Silicon Labs藍(lán)牙Mesh應(yīng)用實(shí)例

The application of Silicon Labs’ Bluetooth Mesh

李仁慶（貝能國際有限公司，廣東 廣州 510665）

       摘要：藍(lán)牙Mesh標(biāo)準(zhǔn)脫胎于藍(lán)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)，是開發(fā)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的選擇之一；Silicon Labs公司推出的藍(lán)牙Mesh SDK和支持BT5.0的EFR32BG13系列SoC，讓藍(lán)牙Mesh應(yīng)用變得簡單靈活。
       關(guān)鍵詞：藍(lán)牙；mesh；照明；拓?fù)?/p>

　　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(jié)點(diǎn)，又可以適應(yīng)不同節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)的問題？這不可避免地?cái)[在了所有的業(yè)內(nèi)人士面前。Zigbee標(biāo)準(zhǔn)已有成熟生態(tài)鏈，但需要有網(wǎng)關(guān)，無法跟目前流行的操作終端如手機(jī)進(jìn)行直連成為了短板；在家庭、工業(yè)、商業(yè)都普遍應(yīng)用的Wi-Fi因功耗大，無法適應(yīng)各種節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)而只能用在傳輸速度有要求的產(chǎn)品上；入門簡單、成本低的在簡單的智能物聯(lián)產(chǎn)品中使用最多，但因其標(biāo)準(zhǔn)化程度不高，無法達(dá)到各廠家的產(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(guī)模遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中有頗多應(yīng)用，但功耗和整體成本問題是暫時(shí)難以解決的問題。那是否就沒有一種協(xié)議可以完美解決這些問題嗎？
　　有！藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟于2017年7月19日正式宣布，藍(lán)牙（Bluetooth?）技術(shù)開始全面支持Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（如圖1）。藍(lán)牙Mesh標(biāo)準(zhǔn)脫胎于藍(lán)牙低功耗（BLE），用于建立多對(duì)多設(shè)備通信的新網(wǎng)絡(luò)。藍(lán)牙Mesh標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議具有藍(lán)牙BLE的特點(diǎn)，也有多對(duì)多的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，無需網(wǎng)關(guān)同時(shí)具備多種應(yīng)用profile標(biāo)準(zhǔn)，操作簡單，在各種操作終端中普遍配備的優(yōu)點(diǎn)，完全符合節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)；未來利用藍(lán)牙beacon信息推送和定位技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)無連接推送和室內(nèi)定位功能。

       1 Silicon Labs公司的套件及芯片

       公司提供的藍(lán)牙Mesh標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議目前已經(jīng)推出第二版正式SDK，加入了調(diào)光、調(diào)色功能，標(biāo)志著藍(lán)牙Mesh在Lighting（照明）上的應(yīng)用更加成熟；也加入了友員節(jié)點(diǎn)、低功耗節(jié)點(diǎn)，低功耗應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)也令藍(lán)牙Mesh在Lighting領(lǐng)域的產(chǎn)品化成為現(xiàn)實(shí)。
　　公 司 在 藍(lán) 牙 M e s h 應(yīng) 用 上 有、EFR32BG系列SoC和BGM系列模塊，其中性價(jià)比最高的為EFR32BG13系列，并提供了相應(yīng)的開發(fā)套件和例程，能大大提高藍(lán)牙Mesh產(chǎn)品的開發(fā)速度。該SoC集成了藍(lán)牙5.0 2.4 GHz RF硬件，內(nèi)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，無需客戶在射頻方面投入不必要的精力。
　　2 在照明領(lǐng)域應(yīng)用藍(lán)牙Mesh實(shí)例

       無論是在工業(yè)照明、商業(yè)照明還是在家庭照明中，實(shí)際燈的數(shù)量和開關(guān)的數(shù)量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過初戰(zhàn)演示，而且照明場景也遠(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)雜過初戰(zhàn)演示。接下來，我們結(jié)合案例實(shí)現(xiàn)一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。

