蓝牙一直以来被作为一种无线通信技术,蓝牙技术是全世界应用最为普遍的无线通信技术之一。从2000年到现在,蓝牙技术已经广泛应用于数十亿台设备。就2016年而言,制造商的蓝牙设备出货量更是超过30亿台。

集成到几乎每一部手机以及个人电脑里。作为一种较早的通信技术,一经出台就引起了全世界的关注,曾被美国《网络计算》杂志评为“十年来十大热门技术”之一。蓝牙从最开始推出的的一对一传播机制,到推出低功耗蓝牙,再到推出一对多的广播(beacon)机制,一直都在完善自身技术以便满足日益丰富的应用场景,适应市场的需求,而去年推出的蓝牙Mesh正在进一步丰富其使用场景,大规模应用可能在明年。

Mesh的诞生

蓝牙 Mesh脱胎于CSR倡导的私有协议-CSR Mesh,该技术诞生于2014年。

蓝牙技术联盟于去年7月19日正式宣布,蓝牙(Bluetooth)技术开始全面支持Mesh网状网络。全新的Mesh功能提供设备间多对多传输,并特别提高构建大范围网络覆盖的通信能力,适用于楼宇自动化、无线传感器网络等需要让数以万计个设备在可靠、安全的环境下传输的物联网解决方案。

在2015年,高通收购了蓝牙Mesh协议的拥有者CSR,小米MIX2S包括有小爱同学唤醒的功能,此功能的实现需要一颗低功耗的协处理器来进行长时间的麦克风待机,而这个协处理器,内置的高通845芯片是自带此功能,高通一直都在智能家居方面有布局和推动。

BLE Mesh网络是用于建立多对多(many:many)设备通信的低能耗BLE(Bluetooth Low Energy,也称为Bluetooth LE)新的网络拓扑。允许创建基于多个设备的大型网络,网络可以包含数十台,数百甚至数千台BLE Mesh设备,这些设备之间可以相互进行信息的传递。

 

目前,科大讯飞魔飞智能麦克风已实现了BLE Mesh功能,开发者可以通过魔飞,快速接入BLE Mesh设备,将新技术快速落地智能家居、智慧酒店等应用场景。

蓝牙技术联盟

蓝牙技术联盟是一个以制定蓝牙规范,以推动蓝牙技术为宗旨的跨国组织。它拥有蓝牙的商标,负责认证制造厂商,授权他们使用蓝牙技术与蓝牙标志,但是它本身不负责蓝牙装置的设计、生产及贩售。

 

2017年7月19日, 蓝牙技术联盟正式宣布,蓝牙(Bluetooth)技术开始全面支持Mesh网状网络。全新的Mesh功能提供多对多设备传输,并特别提高构建大范围网络覆盖的通信效能,适用于楼宇自动化、无线传感器网络等需要让数以万计个设备在可靠、安全的环境下传输的物联网解决方案。

蓝牙Mesh的兼容性

蓝牙Mesh网络运行于低功耗蓝牙之上并且与蓝牙4.0及以上版本前向兼容, 因此市面上现有的低功耗蓝牙产品都可能通过固件升级(尤其以OTA为主)的方式升级为具有蓝牙Mesh功能的产品,但是否具有升级的可能性,还需要考量多个因素,例如程序存储器(ROM)的容量,内存(RAM)的容量,是否具有OTA升级的功能,MCU的处理能力是否满足Provisioning对于非对称加密的运算需求等。

蓝牙Mesh规范

与蓝牙核心规范一样,蓝牙Mesh也有自己的规范文档,其作用和蓝牙核心规范类似,详细定义了蓝牙Mesh相关的技术细节。

蓝牙Mesh术语表

由于Mesh的概念对于蓝牙技术来说是一个非常新的领域,因此在蓝牙Mesh规范中有很多新的技术术语,关于这些新的术语,蓝牙技术联盟早有所准备,我们开辟了专门的网页为大家进行解释。蓝牙Mesh词汇表中所述可以达到32,767个节点。

 

蓝牙Mesh技术特点

蓝牙Mesh基于核心标准(core spec)4.0,从设计之初就严格遵循工业级的可靠性、可扩展性和安全性的要求,汇集了低功耗、支持手机/平板直连、互操作性等特点。

 

