曾胡濤， 黃 晁， 白玉軍

(1.寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 浙江 寧波 315211；2.寧波中國科學(xué)院 信息技術(shù)應(yīng)用研究院，浙江 寧波 315100；3.寧波中科集成電路設(shè)計中心有限公司，浙江 寧波 315100)

基于BLE Mesh組網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

曾胡濤1， 黃 晁2，3， 白玉軍1

(1.寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,浙江寧波315211；2.寧波中國科學(xué)院信息技術(shù)應(yīng)用研究院，浙江寧波315100；3.寧波中科集成電路設(shè)計中心有限公司，浙江寧波315100)

針對傳統(tǒng)智能產(chǎn)品組網(wǎng)方式復(fù)雜、耗電量大、同步控制以及需要獨立系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)等問題，設(shè)計了基于低功耗藍(lán)牙(BLE)Mesh技術(shù)的室內(nèi)發(fā)光二極管(LED)燈及溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。測試表明:系統(tǒng)低功耗的性能優(yōu)于目前主流的無線芯片ZigBee,WiFi，同時提出了一種以解決Mesh網(wǎng)絡(luò)中功耗問題的新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化了BLE Mesh的網(wǎng)絡(luò)功耗，且系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確無誤控制室內(nèi)的設(shè)備以及監(jiān)測各個設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)。該應(yīng)用會在未來智能物聯(lián)網(wǎng)家居產(chǎn)品領(lǐng)域具有較好的市場前景。

BLE Mesh組網(wǎng)； 低功耗； 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?物聯(lián)網(wǎng)

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展，智能家居地位也日益漸起，但在低功耗以及低成本方面存在著各種各樣的瓶頸，眾所周知，無線局域網(wǎng)(WiFi)特點是設(shè)備多、范圍廣、速度快，但耗電量大;而ZigBee[1～3]的優(yōu)點是低功耗，但速度慢、難兼容，其搭載的設(shè)備普及率極低，需要獨立的網(wǎng)關(guān)。

低功耗藍(lán)牙[4～6](Bluetooth low energy，BLE)技術(shù)則致力于特定空間內(nèi)使所有支持該技術(shù)的設(shè)備建立通信連接。其極低功耗、低成本、穩(wěn)定安全、開放接口、快速傳輸?shù)忍攸c符合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)要求。但藍(lán)牙傳輸距離短(一般在10～30 m)，只能一對一配對，不能遙控等問題也同時阻礙著其在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。隨著BLE Mesh[7]的問世，打破了藍(lán)牙傳輸距離短的瓶頸,同時其是網(wǎng)絡(luò)狀連接而非點對點的連接，而且不需要獨立網(wǎng)關(guān)，可以直接與手機(jī)通信。

本文結(jié)合實際情況，所設(shè)計的應(yīng)用系統(tǒng)通過組建BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)家庭用戶通過安卓手機(jī)實時控制藍(lán)牙智能觸摸開關(guān)、燈等電器協(xié)同工作，以及監(jiān)控其工作狀態(tài)等，同時針對Mesh 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功耗問題，提出了一種新的無線網(wǎng)絡(luò)[8,9]拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用BLE Mesh的設(shè)計及應(yīng)用，無需傳統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)即可以與手機(jī)通信，及其低功耗、低成本對用戶具有重要意義。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)框架主要由用戶管理層和設(shè)備應(yīng)用層組成，兩者通過藍(lán)牙建立網(wǎng)絡(luò)連接。用戶管理層主要由用戶手機(jī)組成，手機(jī)對Mesh網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備進(jìn)行配置、添加、控制監(jiān)聽等功能，同時用戶間還可以實現(xiàn)共享功能：主用戶可以授權(quán)Mesh網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)密鑰(network key)給其他用戶，同時將配置好的家庭內(nèi)設(shè)備信息共享給他人，即可實現(xiàn)多用戶管理；設(shè)備應(yīng)用層由各個應(yīng)用場景設(shè)備組成：如圖1所示的客廳、臥室、陽臺等應(yīng)用場景，而設(shè)備之間通過Mesh網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。如客廳：設(shè)備1為觸摸感應(yīng)模塊的藍(lán)牙設(shè)備模塊，設(shè)備2為集成藍(lán)牙功能的可調(diào)色燈驅(qū)動電路，設(shè)備3為具有環(huán)境溫濕度檢測功能及光照度檢測功能的無線設(shè)備模塊。設(shè)備1觸摸感應(yīng)功能具有3路觸摸信號可測，將檢測出的信號經(jīng)過Mesh網(wǎng)絡(luò)傳遞給可調(diào)色燈驅(qū)動模塊，可調(diào)色燈驅(qū)動模塊上中藍(lán)牙單片機(jī)(micro controller unit,MCU)根據(jù)接收到的信號進(jìn)行處理，控制可調(diào)色燈驅(qū)動器產(chǎn)生相應(yīng)的燈光變化。而溫濕度傳感器將檢測的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)應(yīng)用(APP)上，實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測功能。

