Silicon Labs藍牙Mesh應用實(shí)例

The application of Silicon Labs’ Bluetooth Mesh

李仁慶（貝能?chē)H有限公司，廣東 廣州 510665）

       摘要：藍牙Mesh標準脫胎于藍牙低功耗（BLE）和網(wǎng)狀協(xié)議，兼有兩種協(xié)議優(yōu)點(diǎn)，又摒棄其缺點(diǎn)，是開(kāi)發(fā)節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )的選擇之一；Silicon Labs公司推出的藍牙Mesh SDK和支持BT5.0的EFR32BG13系列SoC，讓藍牙Mesh應用變得簡(jiǎn)單靈活。
       關(guān)鍵詞：藍牙；mesh；照明；拓撲

　　引言

       物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展如火如荼的今天，怎樣可以聯(lián)接大量節點(diǎn)，又可以適應不同節點(diǎn)的特點(diǎn)的問(wèn)題？這不可避免地擺在了所有的業(yè)內人士面前。Zigbee標準已有成熟生態(tài)鏈，但需要有網(wǎng)關(guān)，無(wú)法跟目前流行的操作終端如手機進(jìn)行直連成為了短板；在家庭、工業(yè)、商業(yè)都普遍應用的Wi-Fi因功耗大，無(wú)法適應各種節點(diǎn)的特點(diǎn)而只能用在傳輸速度有要求的產(chǎn)品上；入門(mén)簡(jiǎn)單、成本低的在簡(jiǎn)單的智能物聯(lián)產(chǎn)品中使用最多，但因其標準化程度不高，無(wú)法達到各廠(chǎng)家的產(chǎn)品互聯(lián)互通；近期流行的NB-IoT產(chǎn)品因其廣域網(wǎng)特點(diǎn)，在大規模遠距離節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )中有頗多應用，但功耗和整體成本問(wèn)題是暫時(shí)難以解決的問(wèn)題。那是否就沒(méi)有一種協(xié)議可以完美解決這些問(wèn)題嗎？
　　有！藍牙技術(shù)聯(lián)盟于2017年7月19日正式宣布，藍牙（Bluetooth?）技術(shù)開(kāi)始全面支持Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )（如圖1）。藍牙Mesh標準脫胎于藍牙低功耗（BLE），用于建立多對多設備通信的新網(wǎng)絡(luò )。藍牙Mesh標準協(xié)議具有藍牙BLE的特點(diǎn)，也有多對多的網(wǎng)絡(luò )拓撲，無(wú)需網(wǎng)關(guān)同時(shí)具備多種應用profile標準，操作簡(jiǎn)單，在各種操作終端中普遍配備的優(yōu)點(diǎn)，完全符合節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)；未來(lái)利用藍牙beacon信息推送和定位技術(shù)，可以實(shí)現無(wú)連接推送和室內定位功能。

       1 Silicon Labs公司的套件及芯片

       公司提供的藍牙Mesh標準協(xié)議目前已經(jīng)推出第二版正式SDK，加入了調光、調色功能，標志著(zhù)藍牙Mesh在Lighting（照明）上的應用更加成熟；也加入了友員節點(diǎn)、低功耗節點(diǎn)，低功耗應用的實(shí)現也令藍牙Mesh在Lighting領(lǐng)域的產(chǎn)品化成為現實(shí)。
　　公 司 在 藍 牙 M e s h 應 用 上 有、EFR32BG系列SoC和BGM系列模塊，其中性?xún)r(jià)比最高的為EFR32BG13系列，并提供了相應的開(kāi)發(fā)套件和例程，能大大提高藍牙Mesh產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度。該SoC集成了藍牙5.0 2.4 GHz RF硬件，內置PA和巴倫電路，RF外圍器件只需要增加2個(gè)電感和1個(gè)電容，無(wú)需客戶(hù)在射頻方面投入不必要的精力。
　　2 在照明領(lǐng)域應用藍牙Mesh實(shí)例

       無(wú)論是在工業(yè)照明、商業(yè)照明還是在家庭照明中，實(shí)際燈的數量和開(kāi)關(guān)的數量都遠遠超過(guò)初戰演示，而且照明場(chǎng)景也遠遠復雜過(guò)初戰演示。接下來(lái)，我們結合案例實(shí)現一個(gè)應用實(shí)例。

