基于BLE Mesh组网应用系统设计

曾胡涛， 黄 晁， 白玉军

(1.宁波大学 信息科学与工程学院, 浙江 宁波 315211；2.宁波中国科学院 信息技术应用研究院，浙江 宁波 315100；3.宁波中科集成电路设计中心有限公司，浙江 宁波 315100)

基于BLE Mesh组网应用系统设计

曾胡涛1， 黄 晁2，3， 白玉军1

(1.宁波大学信息科学与工程学院,浙江宁波315211；2.宁波中国科学院信息技术应用研究院，浙江宁波315100；3.宁波中科集成电路设计中心有限公司，浙江宁波315100)

针对传统智能产品组网方式复杂、耗电量大、同步控制以及需要独立系统网关等问题，设计了基于低功耗蓝牙(BLE)Mesh技术的室内发光二极管(LED)灯及温湿度监控系统。测试表明:系统低功耗的性能优于目前主流的无线芯片ZigBee,WiFi，同时提出了一种以解决Mesh网络中功耗问题的新网络拓扑结构，从而优化了BLE Mesh的网络功耗，且系统能够准确无误控制室内的设备以及监测各个设备的状态参数。该应用会在未来智能物联网家居产品领域具有较好的市场前景。

BLE Mesh组网； 低功耗； 网络拓扑； 物联网

0 引 言

随着物联网飞速发展，智能家居地位也日益渐起，但在低功耗以及低成本方面存在着各种各样的瓶颈，众所周知，无线局域网(WiFi)特点是设备多、范围广、速度快，但耗电量大;而ZigBee[1～3]的优点是低功耗，但速度慢、难兼容，其搭载的设备普及率极低，需要独立的网关。

低功耗蓝牙[4～6](Bluetooth low energy，BLE)技术则致力于特定空间内使所有支持该技术的设备建立通信连接。其极低功耗、低成本、稳定安全、开放接口、快速传输等特点符合物联网技术要求。但蓝牙传输距离短(一般在10～30 m)，只能一对一配对，不能遥控等问题也同时阻碍着其在物联网的应用。随着BLE Mesh[7]的问世，打破了蓝牙传输距离短的瓶颈,同时其是网络状连接而非点对点的连接，而且不需要独立网关，可以直接与手机通信。

本文结合实际情况，所设计的应用系统通过组建BLE Mesh网络，可以实现家庭用户通过安卓手机实时控制蓝牙智能触摸开关、灯等电器协同工作，以及监控其工作状态等，同时针对Mesh 网络设备功耗问题，提出了一种新的无线网络[8,9]拓扑结构。采用BLE Mesh的设计及应用，无需传统的网关即可以与手机通信，及其低功耗、低成本对用户具有重要意义。

1 系统整体结构

系统整体结构如图1所示。

系统框架主要由用户管理层和设备应用层组成，两者通过蓝牙建立网络连接。用户管理层主要由用户手机组成，手机对Mesh网络中设备进行配置、添加、控制监听等功能，同时用户间还可以实现共享功能：主用户可以授权Mesh网络的网络密钥(network key)给其他用户，同时将配置好的家庭内设备信息共享给他人，即可实现多用户管理；设备应用层由各个应用场景设备组成：如图1所示的客厅、卧室、阳台等应用场景，而设备之间通过Mesh网络进行通信。如客厅：设备1为触摸感应模块的蓝牙设备模块，设备2为集成蓝牙功能的可调色灯驱动电路，设备3为具有环境温湿度检测功能及光照度检测功能的无线设备模块。设备1触摸感应功能具有3路触摸信号可测，将检测出的信号经过Mesh网络传递给可调色灯驱动模块，可调色灯驱动模块上中蓝牙单片机(micro controller unit,MCU)根据接收到的信号进行处理，控制可调色灯驱动器产生相应的灯光变化。而温湿度传感器将检测的环境温湿度数据传输至手机应用(APP)上，实现环境参数监测功能。