圖1 系統(tǒng)整體框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控制器電路

系統(tǒng)主控制器采用BLE1010[7]藍(lán)牙芯片，具有4路脈寬調(diào)制(pulse-width modulation,PWM)波通道、3個10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter,ADC)模擬信號檢測接口以及12個通用輸入輸出(general purpose input/output,GPIO)等接口，豐富的外設(shè)接口資源足以滿足系統(tǒng)需求。此外該控制器還帶有BLE Mesh協(xié)議棧，可以實現(xiàn)高達(dá)65 535個設(shè)備互聯(lián)進(jìn)行通信。主控制器電路如圖2所示。

圖2 主控制器電路原理圖

2.2 傳感器電路

傳感器設(shè)備主要負(fù)責(zé)測量環(huán)境內(nèi)溫度、濕度、觸摸感應(yīng)等參數(shù)并傳遞到相關(guān)聯(lián)的設(shè)備或終端設(shè)備界面。分別采用紐扣電池供電，其硬件電路如圖3所示。溫濕度傳感器采用DHT11，通過單總線直接與藍(lán)牙CSR1010的并行輸入輸出(parallel input/output,PIO)10腳相連,采集環(huán)境的溫度和濕度，設(shè)置為15 min向終端設(shè)備發(fā)送一次數(shù)據(jù)(其他時間處于休眠狀態(tài))；觸摸感應(yīng)模塊設(shè)計成觸摸控制面板形式，具有設(shè)備本地控制功能，其優(yōu)先級最高，采用XC2863芯片，采集3路觸摸信號，通過網(wǎng)絡(luò)配置，控制相關(guān)的燈光設(shè)備產(chǎn)生相應(yīng)變化。

圖3 傳感器電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括底層設(shè)備控制及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控等人機(jī)交互界面設(shè)計和Mesh組網(wǎng)控制器的軟件設(shè)計。

3.1 人機(jī)交互界面軟件設(shè)計

人機(jī)交互界面軟件采用基于安卓系統(tǒng)的Java語言，編程軟件采用Android Studio?？烧{(diào)色燈的控制界面：顯示所有場景可調(diào)色燈設(shè)備及其在線狀態(tài)；同時用戶通過中間調(diào)色圈可以選擇想要的燈光顏色及滑動條控制燈亮度等；點擊分享按鈕能將所有設(shè)備信息通過手機(jī)藍(lán)牙或者流量傳給其他用戶，加載按鈕可以加載接收的設(shè)備信息，而無需服務(wù)器保存或更新設(shè)備信息實現(xiàn)用戶共享功能；場景溫濕度監(jiān)控界面：顯示所有在線場景最近一次上傳溫濕度數(shù)據(jù)，顏色表示當(dāng)前設(shè)備在線，同時點擊設(shè)置按鈕會有圖表記錄所有上傳的溫濕度時間對照值。

3.2 Mesh組網(wǎng)控制器軟件設(shè)計

控制器軟件采用CSR提供的IDE(CSR μEnergy SDK 2.4.5.13)進(jìn)行軟件工程開發(fā)，軟件設(shè)計采用模塊化編程思想，各個程序主要包括：可調(diào)色燈燈控程序、3路觸摸開關(guān)程序、溫濕度檢測程序、以及BLE Mesh設(shè)備間通信程序等，其軟件工作流程如圖4所示。

