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概述
本文主要介绍蓝牙Mesh协议 。它不仅仅是传统蓝牙的简单延伸，而是一套全新的、专为大规模设备网络设计的通信标准。蓝牙Mesh 是蓝牙技术联盟为填补大规模、低功耗设备组网空白而推出的重要协议。它巧妙地将低功耗蓝牙的广播特性转化为网状网络的基石，通过消息洪泛、分层安全和功能模型，为智能楼宇和家居提供了稳定、安全、可互操作的解决方案。尽管在实时性和功耗上有一定权衡，但其与生俱来的手机友好性和强大的生态系统使其在市场上占据了重要地位。
1 Mesh
1.1 Mesh介绍
蓝牙Mesh一种基于低功耗蓝牙广播报文来实现的网络技术。蓝牙mesh是一种先进的mesh网络技术。它扩展了低功耗蓝牙的功能，使其能够在具有数千个节点的网络中实现强大的并发多播（多对多）通信。这项功能是照明、传感器网络、预测性维护、资产跟踪和定位等新应用的重要更新。蓝牙mesh是一种受管理的泛洪网格。它是在大型网络中分发信息的一种简单可靠的方法。从源头到目的地的多条路径确保了可靠性，排除了单点故障。蓝牙Mesh技术对网络层和应用层分别进行加密，使网络管理员能够创建多级访问控制机制。
1.2 蓝牙Mesh协议 1.1 和新功能
最新发布的蓝牙 Mesh 协议规范 v1.1 和相关规范进一步规范了核心用例、新功能和增强功能，满足了业界的需求。经过最新改进的蓝牙Mesh协议定义了网格设备固件升级（Mesh DFU）、远程配置和二进制大对象（BLOB）传输标准。这些功能旨在降低系统安装和维护的复杂性和成本。蓝牙Mesh协议 v1.1 还增加了一些新功能、增强功能和安全改进功能。
1.3 Bluetooth NLC
蓝牙网络照明控制（NLC）是一套蓝牙Mesh配置文件，用于标准化灯具、传感器和控制设备的接口。NLC 是无线照明控制的全栈标准，涵盖无线电层、协议层和设备层的标准化。蓝牙 NLC 实现了无线照明控制的多厂商互操作性和大规模应用。NLC 配置文件定义了以下设备类型的标准： 环境光传感器、基本亮度控制器、基本场景选择器、调光控制、能源监控器和占用传感器。
2 Mesh拓扑结构
2.1 Mesh拓扑结构介绍
蓝牙mesh使用低功耗蓝牙作为其信息的承载或传输方式。蓝牙mesh的信息被封装在低功耗蓝牙广播或GATT数据包中，它们被称为Advertising bearer （广播）或GATT bearer（连接）。普通节点通常使用Advertising bearer，但当智能手机连接到网络时，它通常使用GATT bearer。智能手机会连接到一个节点，然后该节点将信息转发到网络中。
2.2 Mesh拓扑结构示意图
下图显示了蓝牙Mesh中各种角色的概述:
- N：节点是最基本的角色。它只使用Advertising bearer，并且接收器总是处于开启状态。它不会重传信息。
- RN：中继节点只使用Advertising bearer，当不重传信息时，接收器总是处于开启状态。它扩展了网络范围，并允许信息在多个中继节点之间跳跃。
- P：代理节点具有与RN相同的功能，但也可以使用GATT bearer连接到智能手机等设备。它运行蓝牙mesh栈和低功耗蓝牙栈。
- FN：朋友节点具有与RN相同的功能，但可以与一个或多个LPN建立友谊。它将为与它有友谊的LPN存储信息。
- LPN：低功率节点使用Advertising bearer，接收器通常处于关闭状态。它会在一定的时间间隔内醒来，并轮询来自其朋友节点的信息。它可以在任何时候醒来向网络发送信息。
- GATT连接性能表示通过 GATT 连接使用远程、1 Mbps 或 2 Mbps 连接到代理节点的节点。
2.3 核心工作原理
1) 网络拓扑与消息传递
节点：每个蓝牙Mesh设备称为一个节点。
消息洪泛：蓝牙Mesh不采用路由表。当一个节点需要发送消息时，它会将消息广播出去。所有在接收范围内的“中继节点”都会收到该消息，并再次广播，直到消息传递到目标节点或达到最大跳数。