图1 系统整体框架

2 系统硬件设计

2.1 主控制器电路

系统主控制器采用BLE1010[7]蓝牙芯片，具有4路脉宽调制(pulse-width modulation,PWM)波通道、3个10位模/数转换器(analog to digital converter,ADC)模拟信号检测接口以及12个通用输入输出(general purpose input/output,GPIO)等接口，丰富的外设接口资源足以满足系统需求。此外该控制器还带有BLE Mesh协议栈，可以实现高达65 535个设备互联进行通信。主控制器电路如图2所示。

图2 主控制器电路原理图

2.2 传感器电路

传感器设备主要负责测量环境内温度、湿度、触摸感应等参数并传递到相关联的设备或终端设备界面。分别采用纽扣电池供电，其硬件电路如图3所示。温湿度传感器采用DHT11，通过单总线直接与蓝牙CSR1010的并行输入输出(parallel input/output,PIO)10脚相连,采集环境的温度和湿度，设置为15 min向终端设备发送一次数据(其他时间处于休眠状态)；触摸感应模块设计成触摸控制面板形式，具有设备本地控制功能，其优先级最高，采用XC2863芯片，采集3路触摸信号，通过网络配置，控制相关的灯光设备产生相应变化。

图3 传感器电路

3 系统软件设计

系统软件设计主要包括底层设备控制及设备状态监控等人机交互界面设计和Mesh组网控制器的软件设计。

3.1 人机交互界面软件设计

人机交互界面软件采用基于安卓系统的Java语言，编程软件采用Android Studio。可调色灯的控制界面：显示所有场景可调色灯设备及其在线状态；同时用户通过中间调色圈可以选择想要的灯光颜色及滑动条控制灯亮度等；点击分享按钮能将所有设备信息通过手机蓝牙或者流量传给其他用户，加载按钮可以加载接收的设备信息，而无需服务器保存或更新设备信息实现用户共享功能；场景温湿度监控界面：显示所有在线场景最近一次上传温湿度数据，颜色表示当前设备在线，同时点击设置按钮会有图表记录所有上传的温湿度时间对照值。

3.2 Mesh组网控制器软件设计

控制器软件采用CSR提供的IDE(CSR μEnergy SDK 2.4.5.13)进行软件工程开发，软件设计采用模块化编程思想，各个程序主要包括：可调色灯灯控程序、3路触摸开关程序、温湿度检测程序、以及BLE Mesh设备间通信程序等，其软件工作流程如图4所示。

图4 Mesh组网软件流程

系统供电后,开始正常工作，系统及各个子设备要进行硬件初始化，包括Mesh协议栈的初始化以及设备外围接口的初始化(PWM,ADC,I/O)，保证各场景子设备均处于正常工作状态；BLE蓝牙开始组建Mesh网络，网络组建成功后，有限范围内子设备一直广播其设备通用唯一标识符(universally unique identifier device，UUID)等设备信息。经过网络中中继设备如波浪式传至更远处，手机打开蓝牙后会去与其中的一个子设备建立BLE连接，且在手机客户端关联设备；当设备获取到设备身份(device ID)关联(association)完成，各个子设备即可独立工作：各场景子设备每隔15 min上传采集的温湿度数据至手机客户端，同时各模块正常工作。

3.3 新网络拓扑结构

3.3.1 CSR Mesh

CSR Mesh 协议[7]使用低功耗蓝牙技术将信号传输至其他接入Mesh网络中的低功耗蓝牙设备，这些设备再将接收的信号传到更远的设备。信号可单独传输给单个设备也可同时传输至多个设备，甚至还可传输至分属多组的不同设备。其使用中继方式扩展低功耗蓝牙的通信范围，不需要使用集线器(Hub)或接入点(access point,AP)，同时传播延迟极小，节点间仅约5 ms的延迟。

当一个节点从另一个节点接收到数据包时，目标地址检查数据包内发送的批处理图字段，并确定响应，或转发，或丢弃该数据包。如图5所示。

图5 节点广播结构

3.3.2 CSR Mesh协议功耗优化

针对如上所述CSR Mesh[8～11]提出了新的网络拓扑[3，4]图如图6所示，C为终端节点(c);B为桥模式(B);R为中继模式(R);RB为路由模式(R+B)。各个节点所定义的含义：