　?、俑鶕ilicon Labs公司提供的硬件資料重新制作了合乎產(chǎn)品尺寸的PCB（印制板），由于該SoC在無(wú)線(xiàn)方面集成了PA（功率放大器）和巴倫電路，外圍電路相當簡(jiǎn)單，基本不需要進(jìn)行任何硬件調試，一次PCB制作成功率相當高。官方提供的開(kāi)發(fā)套件為兩個(gè)LED，本應用實(shí)驗將其擴展為三個(gè)LED；官方提供的開(kāi)發(fā)套件為兩個(gè)按鍵，分別完成開(kāi)關(guān)、調光和出廠(chǎng)復位，本應用實(shí)驗將其縮減為一個(gè)按鍵，采用單方向循環(huán)算法完成開(kāi)關(guān)、調光和出廠(chǎng)復位。
　?、谠趹脤?shí)驗中，我們模擬了一個(gè)需要用到50個(gè)節點(diǎn)的照明網(wǎng)絡(luò )（如圖2），將其分成4組，其中兩組均為手動(dòng)模式，為1個(gè)開(kāi)關(guān)節點(diǎn)手動(dòng)控制9個(gè)燈節點(diǎn)的開(kāi)關(guān)和調光，這個(gè)場(chǎng)景是官方演示套裝的加大版本，也是日常照明比較常見(jiàn)的場(chǎng)景；第3組為自動(dòng)開(kāi)關(guān)場(chǎng)景，2個(gè)開(kāi)關(guān)節點(diǎn)按不同節拍自動(dòng)控制25個(gè)燈節點(diǎn)開(kāi)或關(guān)，模擬的是需要自動(dòng)開(kāi)關(guān)的場(chǎng)景，如路燈自動(dòng)開(kāi)啟和熄滅；最后一組為自動(dòng)轉發(fā)場(chǎng)景，由1個(gè)開(kāi)關(guān)節點(diǎn)和2個(gè)帶轉發(fā)功能燈節點(diǎn)完成，適用于長(cháng)廊控制場(chǎng)景。
　　下面將在初步實(shí)戰和以上硬件基礎上完成軟件應用。
　?、墼趕implicity studio上建立例程SoC-Mesh Light和SoC-Mesh Switch，生成代碼后可以直接進(jìn)行編譯，之后進(jìn)行第一處修改，本應用實(shí)驗的LED和引腳進(jìn)行了改動(dòng)，而LED是調用了PWM進(jìn)行控制，所以需要進(jìn)行引腳分配和PWM配置修改，可以在其他工程中調用硬件配置器進(jìn)行圖形化修改，生成代碼。由于本應用實(shí)驗中改動(dòng)不大，故直接在源碼中進(jìn)行修改：

// configure LED pins
GPIO_PinModeSet(BSP_
L E D 0 _ P O R T , ( 5 U ) ,
gpioModePushPull, LED_OFF_
STATE);
GPIO_PinModeSet(BSP_
L E D 0 _ P O R T , ( 6 U ) ,
gpioModePushPull, LED_OFF_
STATE);
GPIO_PinModeSet(BSP_
L E D 0 _ P O R T , ( 7 U ) ,
gpioModePushPull, LED_OFF_STATE);
// configure pushbutton PB4 as inputs, with pull-
up enabled delete PB1
GPIO_PinModeSet(BSP_BUTTON0_PORT, (4U),
gpioModeInputPull, 1);
// configure PWM
TIMER0->ROUTELOC0 = LED0_ROUTELOC |
LED1_ROUTELOC | LED2_ROUTELOC;// add CC2
TIMER0->ROUTEPEN = TIMER_ROUTEPEN_
CC0PEN | TIMER_ROUTEPEN_CC1PEN | TIMER_
ROUTEPEN_CC2PEN;
sInitCC.mode = timerCCModePWM;
TIMER_InitCC(TIMER0, 0, &sInitCC);
TIMER_InitCC(TIMER0, 1, &sInitCC);
TIMER_InitCC(TIMER0, 2, &sInitCC); // add CC2
TIMER_CompareSet(TIMER0, 0, current_level);

TIMER_CompareSet(TIMER0, 1, current_level);
TIMER_CompareSet(TIMER0, 2, current_level); //
add CH2

修改一下出廠(chǎng)復位的觸發(fā)條件：

case gecko_evt_system_boot_id:
// check pushbutton state at startup. If PB4 is
held down then do factory reset
if (GPIO_PinInGet(BSP_BUTTON0_PORT,
BSP_BUTTON0_PIN) == 0){
temp1 = RTCC_CounterGet();
while(GPIO_PinInGet(BSP_BUTTON0_
PORT, BSP_BUTTON0_PIN) == 0){
temp2 = RTCC_CounterGet()-
temp1;
if(temp2>LONG_PRESS_TIME_
TICKS){
t e m p 1 = R T C C _
CounterGet();
LED_set_state(LED_STATE_
PROV);
temp3++;
}
if(temp3>30){
initiate_factory_reset();
break;
}
}

if(temp3<=30){
struct gecko_msg_system_get_bt_
address_rsp_t *pAddr = gecko_cmd_system_get_bt_
address();
set_device_name(&pAddr-
>address);
// Initialize Mesh stack in Node
operation mode, wait for initialized event
result = gecko_cmd_mesh_node_
init()->result;
if (result) {
sprintf(buf, “init failed
(0x%x)”, result);
}
}
}

