藍牙低功耗（BluetoothLE）是世界上功率最高的短距離無線通信技術之一。其低功耗被開發(fā)商和消費者廣泛贊譽。隨著藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡（Mesh）的發(fā)布，開發(fā)人員可能會想知道藍牙網(wǎng)格是否也被設計為低功耗。它是否繼承了藍牙LE低功耗的優(yōu)勢？

答案是肯定的！藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡包括優(yōu)化功耗的各種措施，特別是稱為“友鄰節(jié)點（Friendship）”的功能。

藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡標準概述

藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡中的Friendship功能的應用可能非常多樣化。一些產(chǎn)品，如燈，將連接到主電源，藍牙網(wǎng)格模塊的功耗與光線本身的功耗相比，可以忽略不計。但是其他產(chǎn)品，如智能傳感器或鎖具，將受到功率限制，這意味著它們需要由小型電池或能量采集技術供電。像這樣的產(chǎn)品最有可能利用藍牙網(wǎng)格的Friendship概念。

如果您已經(jīng)閱讀了我們的藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡系列中的較早的文章，那么您已經(jīng)知道節(jié)點是已經(jīng)被設置并且是網(wǎng)狀網(wǎng)絡成員的設備。節(jié)點具有與產(chǎn)品類型相關的功能，但是也可以具有關于網(wǎng)絡本身的操作的功能，并且可以承擔特殊的角色。

這由他們支持的網(wǎng)格特征決定。所有節(jié)點都可以在網(wǎng)絡中發(fā)送和接收mesh消息。此外，節(jié)點還可以選擇性地支持一個或多個額外的網(wǎng)絡功能，如下所列：

· 中繼功能：通過廣播承載接收和重傳網(wǎng)狀消息的能力，以實現(xiàn)更大的網(wǎng)絡。

· 代理功能：在GATT和廣播承載之間接收和重傳網(wǎng)狀消息的能力。

· 低功耗特性：能夠以顯著降低的接收機占空比在網(wǎng)狀網(wǎng)絡內(nèi)工作。使無線電接收器的時間最小化導致節(jié)點的功耗降低，只有在嚴格必要時才能使接收機使能。低功耗節(jié)點（LPN）通過與Friend節(jié)點建立Friendship來實現(xiàn)這一點。

· 友鄰功能：通過存儲發(fā)往LPN的消息來幫助LPN運行的能力，并且只有在LPN明確地從“Friend”節(jié)點請求消息時才轉發(fā)它們。

要了解Friendship如何使LPN降低功耗，請考慮傳感器。傳感器是一種可能利用Friendship并充當LPN的節(jié)點的一個很好的例子。他們通常花費最多的時間來傳輸數(shù)據(jù)，而且很少需要接收數(shù)據(jù)。也許傳感器只有在超出一組配置的限制范圍內(nèi)才能發(fā)送溫度讀數(shù)，也許這只會每天發(fā)生兩次。這種不頻繁的數(shù)據(jù)傳輸保持了這種類型的設備的能量消耗低。

但是如果這些溫度限制需要修改以根據(jù)季節(jié)使用不同的值，并且通過向傳感器發(fā)送配置消息來實現(xiàn)這些限制的修改呢？對于傳感器直接接收這樣的消息，需要切換無線并進行收聽。大多數(shù)時候它正在聽，沒有收到任何東西，但能量消耗了。

所以，與Friend合作允許LPN安排使用無線接收消息到任何頻率對于該設備是有意義的，并且以比其它需要的頻率低得多的頻率，如果它必須一直接收消息。 LPNs輪詢他們的Friend的新消息，Friend只會偶爾存儲。這是如何節(jié)省電力。

友鄰和低功耗節(jié)點

LPN必須與支持Friend功能的另一個節(jié)點建立Friendship關系，以減少其接收器占空比并節(jié)省能源。圖1取自藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡規(guī)范。另外，它說明了LPN和Friend節(jié)點之間的關系。特別是它顯示：

·Light blue: LPNs

·Dark grey: Friend nodes associated with and service specific LPNs

·Light grey: Friend nodes which do not have a relationship with anLPN

·淺藍色：LPN

·深灰色：與特定LPN相關聯(lián)的Friend節(jié)點

·淺灰色：與LPN沒有關系的Friend節(jié)點

圖1 - 網(wǎng)狀網(wǎng)絡的拓撲示例

Friend節(jié)點P與LPNI，J和K具有Friendship關系。Friend節(jié)點O與LPN L和M具有Friendship關系。因此，尋址到節(jié)點I，J或K的消息將被Friend P存儲并轉發(fā)。節(jié)點L或M將被Friend O存儲和轉發(fā)。由Friend節(jié)點轉發(fā)僅在LPN輪詢Friend以獲得等待傳送的消息時發(fā)生。

友鄰節(jié)點參數(shù)

LPN需要找到“Friend”節(jié)點并與他們建立Friendship關系。所涉及的程序稱為Friend建立。我們稍后會檢查這個過程，但在我們介紹一些關于LPN行為的關鍵參數(shù)之前，因為這些參數(shù)是在Friend建立過程中設置的。

