Concevoir avec Bluetooth Mesh :nœuds et types de fonctionnalités

Sans aucun doute, Bluetooth Low Energy (BLE) a dominé l'espace IoT. Des applications telles que la maison intelligente, les soins de santé à domicile et le suivi des actifs bénéficient grandement des capacités de faible consommation de BLE. Cependant, la communication BLE entre les appareils a été limitée à un à un ou à un à plusieurs. De plus, le déploiement du BLE est difficile en raison de la portée limitée, en particulier dans des environnements comme les maisons où certains appareils peuvent être cachés derrière plusieurs murs par rapport à d'autres appareils. Ces facteurs ont rendu difficile le contrôle de toute la maison à partir d'un seul endroit.

Une communication plusieurs-à-plusieurs est nécessaire pour que n'importe quel nœud puisse recevoir des messages de plusieurs appareils et envoyer des messages à plusieurs appareils. Par exemple, considérons un groupe de quatre ampoules qui doivent être contrôlées à l'aide de plusieurs téléphones portables. Ils doivent également pouvoir recevoir les messages Set d'un gradateur et/ou d'un détecteur de présence. Cela nécessite des communications plusieurs-à-plusieurs.

Pour que BLE soit le plus utile dans des applications telles que la maison intelligente, les bâtiments intelligents et les villes intelligentes, les développeurs ont besoin d'une communication plusieurs-à-plusieurs et d'un mécanisme pour étendre la portée tout en permettant à certains appareils de fonctionner avec une petite batterie. Bluetooth Mesh répond à ces préoccupations.

Bluetooth Mesh est en train de devenir une technologie domotique privilégiée, car les nœuds d'un réseau Bluetooth Mesh sont accessibles directement à partir d'un téléphone mobile ou d'une tablette sans avoir besoin d'une passerelle. L'interopérabilité est la clé du succès de tout déploiement de maison intelligente, car chaque maison intelligente peut utiliser des produits de différents fournisseurs. Les formats de message standard pour les cas d'utilisation définis (modèles) permettent un déploiement rapide et une garantie d'interopérabilité avec d'autres produits BLE Mesh.

Cette série de cinq articles traite des concepts clés nécessaires pour comprendre Bluetooth Mesh. Il se concentrera sur la capacité de faible consommation de Bluetooth Mesh, les fonctions de confidentialité et de sécurité, et sur la façon de sélectionner un appareil pour votre application de maison intelligente. Ce premier article de la série traite des éléments clés d'un réseau maillé Bluetooth.

Réseau maillé Bluetooth

Un réseau maillé Bluetooth se compose de nœuds avec plusieurs types de fonctionnalités. La figure 1 fournit une représentation de haut niveau d'un réseau maillé Bluetooth. Comme on peut le voir sur la figure, il a des nœuds avec les types de fonctionnalités suivants :

• Noeud/fonction de relais
• Nœud à faible consommation (LPN)/Fonctionnalité
• Noeud ami/fonctionnalité
• Nœud/fonctionnalité proxy
• Fournisseur

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Figure 1 : réseau maillé Bluetooth (source :Cypress)

Chaque nœud peut prendre en charge un ou plusieurs types d'entités. Par exemple, le nœud R+F de ce réseau prend en charge la fonction Relay et Friend. De même, le nœud R+P prend en charge les fonctionnalités de relais et de proxy.

La fonction Relais permet à un nœud de relayer des messages sur le support publicitaire. En règle générale, chaque nœud alimenté par le mur est susceptible d'inclure la fonction de relais car ils ont la puissance nécessaire pour écouter en continu les paquets publicitaires et les relayer vers d'autres nœuds. Un exemple de la fonction Relay utilisée est une ampoule intelligente ou un interrupteur d'éclairage mural dans l'application domotique. D'un autre côté, les nœuds qui fonctionnent sur de petites batteries sont peu susceptibles d'avoir la fonction de relais car elle nécessite que Rx soit allumé en continu et que l'appareil écoute les paquets annoncés. Cela viderait rapidement la batterie.

La fonctionnalité Low-Power Node est l'une des fonctionnalités les plus importantes de Bluetooth Mesh. Contrairement à un nœud avec la fonctionnalité de relais, un nœud avec la fonctionnalité de nœud à faible consommation n'a pas besoin d'écouter les paquets annoncés en continu. Un nœud doté de la fonction Low-Power Node passe le plus clair de son temps en mode faible consommation de l'appareil tandis que son nœud Friend collecte les messages en son nom. Le nœud à faible consommation se réveille à des intervalles définis et envoie une requête ping à son nœud ami pour vérifier les messages en attente. Après la communication avec le nœud ami, le nœud à faible consommation revient à un état de veille à faible consommation. Il s'agit d'une fonction utile pour les applications qui fonctionnent sur batterie. Les applications telles que les nœuds de capteurs dans la domotique, les étiquettes de prix dans un point de vente, etc., peuvent bénéficier de la fonction Low-Power Node.

Un nœud avec la fonctionnalité Ami écoutera tous les messages relayés dans le réseau et destinés à un nœud de faible puissance associé. Le nœud ami stockera ces messages et les transmettra au nœud à faible puissance associé lorsque le nœud à faible puissance se réveillera et interrogera le nœud ami. Étant donné que le nœud ami doit stocker des messages pour un ou plusieurs nœuds à faible consommation, le nœud ami peut nécessiter plus de mémoire que les autres types de nœuds. La quantité de mémoire requise dépend de la quantité de données/commandes à stocker sur le nœud ami qui sera communiquée au nœud à faible consommation lors d'une opération d'interrogation.