蓝牙Mesh可在单一网络中支持多达上万个节点,其采用可控的flooding(网络泛洪)的方式进行信息转发,将信息从网络当中的某一个节点转发至目的节点,不需要创建和管理复杂的路由表,由于其广播的特性,因此网络中任何一个单点出现故障,消息都可通过其他路径传递到目的节点,保证了网络的健壮性。

低功耗

低功耗是蓝牙技术的一大优点,这一优点在蓝牙Mesh技术当中也得以继承。在蓝牙Mesh网络中有一类节点支持低功耗特性(Low Power Feature),也可以称为低功耗节点。这一类节点可以通过减少射频收发机(RF transceiver)开启的占空比来达到低功耗的目的,也就是说这一类节点只有在需要进行消息收发的时候才会打开射频收发器,其他时间都处于休眠状态。

Friendship

在蓝牙Mesh网络中还有一类节点是专门为低功耗节点服务的,其具有Friend特性,也可以称为Friend节点。Friend节点与低功耗节点可以建立Friendship关系。建立此种关系之后,Friend节点可以暂存发往低功耗节点的信息,待低功耗节点退出休眠模式之后,再从Friend节点取回相关信息。

 

在实际应用中,Friend节点可以是灯泡、机顶盒、路由器,这些设备都是通过市电供电的,对于功耗不是很敏感;低功耗节点可以是由电池供电的设备,如传感器、门锁等。

 

关于安全性

蓝牙Mesh网络是一种真正的工业级解决方案,用经过验证的安全算法对添加到网络的设备进行配置(Provisioning);所有通信信息都需要使用128-bit AES-CCM进行加密和认证,蓝牙Mesh网络中的所有消息都需要进行加密和认证;加密和认证应用于网络层(Network layer)和应用层(Application layer)两层,分别有两组密钥等等。

蓝牙Mesh产品认证

截止目前,已有65款经认证具有Mesh网络功能的蓝牙产品,而且新产品数量在持续以惊人的速度增长。

 

首批获得认证的产品是较低级别的赋能技术产品,比如带有Mesh网络功能的蓝牙软件堆栈和模块。它们来自主流蓝牙堆栈和模块供应商,包括笙科电子、赛普拉斯、晶讯、中易腾达、美满、MindTree、北欧半导体、芯科科技、Silvair、泰凌微电子、东芝、小米和高通等。

在过去的六个月中,你可以发现来自络达科技、阿里巴巴、Danlers、台达电子、朗德万斯和村田制作所等公司的最终产品也开始获得认证。

蓝牙Mesh相比其他网状网络的四大优势

能够提供全球多品牌的互通性,不同品牌的产品都能顺利互相搭配运作。

支持智能手机直连,部署蓝牙Mesh网络需要有一个把设备变为节点的过程,也就是配置(provisioning)。这个过程只需要用智能手机作为管理者的角色,授权设备即可连入Mesh网络,非常简便灵活,同时又确保了蓝牙Mesh网络的安全性。

较低的功耗。蓝牙Mesh继承了低功耗蓝牙的功率很低的特点,在蓝牙Mesh当中有两种设备的特性:一个是Friend,一个是Low power node,可以保证节点的低功耗性能,比Zigbee等协议的功耗都要低。

蓝牙模组成本较低。虽然当前种种协议模块成本都在下降,如Zigbee模块、Wi-Fi模块等,但相比较而言,蓝牙模块平均成本相对较低。

 

蓝牙Mesh的发展困境

现在公布的协议是1.0,还是不完善的,比如还是在3个通道上去广播,接点数量多了通信就容易打架。协议里面有规定LPN和Friend,也能满足一部分低功耗的需求,芯片厂商 release 出来的sdk版本中,都没有这部分功能。如新版1.1协议一更改,芯片厂商又要投入人力去改sdk。

 

蓝牙Mesh刚推出不久,公众接受还需要一段时间,就像低功耗蓝牙,也是经历了2年的潜伏期然后才爆发的。所以说蓝牙Mesh应该会在2019年才会爆发,其次,蓝牙Mesh毕竟是一门新的技术,当前的1.0版规格书还有很多需要完善的地方,比如基于蓝牙Mesh的固件升级(DFU)如何实现,远程配网如何实现等。

