AliOS Things SIG BLE Mesh网络的介绍和搭建

sunsili

AliOS Things SIG BLE Mesh网络的介绍和搭建


摘要： 在最新的版本(1.2.1)中，AliOS Things 开始支持SIG BLE mesh。本文对SIG BLE mesh及如何使用AliOS Things搭建BLE mesh网络进行了详细的说明。

点此查看原文：http://click.aliyun.com/m/42946/

在最新的版本(1.2.1)中，AliOS Things 开始支持SIG BLE mesh。目前，SIG BLE mesh还处于起步阶段，能够查找到的材料里面对于如何一步一步搭建SIG BLE mesh，并部署应用的案例并不多，且不够详尽。本文首先介绍SIG BLE mesh；然后详细介绍如何使用AliOS Things SIG BLE mesh搭建传感监测网络；最后，分析SIG BLE mesh使用过程中遇到的问题，并提出解决办法。

SIG BLE mesh介绍

SIG BLE mesh是随着BLE 5.0一起发布的标准，但它与BLE 5.0并没有强绑定的关系，在BLE 4.2的芯片上也能够工作。BLE mesh的推出扩展了BLE技术的拓扑选项，由原来支持的点到点和广播，扩展到可以支持更加灵活与自组织的mesh网络，目前主要的应用场景是智能照明。

网络的拓扑和节点


图片源自[1]

SIG BLE mesh的拓扑是全连通的mesh网络。链路主要包括两种类型，一种是广播链路，另外一种是GATT (Generic Attribute Profile)链路。GATT链路主要是为了兼容不支持广播链路的节点加入mesh网络设计。

节点包括四种类型：普通节点，中继节点，朋友节点，和低功耗节点。中继节点是具有数据转发能力的节点。朋友节点是低功耗节点的朋友。低功耗节点的所有数据都需要朋友节点帮助发送和接收，来实现低功耗节点在一段时间能够进入休眠状态的目的。目前，低功耗节点只能够是叶子节点。

协议栈结构


图片源自[1]

在标准中，BLE mesh协议栈被分为了很多层，简化版本应该可以分为两层，一层是和应用业务相关，另一层是和网络链路相关。标准中，将每层进行了非常细致的功能细化。网络链路相关细分为了以下层次：

Access Layer: 主要定义了上层应用业务层次如何使用网络传输的能力

Upper Transport Layer: 主要定义了数据的加解密，及基本数据传输功能

Lower Transport Layer: 主要定义了数据的分包与组包逻辑

Network Layer: 定义了数据的寻址与转发

Bearer Layer: 定义了如何利用核心层在点到点设备之间传输数据

Provisioning

SIG BLE mesh需要一个特殊的节点完成网络的配置，这个节点是provisioner。provisioner通常是手机或者一个联网设备。目前开源可以直接使用的provisioner有Bluez meshctl工具。

Provisioning主要功能是节点认证，配网和传输网络配置信息到节点。主要交互包括: beaconing，发出邀请，交换公钥，认证，和分发provisioning data。provisioning成功后，SIG BLE mesh网络链路即建立完成，网络节点之间可以收发数据。

在provisioning完成后，还需要再次建立连接，用于传输应用相关的配置信息，包括: 应用层使用的密钥，绑定使用的model，及配置这些model (如数据发送次数与周期等)。配置完成后，应用业务逻辑即开始工作。

关于SIG BLE mesh标准相关内容，可以移步SIG下载，https://www.bluetooth.com/specifications/mesh-specifications 。

AliOS Things SIG BLE mesh网络搭建

硬件环境

Raspberry PI3一块

乐鑫ESP32 Devkitc两块

微雪NRF51822开发板两块



ESP32和NRF51822开发板跳线图



软件环境

Raspberry PI kernel
为了能够运行Bluez meshctl工具，需要更改Raspberrian默认的安全加密加密相关配置，需要重新编译kernel。

json-c
json-c主要作用是解析meshctl所需的网络相关配置文件。

Bluez
Bluez是Linux的蓝牙协议栈，这里我们使用的是5.48版本。主要使用meshctl工具作为provisioner。

Bluetooth controller
烧录在nrf51822上作为controller使用。

Server端和Client端应用程序
烧录在ESP32上，和nrf51822组合在一起作为BLE mesh节点使用。

传感数据监测网络

传感监测网络包括三种角色，provisioner，server和client。provisioner是网络的配置者，server是传感信息的发布者，client是传感信息的订阅者。

使用AliOS Things一步一步搭建SIG BLE mesh网络指南，请移步https://github.com/alibaba/AliOS ... E-mesh-Setup-Guides。

一些想法和解决方案

在开发和使用AliOS Things搭建SIG BLE mesh网络过程中，主要遇到的痛点是配网不方便，和低功耗支持。

目前，SIG BLE mesh需要使用provisioner逐个配置网络节点，有时候还可能由于网络不稳定导致失败。这样当街点规模较大时，即使是配置一遍，也是一件足够头痛的事情。我们正在做的一件事情是将AliOS Things uMesh网络自动认证的能力赋能给BLE mesh，使得SIG BLE mesh网络的配置更加方便和高效。

另一方面，目前SIG BLE mesh除了叶子节点，其余节点都需要保证100%的监听时间，其实已经不再是低功耗了，我们另外正在做的意见事情是将正在开发中的AliOS Things uMesh低功耗网络的能力赋能给BLE mesh，降低BLE mesh的功耗。

最后，我们会增加更多的硬件平台支持，方便开发者快速建立自己的业务应用。敬请期待，更多内容请移步https://github.com/alibaba/AliOS-Things 。

References:
[1] Bluetooth Specification Mesh Profile v1.0