1. ReceiveDelay是LPN之間經(jīng)過的時間，向Friend節(jié)點發(fā)送請求，并開始收聽響應。這允許“Friend”節(jié)點時間準備其響應并將其發(fā)送回來。

2. ReceiveWindow是LPN花費時間來收聽響應的時間。圖2說明了涉及ReceiveDelay和ReceiveWindow的時序。

圖2- ReceiveDelay和ReceiveWindow時序

1. PollTimeout建立在LPN發(fā)送給其“Friend”節(jié)點的兩個連續(xù)請求之間可能經(jīng)過的最長時間。如果在PollTimeout計時器到期之前，Friend節(jié)點沒有收到LPN的請求，則Friendship將被終止。

圖3- PollTimeout時序

友鄰節(jié)點建立

如果兩個人想建立友誼，只要一瞥就夠了！為了建立藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡的Friendship，還需要幾個步驟。

1.LPN發(fā)布一個Friend請求消息。此消息不被中繼，因此只有直接無線范圍中的“Friend”節(jié)點才能處理它。沒有Friend功能的節(jié)點丟棄它。Friend請求消息包括LPN的ReceiveDelay，ReceiveWindow和PollTimeout參數(shù)。

1.可以支持“Friend請求”消息中指定的要求的附近的每個“Friend”節(jié)點準備好“Friend offer”消息并將其發(fā)送回LPN。該消息包括各種參數(shù)，包括支持的ReceiveWindow大小，可用的消息隊列大小，可用的列表大小以及由Friend節(jié)點測量的RSSI值。

2.在接收到“Friendoffer”消息時，LPN通過應用實現(xiàn)特定的算法來選擇合適的Friend節(jié)點。該算法可能會考慮各種各樣的點。某些設備可能會將接收窗口大小置于優(yōu)先級，以盡可能減少功耗，而有些設備可能會更加關注RSSI值，以確保它們能夠與“Friend”節(jié)點保持良好的鏈接質量。使用的精確算法由產(chǎn)品開發(fā)人員決定。

3.選擇Friend節(jié)點后，LPN將向Friend節(jié)點發(fā)送一個Friend Poll消息。

4.從LPN收到Friend Poll消息后，Friend節(jié)點回復一個Friend Update消息，該消息結束了Friend建立過程并提供安全參數(shù)。在這一點上，建立了Friendship。

友鄰節(jié)點信息

Friendship建立之后，“Friend”節(jié)點將LPN的所有消息存儲在Friend Queue中。這些被稱為存儲的消息。下面的圖4說明了在Friend節(jié)點和關聯(lián)LPN之間的消息交換。

· 當“Friend”節(jié)點收到一個尋址到“Friend”節(jié)點的LPN的消息時，“Friend”節(jié)點緩沖此消息，將其存儲在稱為“Friend Queue”的區(qū)域中。在圖4中，我們可以看到消息1和2代表LPN存儲在Friend節(jié)點中。

· 定期地，LPN使其收發(fā)器發(fā)送一個Friend Poll到Friend節(jié)點，要求為它存儲任何緩沖的消息。

· “Friend”節(jié)點首先將一個存儲的消息發(fā)送回LPN作為對“Friend Poll”的回復。

· 在每個接收到來自“Friend”節(jié)點的消息之后，LPN將繼續(xù)發(fā)送“Friend Poll”消息，直到收到“MD（MD =更多數(shù)據(jù)）”字段設置為0的“FriendUpdate”消息為止。這意味著LPN沒有更多消息被緩沖。此時，LPN停止輪詢“Friend”節(jié)點。

圖4- Friendship messaging

安全性

藍牙網(wǎng)絡中的安全無處不在。Friendship也是如此，它使用兩個特殊的安全憑證：

· Master security material：從NetKey派生，也可以由同一網(wǎng)絡中的其他節(jié)點使用。使用master security material加密的消息可以由同一網(wǎng)絡中的任何節(jié)點解密。

· Friend security material：從NetKey派生，還有一些額外的計數(shù)器號由LPN和Friend節(jié)點生成。使用Friend security material加密的消息只能由擁有它的Friend和LPN解密。

LPN和Friend節(jié)點使用的兩種security materials如何？總結如下：

與Friend的securitymaterials加密的相應Friendship消息是：

·Friend Poll

·Friend Update

·Friend Subscription ListAdd/Remove/Confirm

·存儲Friend節(jié)點傳遞給LPN的消息

使用master security material加密的相應的Friendship消息是：

·Friend清除

·Friend清除確認

根據(jù)應用程序設置，從LPN發(fā)送到Friend節(jié)點的消息將使用master或Friend的安全資料進行加密。

終止友鄰節(jié)點

在某些情況下可以終止Friendship:

· 如果沒有Friend poll，Friend Subscription List Add或Friend Subscription List Remove消息在PollTimeout計時器到期之前由Friend節(jié)點收到，Friendship終止。

· LPN可以通過將Friend Clear消息發(fā)送給Friend節(jié)點來啟動Friendship終止過程，從而導致Friendship節(jié)點被Friend終止。

平臺選擇建議

開發(fā)人員在選擇實施Friend和LPN的平臺時，應考慮以下準則：

· RAM容量：可用的RAM數(shù)量直接影響了Friend節(jié)點可以支持多少個LPN，以及它可以為相關的LPN緩沖多少個消息。

· LPN：所選MCU和模塊的一般功耗性能是LPN的關鍵。此外，從休眠模式到運行模式的喚醒/預熱時間會影響LPN的響應速度和延遲。

作為一名開發(fā)人員，我相信我們可以分享您對藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡SDK的期待。然后我們可以一起分享藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡“友鄰節(jié)點”！