圖4 Mesh組網(wǎng)軟件流程

系統(tǒng)供電后,開始正常工作，系統(tǒng)及各個子設(shè)備要進(jìn)行硬件初始化，包括Mesh協(xié)議棧的初始化以及設(shè)備外圍接口的初始化(PWM,ADC,I/O)，保證各場景子設(shè)備均處于正常工作狀態(tài)；BLE藍(lán)牙開始組建Mesh網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)組建成功后，有限范圍內(nèi)子設(shè)備一直廣播其設(shè)備通用唯一標(biāo)識符(universally unique identifier device，UUID)等設(shè)備信息。經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)中中繼設(shè)備如波浪式傳至更遠(yuǎn)處，手機(jī)打開藍(lán)牙后會去與其中的一個子設(shè)備建立BLE連接，且在手機(jī)客戶端關(guān)聯(lián)設(shè)備；當(dāng)設(shè)備獲取到設(shè)備身份(device ID)關(guān)聯(lián)(association)完成，各個子設(shè)備即可獨立工作：各場景子設(shè)備每隔15 min上傳采集的溫濕度數(shù)據(jù)至手機(jī)客戶端，同時各模塊正常工作。

3.3 新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.3.1 CSR Mesh

CSR Mesh 協(xié)議[7]使用低功耗藍(lán)牙技術(shù)將信號傳輸至其他接入Mesh網(wǎng)絡(luò)中的低功耗藍(lán)牙設(shè)備，這些設(shè)備再將接收的信號傳到更遠(yuǎn)的設(shè)備。信號可單獨傳輸給單個設(shè)備也可同時傳輸至多個設(shè)備，甚至還可傳輸至分屬多組的不同設(shè)備。其使用中繼方式擴(kuò)展低功耗藍(lán)牙的通信范圍，不需要使用集線器(Hub)或接入點(access point,AP)，同時傳播延遲極小，節(jié)點間僅約5 ms的延遲。

當(dāng)一個節(jié)點從另一個節(jié)點接收到數(shù)據(jù)包時，目標(biāo)地址檢查數(shù)據(jù)包內(nèi)發(fā)送的批處理圖字段，并確定響應(yīng)，或轉(zhuǎn)發(fā)，或丟棄該數(shù)據(jù)包。如圖5所示。

圖5 節(jié)點廣播結(jié)構(gòu)

3.3.2 CSR Mesh協(xié)議功耗優(yōu)化

針對如上所述CSR Mesh[8～11]提出了新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋄3，4]圖如圖6所示，C為終端節(jié)點(c);B為橋模式(B);R為中繼模式(R);RB為路由模式(R+B)。各個節(jié)點所定義的含義：

1)終端節(jié)點：僅定期采集傳感器信息發(fā)送至其他中繼或橋接節(jié)點，或獲取中繼或橋接節(jié)點控制信息，采用低功耗廣播(ADV LOW)廣播自身設(shè)備信息；

2)橋模式：具有終端節(jié)點的全部功能，同時可與手機(jī)相互連接通信，采用標(biāo)準(zhǔn)低功耗藍(lán)牙的關(guān)貿(mào)總協(xié)定(general aggreement on tariffs and trade,GATT)協(xié)議與手機(jī)進(jìn)行通信；

3)中繼模式：具有終端節(jié)點的全部功能，同時可接收和轉(zhuǎn)發(fā)信息，采用廣播的方式中繼其他設(shè)備傳至的廣播信息；

4)路由模式：具有橋模式與中繼模式的全部功能。

圖6 BLE Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

例如本應(yīng)用的溫濕度藍(lán)牙設(shè)備設(shè)置在終端節(jié)點模式，其無需關(guān)心他設(shè)備，只需每15 min上傳自身的傳感器數(shù)據(jù)，其余時間則處在休眠狀態(tài)，實現(xiàn)低功耗；而橋模式下的設(shè)備，用于與手機(jī)建立BLE連接，通過GATT互相通信，同時下發(fā)手機(jī)的命令以及關(guān)聯(lián)設(shè)備，而不像路由設(shè)備需要中繼其他節(jié)點的消息。此外所提出的新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌芍С侄嗯_手機(jī)控制與監(jiān)控。

如圖7所示，可在橋節(jié)點與路由節(jié)點實現(xiàn)功耗的最優(yōu)化，當(dāng)控制消息為連接上述節(jié)點手機(jī)發(fā)出，通過GATT[5]即可立即處理。將路由節(jié)點和橋節(jié)點區(qū)分開，是由于路由節(jié)點為了增加網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的控制可靠性，需要中繼其他節(jié)點的消息，同時橋節(jié)點與路由節(jié)點可用于多用戶的接入。