La fonctionnalité proxy permet aux appareils, tels qu'un smartphone ou une passerelle Wi-Fi-Bluetooth Mesh, de communiquer avec le réseau Mesh. Un nœud avec la fonction Proxy est le point d'entrée dans le réseau Mesh pour les appareils qui ne prennent pas directement en charge Bluetooth Mesh. Dans le réseau Bluetooth Mesh, les messages sont relayés sur le support publicitaire. La fonction Proxy permet à un nœud de relayer des messages entre le GATT (General ATTribute) et les supports publicitaires. Dans un réseau Bluetooth Mesh, plusieurs nœuds peuvent prendre en charge la fonction Proxy. Tout nœud prenant en charge la fonction Proxy peut servir d'interface pour un smartphone/PC via une connexion GATT. Avoir plusieurs nœuds proxy est une bonne idée afin que si un nœud proxy tombe en panne, cela n'isole pas l'ensemble du réseau des périphériques proxy. Cette fonctionnalité rend Bluetooth Mesh plus robuste par rapport aux autres technologies Mesh telles que ZigBee.

Dans un réseau Bluetooth Mesh, Provisioning est le processus d'ajout d'un nouveau nœud à un réseau. Le provisionnement nécessite plusieurs étapes pour s'assurer que les périphériques non prévus ne sont pas provisionnés sur le réseau. Un appareil qui n'est pas approvisionné enverra des balises à un intervalle prédéterminé. Un appareil d'approvisionnement lancera le processus d'approvisionnement une fois que l'appareil non approvisionné est trouvé et sélectionné. Dans l'exemple illustré à la Figure 1, le Smartphone et la Tablette agissent comme les dispositifs d'approvisionnement du réseau.

Conformément à la spécification Bluetooth, tous les nœuds ne sont pas obligatoires. En d'autres termes, un appareil peut être qualifié Bluetooth Mesh sans prendre en charge tous les types de nœuds/fonctionnalités. Le plus souvent, les fournisseurs de silicium ne prennent pas en charge les fonctionnalités Friend et Low Power Node certifiées Bluetooth SIG. Cela rend difficile la prise en charge des applications Bluetooth Mesh alimentées par batterie.

Pour trouver quels types de nœuds/fonctionnalités Bluetooth Mesh sont pris en charge par un appareil Bluetooth Mesh, accédez au site Web Bluetooth SIG et cliquez sur « Trouver un produit ». Saisissez ensuite le produit pour lequel vous souhaitez connaître les types de nœuds/fonctionnalités pris en charge.

Par exemple, si vous souhaitez rechercher les types de nœuds/fonctionnalités pris en charge sur un module Cypress Bluetooth Mesh CYBT-413034-02, saisissez-le dans la recherche de produits et il affichera l'ID de déclaration, le QDID, la société, les produits, le nom de la spécification et la liste. Date du produit. Cliquez sur l'ID de déclaration, c'est-à-dire D040142 dans ce cas. Cette page fournit la liste des couches prises en charge par l'appareil. Là, cliquez sur « Afficher les détails de l'ICS ». Cela affichera la liste des couches de protocole de base, ainsi que le profil et les services. Vous pouvez cliquer sur chacun d'eux pour savoir quelles fonctionnalités sont prises en charge. Si le profil Mesh est pris en charge, il sera répertorié sous Profils traditionnels.

Maintenant, cliquez sur MESH (Mesh Profiles). Cela fournit la liste des rôles et des versions et, les exigences de rôle de nœud et si la fonctionnalité est prise en charge. Alors que nous recherchions des détails sur CYBT-413043-02, les captures d'écran suivantes du site Web Bluetooth SIG montrent que ce module prend en charge les rôles de nœud et de fournisseur répertoriés sous Rôles (voir Figure 2). Il prend également en charge la fonction de relais, comme indiqué sous Capacités de la couche réseau (voir Figure 3). Les fonctionnalités Friend et Low-Power Node sont prises en charge, comme indiqué dans les capacités de la couche de transport supérieure (voir Figure 4). La fonction proxy est prise en charge comme indiqué sous Capacité proxy (voir Figure 5).

Bien que cet appareil prenne en charge tous ces types de fonctionnalités de nœuds, il convient de noter que, selon les commentaires, la plupart de ces types de nœuds sont facultatifs. Par exemple, les fonctionnalités Relay, Friend et Low Power Node sont facultatives si Advertising Bearer est pris en charge. Mais, pour un réseau Bluetooth Mesh efficace, tous ces types de fonctionnalités sont nécessaires.

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Figure 2 : les rôles et les versions d'un produit spécifique sont affichés sur le site Web Bluetooth SIG. Dans ce cas, le produit prend en charge les rôles de nœud et d'approvisionnement. (Source :Cypress)

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Figure 3 :Le site Web Bluetooth SIG montre également les capacités de rôle de nœud pour un produit spécifique. Dans ce cas, le produit prend en charge la fonction de relais. (Source :Cypress)

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Figure 4 :Les fonctionnalités Friend et Low-Power Node sont prises en charge par ce produit, comme indiqué sous Capacités de la couche de transport supérieure. (Source :Cypress)

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Figure 5 :La fonction proxy est prise en charge comme indiqué sous Capacité proxy. (Source :Cypress)

Vous pouvez également regarder la vidéo En savoir plus sur Bluetooth Mesh pour plus d'informations sur les types de nœuds et de fonctionnalités Bluetooth Mesh et comment démarrer avec une conception Bluetooth Mesh.

Dans le prochain article de cette série, nous parlerons de la façon dont la communication se produit dans le réseau Bluetooth Mesh et de divers concepts tels que les modèles Mesh qui rendent les produits interopérables dans chaque segment d'application.