蓝牙网状网络的基本原理及应用开发
发布时间：2022-08-25 10:24:51 所属栏目：交互 来源：互联网
导读：借助蓝牙 5 的网状网络功能，开发人员可以增强无线连接系统（如物联网设备）的通信范围和网络可用性。但是，网状网络的低功耗无线硬件设计与网状网络软件开发之间存在着复杂的层次，这可能会使开发人员迅速陷入混乱并危及项目进度。 随着支持蓝牙 5 的智能手
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借助蓝牙 5 的网状网络功能，开发人员可以增强无线连接系统（如物联网设备）的通信范围和网络可用性。但是，网状网络的低功耗无线硬件设计与网状网络软件开发之间存在着复杂的层次，这可能会使开发人员迅速陷入混乱并危及项目进度。 随着支持蓝牙 5 的智能手机和其他移动平台的出现，时间成为一个关键因素，因为几乎所有行业领域和应用对蓝牙网状网络能力都有需求，而且预计需求会爆炸式增长，开发人员需要快速响应。作为回应，硅片和软件供应商正在推出简化和加速开发流程的解决方案。 本文将概述蓝牙网状网络的基本原理，然后使用 Silicon Labs 支持网状网络的蓝牙 5 模块系列中的特定设备逐步介绍开发流程。利用这种集成式蓝牙 5 解决方案，开发人员可以快速部署联网设备和应用，从而充分利用蓝牙网状网络。 本文最后介绍 Silicon Labs 蓝牙网状网络软件开发包，其中详细说明了使用样例网状网络应用代码演示的事件驱动模型。 蓝牙网状网络需求 蓝牙网状网络超越了传统蓝牙技术的点对点连接能力。通过相邻联网设备中继消息，蓝牙网状网络将低功耗设备的有效覆盖范围扩展到其发射器功率输出和接收器灵敏度所能支持的实际范围以外。最重要的是，智能手机和其他移动设备的普及使得大家对蓝牙应用非常熟悉，蓝牙网状网络藉由这一事实，为更复杂的网状网络连接应用提供自然的演进。 在网状网络支持下，使用蓝牙的开发人员现在能够轻松连接家庭自动化、楼宇管理和任意数量物联网应用涉及的大量设备。 蓝牙网状网络工作原理 蓝牙网状网络使用概念上很简单的网络节点交互模型（图 1）。专用节点类型可提供节点之间中继消息所需的附加功能，从而扩展通过代理节点与支持蓝牙的移动设备进行交互的网络的有效范围。 poYBAGMFjEWAciNgAADWOtN88Is292.png 图 1：除基本边缘节点外，蓝牙网状网络还能使用特殊节点类型为其他节点传递消息（中继），充当低功耗节点的缓存（好友），或者将网络（代理）连接到支持蓝牙的移动设备。（图片来源：Silicon Labs） 其他专用节点类型则可应对降低功耗的要求，使用好友节点缓存消息，以供低功耗节点在长时间休眠状态之间定期轮询。尽管具有这种附加功能，蓝牙网状网络设备仍然可以利用通用属性配置文件 （GATT） 服务来与使用早期蓝牙版本的旧设备进行连接。因此，网状网络设备可以充分利用现有低功耗蓝牙 （BLE） 能力（例如信标），以生成区域特定消息并发送给智能手机，或者将自身标识为资产管理应用。 蓝牙网状网络还能解决日益增长的对楼宇自动化或其他物联网应用所需受保护网络的安全性的关注。与提供可选安全性以保护单个设备的 BLE 不同，蓝牙网状网络实施的安全性试图保护整个网状网络。 蓝牙网状网络实现安全的方法特别有意义。其安全方案将“关注点分离”概念引入到网状网络中，为每个设备、网络和整体应用使用单独的安全措施。与每个设备相关联的私有设备密钥 （DevKey） 为仅涉及该节点的配置和调配等操作提供安全性。每个设备都需要网络密钥 （NetKey），才能与网络或子网中的其他节点进行通信。最后，应用级交互（例如发送消息以开灯）则需要应用密钥 （AppKey）。其他安全措施可用于防范中间人或重放攻击等常见威胁。