优点：简单、鲁棒、无需复杂的路由维护。
缺点：网络流量较大，需要合理管理。
中继功能：并非所有节点都是中继节点。只有启用中继功能的节点才会转发消息，这有助于控制网络流量。
2) 关键概念与角色
Provisioning（配置）：将一个未配网的设备加入Mesh网络的过程，类似于“入网”。配网后，设备获得网络密钥、地址等。
Elements & Models（元素与模型）：
元素：一个物理设备可以包含多个功能单元（例如，一个开关面板有4个按钮），每个单元就是一个“元素”，有独立的地址。
模型：定义了设备的功能和行为（如“开关模型”、“亮度模型”）。模型标准化了设备间的通信语言。分为：
服务器模型：存储状态（如灯的开关状态）。
客户端模型：可以获取或设置服务器状态（如开关）。
控制模型：可以协调多个客户端和服务器，实现复杂逻辑。
地址类型：
单播地址：分配给单个元素（设备）的唯一地址。
组播地址：分配给一组元素的地址。向组地址发送消息，组内所有设备都会响应（如“关闭所有客厅的灯”）。
虚拟地址：基于UUID的标签，可以动态分配，更灵活。
心跳消息：设备定期发送，用于告知网络自己的存在、状态和中继能力，帮助网络维护健康状态。
3 蓝牙Mesh协议特性
3.1 核心定义与目标
蓝牙Mesh 是一种基于低功耗蓝牙技术的网状网络通信协议。其核心目标是：
大规模设备互联：支持数千个设备在同一个网络中可靠通信。
广域覆盖：通过设备之间的中继转发，极大地扩展通信范围。
高可靠性：网状路径提供冗余，单个设备故障不影响网络。
适用于自动化与控制：主要场景是楼宇自动化、智能家居（照明、传感、安防等）和工业物联网。
3.2 与传统蓝牙的区别
| 特性 | 传统蓝牙（经典/BLE） | 蓝牙Mesh |
|---|---|---|
| 拓扑结构 | 星形（点对点或广播） | 网状 |
| 通信方式 | 设备与中心（如手机）直接通信 | 设备间多跳通信，无需中心节点 |
| 设计目标 | 流媒体、文件传输、个人区域网 | 大规模、静态的设备网络与控制 |
| 连接关系 | 一对一或一对多连接 | 多对多，设备可中继消息 |
| 典型应用 | 耳机、手环、智能锁 | 智能灯泡、传感器网络、商业照明 |
3.3 与其他Mesh协议的对比
| 协议 | 基础技术 | 主要特点 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| 蓝牙Mesh | 低功耗蓝牙 | 手机直接支持、模型标准化、消息洪泛 | 智能家居/楼宇控制 |
| Zigbee | IEEE 802.15.4 | 低功耗、自组织路由、成熟生态 | 智能家居、工业传感 |
| Thread | IEEE 802.15.4 | 基于IP（IPv6）、无缝接入互联网、与Matter协同 | 未来智能家居（Matter标准基础） |
| Z-Wave | 专有射频 | 子GHz频段干扰少、互操作性强 | 家庭安防、智能家居 |
3.4 优点与局限性
1） 优点：
手机原生支持：无需网关，手机可直接配置和控制Mesh设备（初期配网和直接控制）。
全球通用频段：使用2.4GHz ISM频段。
高可靠性与扩展性：网状结构，覆盖广。
强大的标准化模型：确保不同厂商设备的互操作性。
企业级安全性：多层加密和密钥管理。
2） 局限性：
延迟不确定：洪泛机制导致延迟随跳数增加，不适合实时性要求极高的场景。
功耗相对较高：中继节点需要频繁监听和转发，功耗较大，常需有线供电。
2.4GHz频段拥堵：与Wi-Fi、经典蓝牙等存在潜在干扰。
手机无法中继：手机通常只作为“配置器”或“客户端节点”，不参与消息中继，限制了手机在网络中的角色。
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