都挺好：STM32WB+蓝牙Mesh(上)

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eefishing 发布时间：2019-6-21 12:00

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大家对蓝牙应该不会感到陌生，利用经典蓝牙技术的蓝牙耳机/音箱，借助BLE(低功耗蓝牙)技术的运动手环/手表在我们的生活中随处可见。而ZigBee在工业物联网上则是应用广泛。THREAD作为谷歌亲兄弟（Nest Labs）推出的物联网通讯协议，日子自然也不会难过。

在下图中（左下角格子）可以看到，BLE（低功耗蓝牙），THREAD及ZigBee这三项无线传输协议同属于短中距离（10m-100m）和低中传输数据量(bps to Kbps)的定位。这三项协议可比三国的“魏蜀吴”，家家互不相让，都想称霸中原(智能家居、智慧楼宇)。

常见无线传输技术

限于篇幅，我们先来聊聊“三国”中的“魏”—— 蓝牙。

为什么把蓝牙称为“魏”? 一来蓝牙技术联盟(SIG) 旗下成员众多（截止2017年底，33000家会员，好比魏国数不胜数的文将武将），二来蓝牙“挟天子以令诸侯”。这个“天子”就是跟我们形影不离的手机。有了出厂就配备蓝牙的手机这个“天子”，什么智能冰箱、智能手环，不都得向它汇报数据。自然蓝牙也成为了我们生活中最常用的协议。

“三国”最终谁能称霸还是各自偏安一隅，我们尚不得知。但是 “三国”之间相互借鉴的趋势变得越发明显。比如蓝牙Mesh就是蓝牙技术联盟(SIG)在2017年新加入的拓展BLE(低功耗蓝牙)应用场景的一项网络技术，而Mesh的应用场景又恰好是Zigbee的传统擅长领域。

Mesh简单的说就是让我们建立无线节点之间 “多对多”连接的一项技术，目的是为了让信息传递跨越非常大的物理距离。

制造工厂、办公楼、商业园区等的节点

（摘自蓝牙技术联盟公众号）

下表是“三国”Mesh的异同。

不难发现，“三国”的Mesh同属一个RF频段（2.4G），从物理层(PHY)开始有了差异。

BLE Mesh作为一项应用协议，使用并且依赖于BLE(低功耗蓝牙)作为底层协议栈（下图红框内）。

在最开始设计Mesh技术的时候，蓝牙的标准还是4.0，所以考虑到向下兼容性，到目前为止Mesh还是采用BLE 4.0来实现上层的协议栈。只要MCU基于BLE 4.0及以上，满足一定的运算能力来完成加密机制，并且有足够的RAM或Flash来运行协议，就有可能加入Mesh功能。

当然如果像STM32WB这样支持BLE 5.0，会给未来Mesh协议的扩展升级提供更多的可能性。

像其他很多协议一样，Mesh协议栈各层级各司其职。而对于初学者来说，我们只需要关注最高层的model layer（下图黑框内）。在之后文章的代码例程讲解中，我们会重点介绍这一层。

蓝牙Mesh网络协议栈（摘自蓝牙技术联盟公众号）

那在BLE Mesh网络里的“Node”（节点）会有哪些“Feature”（特性）呢？

还记得我们的“天子”——手机吗？

要跟“天子”递奏折传递信息自然需要“太监”作为媒介，只有“太监”才能读懂“天子”的心情。我们把能够实现GATT和蓝牙mesh节点之间消息发送与接收的节点特性称为 “Proxy” （代理）。
那如果“天子”要下发政令到各个州府呢？古代的“驿卒”就担负了在各个政府机关传递情报的工作。我们把这种能够接收和转发消息，通过消息在节点之间中继实现更大规模网络的节点特性称为“Relay”（中继）。
州府最终要把政令实施下去吧？但又要休养生息，不能每天都把百姓叫过来训话吧。只能选个好日子，趁百姓都在场才能宣布政令。州府在这里起到的角色就是暂存信息的功能。我们把能够存储发往低功耗节点的消息和安全更新的节点特性称为“Friend”（好友）。
那些经不起折腾，只能定期出门去接收消息的老百姓就是供电受限的“Low-Power”（低功耗特性）。

4 t1 B6 v' N+ m& O+ n7 P

但与现实不同的是，BLE Mesh中不受功耗限制的节点能够扮演一个或者多个“角色”——既能当官，又能兼职做“太监”和“驿卒”。而“老百姓”因为功耗受限，一般只能做“老百姓”。