1)终端节点：仅定期采集传感器信息发送至其他中继或桥接节点，或获取中继或桥接节点控制信息，采用低功耗广播(ADV LOW)广播自身设备信息；

2)桥模式：具有终端节点的全部功能，同时可与手机相互连接通信，采用标准低功耗蓝牙的关贸总协定(general aggreement on tariffs and trade,GATT)协议与手机进行通信；

3)中继模式：具有终端节点的全部功能，同时可接收和转发信息，采用广播的方式中继其他设备传至的广播信息；

4)路由模式：具有桥模式与中继模式的全部功能。

图6 BLE Mesh拓扑结构

例如本应用的温湿度蓝牙设备设置在终端节点模式，其无需关心他设备，只需每15 min上传自身的传感器数据，其余时间则处在休眠状态，实现低功耗；而桥模式下的设备，用于与手机建立BLE连接，通过GATT互相通信，同时下发手机的命令以及关联设备，而不像路由设备需要中继其他节点的消息。此外所提出的新网络拓扑，可支持多台手机控制与监控。

如图7所示，可在桥节点与路由节点实现功耗的最优化，当控制消息为连接上述节点手机发出，通过GATT[5]即可立即处理。将路由节点和桥节点区分开，是由于路由节点为了增加网络中设备的控制可靠性，需要中继其他节点的消息，同时桥节点与路由节点可用于多用户的接入。

图7 桥节点与路由节点角色结构

4 系统测试

系统测试分为硬件电路测试、软件测试和系统整体测试。硬件测试主要对硬件PCB功能测试；软件测试主要针对基本功能需求，如控制调光、温湿度检测，及APP界面UI等；系统整体测试主要检测新的网络拓扑下设备工作功耗，及APP能否监听与控制整个设备网络，多用户能否实现控制与监控。测试工具：2台Android手机。测试环境和结果如表1～表3所示。其中：R+B:节点处于路由模式；C:节点处于终端节点模式；B:节点处于桥模式；R:节点处于中继模式。

表1 测试环境表

表2 各工作模式下测得的电流

表3 CSR Mesh与ZigBee电流对比

实际测试过程中将两台Android手机全部接入路由模式或桥模式的节点，结果均能实时控制设备以及达到设备监听要求。由测试结果可以得出：

1)经测试BLE Mesh的信号强度、通信距离、穿透性均可满足应用所需，网络稳定，24 h不间断测试中，数据丢包率仅为0.8 %，网络控制延时最大约为1 s；

2)蓝牙Mesh网络组网便捷。组网成功后能快速控制网络内设备各种工作状态，网络内子设备可实现互联互通，能根据与其网络关联设备信息作出相应处理；

3)设备终端界面可实时监测有效区域内的设备状态信息及传感器采集的数据信息；

4)采用新的BLE Mesh网络拓扑结构，可显著降低CSR Mesh网络协议的功耗，同时未优化之前的BLE Mesh功耗也明显较ZigBee低。

5 结 论

设计将家庭生活所需的如可调色灯、触摸面板、温湿度传感器等设备互联互通，方便用户对家庭内设备进行管理，同时提升了家庭内设备智能化水平。在无BLE Mesh拓扑标准的前提下，采用Mesh蓝牙技术设计智能产品能降低产品的功耗需求及成本问题，同时在CSR Mesh的基础上，本文提出了一种新的BLE Mesh网络拓扑，经实际测试可有效降低BLE Mesh组网功耗。

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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

曾胡涛(1993-)，男，硕士研究生，主要研究方向为无线通信低功耗，嵌入式系统,E—mail：taogal976787288@163.com。黄 晁(1972-)，男，通讯作者，博士，副研究员，主要从事极动云平台、产业大数据平台、智慧城市系统研究工作,E—mail：huangchao@nbu.edu.cn。