圖7 橋節(jié)點與路由節(jié)點角色結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試分為硬件電路測試、軟件測試和系統(tǒng)整體測試。硬件測試主要對硬件PCB功能測試；軟件測試主要針對基本功能需求，如控制調(diào)光、溫濕度檢測，及APP界面UI等；系統(tǒng)整體測試主要檢測新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎略O(shè)備工作功耗，及APP能否監(jiān)聽與控制整個設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，多用戶能否實現(xiàn)控制與監(jiān)控。測試工具：2臺Android手機(jī)。測試環(huán)境和結(jié)果如表1～表3所示。其中：R+B:節(jié)點處于路由模式；C:節(jié)點處于終端節(jié)點模式；B:節(jié)點處于橋模式；R:節(jié)點處于中繼模式。

表1 測試環(huán)境表

表2 各工作模式下測得的電流

表3 CSR Mesh與ZigBee電流對比

實際測試過程中將兩臺Android手機(jī)全部接入路由模式或橋模式的節(jié)點，結(jié)果均能實時控制設(shè)備以及達(dá)到設(shè)備監(jiān)聽要求。由測試結(jié)果可以得出：

1)經(jīng)測試BLE Mesh的信號強(qiáng)度、通信距離、穿透性均可滿足應(yīng)用所需，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，24 h不間斷測試中，數(shù)據(jù)丟包率僅為0.8 %，網(wǎng)絡(luò)控制延時最大約為1 s；

2)藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)便捷。組網(wǎng)成功后能快速控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備各種工作狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)子設(shè)備可實現(xiàn)互聯(lián)互通，能根據(jù)與其網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)設(shè)備信息作出相應(yīng)處理；

3)設(shè)備終端界面可實時監(jiān)測有效區(qū)域內(nèi)的設(shè)備狀態(tài)信息及傳感器采集的數(shù)據(jù)信息；

4)采用新的BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可顯著降低CSR Mesh網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的功耗，同時未優(yōu)化之前的BLE Mesh功耗也明顯較ZigBee低。

5 結(jié) 論

設(shè)計將家庭生活所需的如可調(diào)色燈、觸摸面板、溫濕度傳感器等設(shè)備互聯(lián)互通，方便用戶對家庭內(nèi)設(shè)備進(jìn)行管理，同時提升了家庭內(nèi)設(shè)備智能化水平。在無BLE Mesh拓?fù)錁?biāo)準(zhǔn)的前提下，采用Mesh藍(lán)牙技術(shù)設(shè)計智能產(chǎn)品能降低產(chǎn)品的功耗需求及成本問題，同時在CSR Mesh的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新的BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，?jīng)實際測試可有效降低BLE Mesh組網(wǎng)功耗。

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Designofapplicationsystemofnetworking-basedBLEMesh

ZENG Hu-tao1, HUANG Chao2,3, BAI Yu-jun1

(1.SchoolofInformationScienceandEngineering,NingboUniversity,Ningbo315211,China;2.InstituteofInformationTechnologyApplication,ChineseAcademyofSciences,Ningbo315100,China;3.NingboZhongkeIntegratedCircuitDesignCenterCoLtd,Ningbo315100,China)

Aiming at problem that networking mode of traditional intelligent product is complex,power consumption is large,synchronous control and independent gateway is needed,indoor light-emitting diode(LED) lights and temperature and humidity monitoring system based on Bluetooth low energy(BLE) Mesh technology are designed.The test shows that its low power performance is superior to the current mainstream wireless chip ZigBee,WiFi,and propose a new network consumption topology to solve power consumption problem in mesh network to optimize the BLE Mesh network power consumption,and the system can accurately control indoor equipment and monitor status parameters of each device.According to the above characteristics,the application will has better market prospects in the field of application of intelligent home networking products in the future.

Bluetooth Mesh networking; low power consumption;network topology;Internet of things(IoT )

10.13873/J.1000—9787(2017)12—0064—04

TP 391.4

A

1000—9787(2017)12—0064—04

2017—09—26

曾胡濤(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向為無線通信低功耗，嵌入式系統(tǒng),E—mail：taogal976787288@163.com。黃 晁(1972-)，男，通訊作者，博士，副研究員，主要從事極動云平臺、產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺、智慧城市系統(tǒng)研究工作,E—mail：huangchao@nbu.edu.cn。