所有措施相互配合，蓝牙网状网络中的安全机制为更复杂的物联网应用所需的信任提供了关键基础。 然而，实现蓝牙网状网络连接应用给开发人员带来了很大困难。大多数使用网状网络的应用是建立在功耗受限的设备之上，依靠网状网络来扩展低功耗无线电子系统的有效覆盖范围。创建支持网状网络的合适低功耗硬件设备所涉及的挑战，甚至能让最有经验的硬件开发人员停滞不前。即使在完成其定制蓝牙设计之后，为满足国家认证要求，开发人员也可能面临巨大的成本压力和旷日持久的延迟。软件开发人员在寻找兼容的蓝牙网状网络堆栈并利用其来构建软件层以便能支持自己的应用时，也会发生延迟。然而，借助 Silicon Laboratories 的蓝牙硬件和软件，开发人员可以在低功耗设备中快速部署蓝牙网状网络功能，以满足自己的应用需求。 蓝牙模块 Silicon Labs 的蓝牙网状网络解决方案基于其低功耗蓝牙 BGM13P 硬件模块，该模块结合了无线处理器和全套蓝牙堆栈，以 12.9×15.0×2.2 mm 的封装提供经过认证的完整蓝牙系统。该模块的核心是 EFR32BG13 Blue Gecko 无线片上系统 （SoC），可提供核心功能。EFR32BG13 SoC 集成了 32 位 Arm® Cortex®-M4 内核、2.4 GHz 无线电子系统、512 KB 闪存、64 KB RAM 以及丰富的模拟和数字外设。除了片上硬件加密加速器之外，该 SoC 还通过安全管理单元支持不断增长的更高安全性需求；该安全管理单元为外设提供的细粒度访问控制与存储器保护单元为存储器提供的相同。 EFR32BG13 SoC 可作为定制蓝牙硬件设计的基础。使用 SoC 时，开发人员不仅要负责满足 SoC 支持电路等设计要求，还要对完成的设计进行必要的认证。该模块提供有全面认证的设计，其中的 EFR32BG13 带有所需的支持电路，包括数个振荡器源、两个晶体和端口驱动器。与此同时，该模块还提供了一系列省电特性，因此开发人员能够响应持续存在的低功耗设备需求。 该模块在活动模式下仅消耗 87 µA/MHz，在全 RAM 保持的深度休眠模式下仅消耗 1.4 μA。为了帮助最大限度地延长停留在低功耗深度休眠模式下的时间，工程师可以利用低能耗传感器接口和低能耗定时器等特性。使用低能耗传感器接口，工程师可以对模块的集成有限状态机和模拟外设进行编程，以在处理器保持深度休眠模式的同时采集和处理传感器信号。类似地，通过低能耗定时器，工程师可以输出简单波形并监控实时时钟/计数器，以便在指定时间内执行操作，而无需处理器参与。 当然，无线设备的功耗一般取决于无线电子系统的效率。本例中，该模块的 2.4 GHz 无线电子系统在接收模式下仅消耗 9.9 mA，在 0 dBm 输出功率的发射模式下仅消耗 8.5 mA。即便如此，该模块还提供了通过射频控制节省功耗的额外特性。开发人员可以对模块中的射频检测功能进行编程，以在检测到宽带射频能量时唤醒处理器。通过这种方法，开发人员可以在无活动期间使模块保持深度休眠而不会丧失通信。但是，如前所述，开发人员也可以将某个设备配置为蓝牙 5 低功耗节点，其能够简单地定期从深度休眠中唤醒以轮询好友节点，获取缓存的消息。 系统开发 针对其所有特性，该模块在实现方面几乎没有任何困难。开发人员可以简单地将该模块放入一个带有处理器的设计中，将其用作蓝牙网络协处理器（图 2A）。或者，开发人员可以将该模块用作完整的系统解决方案（图 2B）。在这种独立模式下，开发人员可以在模块的 EFR32BG13 处理器上运行应用代码，并使用 EFR32BG13 集成的模拟和数字外设在简单的物联网设计中进行信号采集。 （编辑：孝感站长网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