       ④重新編譯完后，可以燒錄進(jìn)第一、二組中，按進(jìn)行組網(wǎng)分組即可完成手動(dòng)模式的場(chǎng)景。
　?、菰谑謩?dòng)模式基礎上修改自動(dòng)模式的開(kāi)啟關(guān)閉，則變成自動(dòng)模式的場(chǎng)景：

       //修改按鍵中斷處理即可

void gpioint(uint8_t pin){
if ((pin == BSP_BUTTON0_PIN)&&(enter==0)) {
if (GPIO_PinInGet(BSP_BUTTON0_PORT,
BSP_BUTTON0_PIN) == 0) {
// pressed - record RTCC timestamp
pb0_press = RTCC_CounterGet();
} else {
// released - check if it was short or long press
t_diff = RTCC_CounterGet() - pb0_press;
if (t_diff < LONG_PRESS_TIME_TICKS) {
gecko_external_signal(EXT_
SIGNAL_PB4_SHORT_PRESS);
enter=1;
} else {
gecko_external_signal(EXT_
SIGNAL_PB4_LONG_PRESS);

enter=1;
}
}
}
e l s e i f ( ( p i n = = B S P _ B U T T O N 0 _
PIN)&&(enter==2)) {
enter=0;
}
}

       ⑥重新編譯完后，可以燒錄進(jìn)第三、四組中，按進(jìn)行組網(wǎng)分組即可完成自動(dòng)模式的場(chǎng)景。
　?、咴谧詣?dòng)模式組網(wǎng)時(shí)，選擇RELAY功能，則具備了轉發(fā)功能，使用電池供電裝置后，可以用在長(cháng)廊控制場(chǎng)景。
　?、?如 客 戶(hù) 需 要 自 己 開(kāi) 發(fā) 合 適 的 A p p ， 則simplicity studio在上下載到ADK，按應用筆記《an1140-
bluetooth-mesh-for-android-adk.pdf》完成：安裝，新建工程，展開(kāi)下載到的ADK包，內有jar文件（路徑：C:SiliconLabsSimplicityStudiov4developersdksblemeshv1.3appbluetoothandroid），將符合藍牙Mesh的API接口導入，則可以進(jìn)行下一步開(kāi)發(fā)。
　　注意事項如下。
　?、俟俜教峁┑腁pp為演示版本，其分組數目只分到4組，但藍牙Mesh標準是這樣描述的：“A groupaddress is a multicast address and can represent multiple elements on one or more nodes. There are 16384 group addresses per mesh network”，是可分多達16384組的，足夠任何場(chǎng)景使用。
　?、谕瑯?，device ID在藍牙Mesh標準里是這樣描述的：“A unicast address is allocated to an element and always represents a single element of a node. There are 32767 unicast addresses per mesh network”，演示版本中只分到250個(gè)會(huì )重新開(kāi)始分配。
　?、鬯{牙Mesh標準支持客戶(hù)開(kāi)發(fā)定制model，在圖形化配置界面里面進(jìn)行model修改和軟件配置，即可完成。
　　如下是軟件修改：

       //定義IDmodel

my_model_t my_model = {
.elem_index = PRIMARY_ELEMENT,
.vendor_id = MY_VENDOR_ID,
.model_id = MY_MODEL_CLIENT_
ID,
.publish = 1,
.opcodes_len = 6,
.opcodes_data[0] = temperature_
get,
.opcodes_data[1] = temperature_
status,
.opcodes_data[2] = unit_get,
.opcodes_data[3] = unit_set,
.opcodes_data[4] = unit_set_unack,
.opcodes_data[5] = unit_status
};

       3 結論藍牙Mesh標準具有多對多的網(wǎng)絡(luò )拓撲，可以滿(mǎn)足節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )里各種節點(diǎn)的通信需求，無(wú)需網(wǎng)關(guān)，操作簡(jiǎn)單，在各種操作終端中普遍配備的優(yōu)點(diǎn)，配搭無(wú)連接推送和室內定位功能，適合開(kāi)發(fā)節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )。
　　公司推出的藍牙Mesh SDK可以讓藍牙Mesh應用變得非常簡(jiǎn)單又靈活，EFR32BG13系列支持BT5.0，是Mesh Update模式的必要條件，故Labs公司的藍牙Mesh方案是開(kāi)發(fā)藍牙Mesh產(chǎn)品的好選擇。

       參考文獻
       [1]Bluetooth Mesh Mesh Profile / Specification.
       [2]QSG148: Getting Started with the Silicon Labs Bluetooth ? Mesh Lighting Demonstration.
       [3]an1140-bluetooth-mesh-for-android-adk.
       [4]官方教程《Vendor model examples》.
       [5]efr32bg13-datasheet.
       [6]efr32xg13-reference-manual.
       [7]Bluetooth Mesh Networking Customer Friendly, July 2017.

本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第4期第72頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處