdy z modułów może wspierać jedną lub kilka dodatkowych funkcjonalności. Przykładowo, na przedstawionym schemacie węzeł R+F wspiera funkcję Relay oraz Friend, zaś węzeł R+P funkcje Relay oraz Proxy.
Poniżej omówione zostaną charakterystyki poszczególnych funkcjonalności. Do zrozumienia działania sieci Bluetooth Mesh oraz jej możliwości interakcji z otoczeniem konieczna jest jednak również znajomość sposobów komunikacji dopuszczalnych w sieci. W technologii Bluetooth Mesh możemy spotkać się z dwoma warstwami, czy też protokołami komunikacji. Warstwa advertising to sposób, w jaki wszystkie węzły sieci komunikują się ze sobą. Wszystkie układy certyfikowane do standardu Bluetooth Mesh przez Bluetooth SIG (Special Interest Group, organizacja odpowiedzialna za utrzymanie i rozwój standardu Bluetooth) obsługują ten standard komunikacji. Aby jednak zapewnić możliwość interoperacyjności z urządzeniami obsługującymi tylko standard BLE, dopuszczono także komunikację z wykorzystaniem warstwy GATT, tożsamej ze standardem BLE. Dzięki temu urządzenia takie jak smartfony czy tablety są w stanie komunikować się pośrednio (z wykorzystaniem ramki GATT) ze wszystkimi modułami w sieci. Mechanizm ten dokładniej opisany zostanie przy okazji omawiania funkcjonalności Proxy.
Funkcja Relay powoduje, że moduł jest w stanie przekazywać wiadomości otrzymane w warstwie advertising do innych modułów. Pozwala to na zwiększenie zasięgu sieci. Zazwyczaj każdy moduł Bluetooth Mesh zasilany sieciowo obsługuje jednocześnie tę funkcjonalność, ponieważ posiada wystarczający zasób energii do ciągłego nasłuchiwania łącza komunikacyjnego. Modułem z funkcją relay może być np. ścienny przełącznik światła albo inteligentna żarówka. Z drugiej strony, funkcjonalność ta nie jest raczej spotykana w modułach zasilanych bateryjnie, szczególnie tych charakteryzujących się bardziej restrykcyjnymi wymaganiami co do energooszczędności.
Funkcja Low Power Node (LPN) jest prawdopodobnie jedną z najważniejszych i najciekawszych opcji oferowanych przez technologię Bluetooth Mesh. Węzeł z funkcją LPN nie musi w sposób ciągły nasłuchiwać kanału komunikacyjnego w oczekiwaniu na nadchodzące pakiety. Wręcz przeciwnie, większość czasu spędzać może w stanie uśpienia (niskiego zużycia energii), wybudzając się jedynie co określony interwał czasu lub w odpowiedzi na wymuszenie zewnętrzne. Podczas gdy jest on nieaktywny, wszystkie adresowane do niego wiadomości gromadzone są przez powiązany z nim węzeł typu Friend. Po przebudzeniu moduł LPN odpytuje węzeł typu Friend i odbiera od niego wszystkie ewentualne wiadomości, następnie ponownie przechodzi w stan uśpienia. Funkcjonalność taka jest skrajnie użyteczna w przypadku wszystkich urządzeń zasilanych bateryjnie, szczególnie tych wyposażonych w źródło zasilania o niewielkiej pojemności.
Jak już wspomniano, węzeł typu Friend nasłuchuje wiadomość adresowanych do wszystkich powiązanych z nim układów LPN. Podczas ich nieaktywności gromadzi te komunikaty w swojej pamięci, następnie zaś przekazuje do właściwego adresata. Z powodu konieczności gromadzenia dodatkowych danych, moduł tego typu może wymagać posiadania zwiększonej ilości pamięci w porównaniu do innych elementów sieci. Wymagana ilość pamięci zależeć będzie od liczby powiązanych z nim układów LPN oraz intensywności ruchu w sieci, czyli liczby przesyłanych do nich komunikatów.
Węzeł typu Proxy umożliwia urządzeniom zewnętrznym, takim jak smartfony, tablety, czy np. bramki Wi-Fi, komunikację z siecią Bluetooth Mesh. Węzły typu Proxy, oprócz zdolności do komunikacji w warstwie advertising, obsługują również ramki typu GATT. Każdy moduł Proxy może zatem pełnić rolę interfejsu dostępowego do sieci. Posiadanie większej liczby węzłów Proxy znacząco zwiększa niezawodność sieci – nawet w przypadku awarii jednego z modułów nie występuje ryzyko izolacji reszty sieci od świata zewnętrznego. Funkcjonalność taka czyni technologię Bluetooth Mesh bardziej niezawodną od większości innych rozwiązań kratowych, jak np. ZigBee.
W technologii Bluetooth Mesh proces dodawania nowego węzła do sieci określany jest terminem provisioning. Procedura ta wymaga kilku kroków, aby uniemożliwić dołączanie do sieci niepożądanych urządzeń, np. w celu nieuprawnionego uzyskania dostępu. Każdy moduł przed dodaniem do sieci wysyła odpowiednie komunikaty – ramki rozgłoszeniowe. Ramki te odbierane są przez urządzenie typu provisioner, co inicjuje proces dodawania węzła. W przykładzie z rysunku 1 rolę układu typu provisioner pełnią dwa urządzenia – tablet oraz smartfon.
Specyfikacja Bluetooth Mesh nie wymaga obecności w sieci modułów każdego typu, nie wymaga również od każdego z modułów zdolności do obsługi wszystkich wymienionych funkcjonalności. Informację o trybach pracy wspieranych przez każdy produkowany typ układu znaleźć można na oficjalnej stronie internetowej Bluetooth SIG, czyli wspomnianej już organizacji zarządzającej standardem.
Podsumowanie
Technologia Bluetooth Mesh zaprojektowana została z myślą o konstruowaniu sieci urządzeń IoT, również z uwzględnieniem wysoce energooszczędnych modułów zasilanych bateryjnie. Rozwiązania przyjęte w tym standardzie pozwalają efektywnie wykorzystywać potencjał modułów IoT, jak również tworzyć znacznie rozleglejsze i trwalsze sieci niż w przypadku standardu BLE.
Damian Tomaszewski