　?、俑鶕?jù)Silicon 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在無線方面集成了PA（功率放大器）和巴倫電路，外圍電路相當(dāng)簡單，基本不需要進(jìn)行任何硬件調(diào)試，一次PCB制作成功率相當(dāng)高。官方提供的開發(fā)套件為兩個(gè)LED，本應(yīng)用實(shí)驗(yàn)將其擴(kuò)展為三個(gè)LED；官方提供的開發(fā)套件為兩個(gè)按鍵，分別完成開關(guān)、調(diào)光和出廠復(fù)位，本應(yīng)用實(shí)驗(yàn)將其縮減為一個(gè)按鍵，采用單方向循環(huán)算法完成開關(guān)、調(diào)光和出廠復(fù)位。
　?、谠趹?yīng)用實(shí)驗(yàn)中，我們模擬了一個(gè)需要用到50個(gè)節(jié)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)開關(guān)節(jié)點(diǎn)手動(dòng)控制9個(gè)燈節(jié)點(diǎn)的開關(guān)和調(diào)光，這個(gè)場景是官方演示套裝的加大版本，也是日常照明比較常見的場景；第3組為自動(dòng)開關(guān)場景，2個(gè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)按不同節(jié)拍自動(dòng)控制25個(gè)燈節(jié)點(diǎn)開或關(guān)，模擬的是需要自動(dòng)開關(guān)的場景，如路燈自動(dòng)開啟和熄滅；最后一組為自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)場景，由1個(gè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)和2個(gè)帶轉(zhuǎn)發(fā)功能燈節(jié)點(diǎn)完成，適用于長廊控制場景。
　　下面將在初步實(shí)戰(zhàn)和以上硬件基礎(chǔ)上完成軟件應(yīng)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(yīng)用實(shí)驗(yàn)的LED和引腳進(jìn)行了改動(dòng)，而LED是調(diào)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(diào)用硬件配置器進(jìn)行圖形化修改，生成代碼。由于本應(yīng)用實(shí)驗(yàn)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

修改一下出廠復(fù)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)模式的場景。
　　⑤在手動(dòng)模式基礎(chǔ)上修改自動(dòng)模式的開啟關(guān)閉，則變成自動(dòng)模式的場景：

       //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)模式的場景。
　?、咴谧詣?dòng)模式組網(wǎng)時(shí)，選擇RELAY功能，則具備了轉(zhuǎn)發(fā)功能，使用電池供電裝置后，可以用在長廊控制場景。
　?、?如 客 戶 需 要 自 己 開 發(fā) 合 適 的 A p p ， 則simplicity studio在上下載到ADK，按應(yīng)用筆記《an1140-
bluetooth-mesh-for-android-adk.pdf》完成：安裝，新建工程，展開下載到的ADK包，內(nèi)有jar文件（路徑：C:SiliconLabsSimplicityStudiov4developersdksblemeshv1.3appbluetoothandroid），將符合藍(lán)牙Mesh的API接口導(dǎo)入，則可以進(jìn)行下一步開發(fā)。
　　注意事項(xiàng)如下。
　?、俟俜教峁┑腁pp為演示版本，其分組數(shù)目只分到4組，但藍(lán)牙Mesh標(biāo)準(zhǔn)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(dá)16384組的，足夠任何場景使用。
　?、谕瑯?，device ID在藍(lán)牙Mesh標(biāo)準(zhǔn)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)重新開始分配。
　?、鬯{(lán)牙Mesh標(biāo)準(zhǔn)支持客戶開發(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(jié)論藍(lán)牙Mesh標(biāo)準(zhǔn)具有多對(duì)多的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，可以滿足節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)里各種節(jié)點(diǎn)的通信需求，無需網(wǎng)關(guān)，操作簡單，在各種操作終端中普遍配備的優(yōu)點(diǎn)，配搭無連接推送和室內(nèi)定位功能，適合開發(fā)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。
　　公司推出的藍(lán)牙Mesh SDK可以讓藍(lán)牙Mesh應(yīng)用變得非常簡單又靈活，EFR32BG13系列支持BT5.0，是Mesh Update模式的必要條件，故Labs公司的藍(lán)牙Mesh方案是開發(fā)藍(lán)牙Mesh產(chǎn)品的好選擇。

       參考文獻(xiàn)
       [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.

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