公元十世紀,有一名丹麥國王出身海盜家庭,統一了四分五裂的北歐(挪威、瑞典和丹麥),成為維京王國的國王。國王的原名叫Harald Gormsson,愛吃藍莓的他有個綽號:“Harald Bl?tand”,由“斯堪的納維亞”(北歐地區)的語言翻譯成英語就是“Harold Bluetooth(藍牙)”。
在1994年,愛立信開始著手研究一種新型的短距離無線通信技術,而為了迎接這個即將面市的新技術,愛立信用丹麥國王的外號(Harold Bluetooth)給它命名。藍牙技術最初的構想,是用無線通信技術替代RS-232標準電纜(串口),讓局部空間內的各類設備能夠互聯互通、協調工作。“藍牙”國王的事跡正預示著這個短距通信技術的未來。
2014年,V4.2版的藍牙支持6LoWPAN(IPv6 over LR-WPAN,基于IPv6的低速無線個域網標準),使得藍牙設備更易于接入互聯網。
2016年,藍牙5.0針對低功耗設備,進一步提升了通信速率,并且能夠結合wifi對室內的設備位置進行輔助定位。
2017年7月19日,藍牙技術全面支持Mesh網狀網絡。
縱觀藍牙技術的發展旅程,SIG不斷地追求著無線連接的性能:傳輸速率(EDR-Enhanced Data Rate、AMP)、低功耗(Sniff Subrating、BLE)、網絡接入(6LoWPAN、Mesh)和安全配對(SSP),以滿足各種應用對近距離通信的需求。
原本,SIG主要是聚焦于“以人為中心的邊緣網絡”進行技術創新,而如今,藍牙適用的范圍已經逐漸拓展到所有物聯網邊緣場景:“藍牙增強速率技術(BR / EDR)”的應用從無線耳機發展到鼠標鍵盤;“藍牙低功耗技術”應用于手表、手環,發掘了可穿戴市場;而“藍牙Mesh組網技術”則瞄準了整個(邊緣域)物聯網市場,包括消費領域和工業領域。
從最新的組網構架(Mesh組網)中,讓我們逐漸地看清了藍牙技術聯盟對物聯網通信的預想,以及對邊緣網絡的理解。
1.應用層模型
在應用層面,SIG對藍牙設備的功能進行了多層次的封裝:節點-元素-模型-狀態。
(1)device(設備)和node(節點)
節點的角色(網絡角色)
設備是指有藍牙功能電子終端。而一個設備加入到mesh網絡中后,就成為一個節點。設備加入Mesh網絡,需要網內的配網節點(Provisioner)的授權。
Relay node:中繼節點
在Mesh網絡中,某些設備被指定為“中繼設備”,通過廣播承載層來接收和轉發藍牙Mesh的消息,它承擔著擴展網絡覆蓋范圍的職責。中繼節點使得數據能夠通過無線信號的“接力”繞過樓道內的物理障礙物,送達到目的設備。中繼節點需要充沛的供電,并具備一定的計算能力。親友節點(Friend Node)是一種特殊的中繼節點。
Proxy node:代理節點
代理節點提供了GATT接口(“Generic Attributes”,一種低功耗藍牙設備之間的通信協議),以便于藍牙設備在不具備藍牙Mesh網絡協議棧的情況下,能夠通過代理節點接入藍牙Mesh網絡。代理節點同時支持廣播承載層和GATT承載層的數據包收發。代理節點(Proxy node)是一種特殊的中繼節點。
(3) 模型(model)和狀態(state)
模型代表了節點中的元素所具備的行為功能。一個元素必須至少有一個模型,既一種功能。每個模型都有唯一的標識符(32位),能夠在Mesh網絡中被識別出來。
模型具有一種或多種的“狀態”。狀態是一個或一組特定類型的值。狀態的改變,就代表模型執行了某項功能。
例如,燈具有開/關的功能。其中,燈代表“元素”實體,而開/關的功能就是“模型”。開關具有兩種特征:“on”、“off”,這便是燈的“狀態”。
在應用層面,“節點”就是接入藍牙Mesh網絡的“設備”,它包含了一個或一組“元素”(子設備),每個元素都具有一些“模型”(功能),且每一項功能都配置有一個或一組“狀態”參數,來表示此功能所對應的操作。
每當圣誕節來臨,圣誕樹需要燈飾裝點,燈飾一般都是一串彩燈(由許多不同顏色的燈泡組成)。可以將這一串燈視為一個“節點”。為了營造圣誕氣氛,可以對燈串中每一種顏色的燈作為“元素(Element)”進行單獨控制。
每種顏色的燈都具有發光的功能作為它的“模型”,模型包括兩種狀態屬性:“開/關”狀態、亮度狀態。這樣,藍牙Mesh網絡便有了對裝飾燈進行動態控制的基礎。
當然,如果需要更多的動態效果,甚至可以將每一個燈泡配置成一個元素。不過,這樣做可能會“浪費”掉不少藍牙Mesh的地址資源(節點中的每個元素都會被分配一個唯一的單播地址)。如何定義和設計應用,完全由開發者根據產品要求自行決定,藍牙Mesh技術只是提供了節點配置的框架。
2.網絡層結構
藍牙Mesh網絡是搭建在藍牙低功耗技術(BLE)構架之上的,其網絡的層次構架與OSI的7層參考模型有一點相似:BLE層-承載層-網絡層-傳輸下層-傳輸上層-接入層-基礎模型層-模型層。
BLE層(Bluetooth Low Energy Layer):低功耗藍牙連接層,實現節點之間的無線通信連接,是實現Mesh網絡的基礎。
承載層(Bearer Layer):定義了如何使用底層BLE協議棧傳輸網絡PDU(協議數據單元)。實際的承載方式分為兩種:廣播承載(advertising bearer)和GATT承載。默認情況下,使用廣播承載來封裝Mesh的網絡數據包。
網絡層(Network Layer):定義了各種消息的地址類型、格式,完成數據的網絡尋址和轉發。節點的中繼、代理行為是通過網絡層實現的。
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原文標題:藍牙技術的前世與今生
文章出處:【微信號:WW_CGQJS,微信公眾號:傳感器技術】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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