目前蓝牙Mesh开发还是比较难,开发难首先体现在市场上的蓝牙Mesh协议栈功能还不完善,比如蓝牙Mesh中的低功耗节点和朋友节点,绝大部分厂商都没有做好。另外蓝牙Mesh有一个非常好的特性:通过手机完成Mesh配网和部署,但大部分厂商目前都没有推出相应的配网app及对应的库。当蓝牙Mesh框架技术都没有准备好的情况下,让应用开发者去开发蓝牙Mesh应用无异于“无米之炊”,因此目前蓝牙Mesh还没有大规模商用案例。

国内熟悉蓝牙协议栈的开发人员为数不多,对于他们而言,熟悉蓝牙SDK工具,是需要时间的,毫无疑问,这严重减缓了产品上市时间,从而让企业丧失占据市场的最佳有利时机。同时支持蓝牙5和蓝牙Mesh的产品,使设计人员更有信心地构建具有蓝牙5认证协议栈的产品。

BLE Mesh应用场景

蓝牙Mesh主要应用于楼宇自动化、无线传感器网络和物资追踪等方面。自蓝牙Mesh技术发布之后,Mesh技术已在车联网、照明、教育领域的智能解决方案中进行测试和应用。

灯光照明应用

目前,灯泡就可能成为未来家庭中最主要的Mesh网络设备之一,因为在每个家庭或建筑里几乎任何角落都需要被光线覆盖,灯泡一般都会按照一定的距离连续安装,由此用户就能控制全家设备。而且蓝牙Mesh网络具备工业级安全防护,以及全球互通性,不论是蓝牙4.0、4.1还是4.2设备通过安装蓝牙Mesh都能直接获得“多对多”连接功能。

 

在2018年的国际消费电子展(CES)上,阿里巴巴与联发科宣布携手推动蓝牙Mesh技术,签署合作协议,打造首款支持蓝牙Mesh技术的Smartmesh无线连接方案。

无独有偶,全球照明行业的领导者LEDVANCE近期也宣布将采用赛普拉斯获得蓝牙技术联盟(SIG)认证的蓝牙Mesh 连接技术,领先业内发布首款认证蓝牙Mesh产品:SYLVANIA SMART+蓝牙照明设备。

 

智能家居应用

阿里人工智能实验室在今年1月的美国CES上,发布了基于蓝牙mesh的IoTConnect协议,阿里+MTK的蓝牙Mesh方案已经应用在智能音箱天猫精灵上。

其他领域应用

目前,已有相关的蓝牙Mesh解决方案正在车联网上进行测试。在车联网上,一辆汽车上面有上千种传感器,需要用一个网关对这些传感器的数据进行收集。另外,车与车之间的通信,以前主要是通过通信网络,如3G/4G等方式来实现。

在教育领域的应用上,Mesh技术除了多点连接,还可以覆盖边角位置。蓝牙Mesh智慧校园解决方案已在全国几十所学校应用,实现全校的蓝牙无缝连接。今后,这种方案还可以应用到养老院、医疗、运动健康、工业自动化等多个领域。

 

蓝牙Mesh是一个软件级的解决方案,运行于低功耗蓝牙之上并且与蓝牙4.0及以上版本前向兼容,因此市面上现有的低功耗蓝牙产品都可能通过固件升级(尤其以OTA为主)的方式升级为具有蓝牙Mesh功能的产品,所以它的产品化的速度相对蓝牙5会更快一些。

蓝牙Mesh及其应用的三个重点领域

目前市场上还是存在不少基于私有蓝牙Mesh协议的产品,但大多还是集中在照明以及智能楼宇领域。

 

蓝牙Mesh网络的主要目标市场是楼宇自动化、无线传感器网络和资产追踪领域。为什么会预期在这三个领域呢?有相关专业人士分析,这三个领域大概都是室内空间,避开了需要在室外建立基站可进行远距离传输的低功耗广域网络,如NB-IoT、LoRa、Sigfox等,并且因为可以部署上千个节点,解决了传统无线网络传输距离不够的问题,所以可以部署在大型室内空间如楼宇大厦、工厂、医院、球场等。

 

蓝牙Mesh网络可跨越办公室和停车场

根据ABI Research预测,到2022年,蓝牙在智能楼宇市场的设备年出货量将达到11亿。

 

总而言之,蓝牙Mesh技术或许不会颠覆智能家居,但是在应用层面上,目前蓝牙的普及率最高,标准化水平也最高,足以打开物联网互联互通新局面,并带动蓝牙耳机、蓝牙音箱、可穿戴、智能家居等应用市场的再次爆发,推动IoT场景多样化。