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Silicon Labs藍牙Mesh應用實例

作者:李仁慶時間:2019-03-29來源:電子產品世界收藏

The application of ’ Bluetooth Mesh

本文引用地址:http://www.ghlhk.icu/article/201903/399041.htm

李仁慶(貝能國際有限公司,廣東 廣州 510665)

       摘要:標準脫胎于藍牙低功耗(BLE)和網狀協議,兼有兩種協議優點,又摒棄其缺點,是開發節點網絡的選擇之一;公司推出的 SDK和支持BT5.0的EFR32BG13系列SoC,讓應用變得簡單靈活。
       關鍵詞:藍牙;mesh;照明;拓撲

  引言

       物聯網發展如火如荼的今天,怎樣可以聯接大量節點,又可以適應不同節點的特點的問題?這不可避免地擺在了所有的業內人士面前。Zigbee標準已有成熟生態鏈,但需要有網關,無法跟目前流行的操作終端如手機進行直連成為了短板;在家庭、工業、商業都普遍應用的Wi-Fi因功耗大,無法適應各種節點的特點而只能用在傳輸速度有要求的產品上;入門簡單、成本低的在簡單的智能物聯產品中使用最多,但因其標準化程度不高,無法達到各廠家的產品互聯互通;近期流行的NB-IoT產品因其廣域網特點,在大規模遠距離節點網絡中有頗多應用,但功耗和整體成本問題是暫時難以解決的問題。那是否就沒有一種協議可以完美解決這些問題嗎?
  有!藍牙技術聯盟于2017年7月19日正式宣布,藍牙(Bluetooth?)技術開始全面支持Mesh網狀網絡(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絡。藍牙Mesh標準協議具有藍牙BLE的特點,也有多對多的網絡拓撲,無需網關同時具備多種應用profile標準,操作簡單,在各種操作終端中普遍配備的優點,完全符合節點網絡的特點;未來利用藍牙beacon信息推送和定位技術,可以實現無連接推送和室內定位功能。

       1 公司的套件及芯片

       公司提供的藍牙Mesh標準協議目前已經推出第二版正式SDK,加入了調光、調色功能,標志著藍牙Mesh在Lighting(照明)上的應用更加成熟;也加入了友員節點、低功耗節點,低功耗應用的實現也令藍牙Mesh在Lighting領域的產品化成為現實。
  公 司 在 藍 牙 M e s h 應 用 上 有、EFR32BG系列SoC和BGM系列模塊,其中性價比最高的為EFR32BG13系列,并提供了相應的開發套件和例程,能大大提高藍牙Mesh產品的開發速度。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個電感和1個電容,無需客戶在射頻方面投入不必要的精力。
  2 在照明領域應用藍牙Mesh實例

       無論是在工業照明、商業照明還是在家庭照明中,實際燈的數量和開關的數量都遠遠超過初戰演示,而且照明場景也遠遠復雜過初戰演示。接下來,我們結合案例實現一個應用實例。

1554699094893731.png

  ①根據Silicon Labs公司提供的硬件資料重新制作了合乎產品尺寸的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,外圍電路相當簡單,基本不需要進行任何硬件調試,一次PCB制作成功率相當高。官方提供的開發套件為兩個LED,本應用實驗將其擴展為三個LED;官方提供的開發套件為兩個按鍵,分別完成開關、調光和出廠復位,本應用實驗將其縮減為一個按鍵,采用單方向循環算法完成開關、調光和出廠復位。
  ②在應用實驗中,我們模擬了一個需要用到50個節點的照明網絡(如圖2),將其分成4組,其中兩組均為手動模式,為1個開關節點手動控制9個燈節點的開關和調光,這個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組為自動開關場景,2個開關節點按不同節拍自動控制25個燈節點開或關,模擬的是需要自動開關的場景,如路燈自動開啟和熄滅;最后一組為自動轉發場景,由1個開關節點和2個帶轉發功能燈節點完成,適用于長廊控制場景。
  下面將在初步實戰和以上硬件基礎上完成軟件應用。
  ③在simplicity studio上建立例程SoC-Mesh Light和SoC-Mesh Switch,生成代碼后可以直接進行編譯,之后進行第一處修改,本應用實驗的LED和引腳進行了改動,而LED是調用了PWM進行控制,所以需要進行引腳分配和PWM配置修改,可以在其他工程中調用硬件配置器進行圖形化修改,生成代碼。由于本應用實驗中改動不大,故直接在源碼中進行修改:

// 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

修改一下出廠復位的觸發條件:

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);
}
}
}

1554699125936998.png

       ④重新編譯完后,可以燒錄進第一、二組中,按進行組網分組即可完成手動模式的場景。
  ⑤在手動模式基礎上修改自動模式的開啟關閉,則變成自動模式的場景:

       //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,可以燒錄進第三、四組中,按進行組網分組即可完成自動模式的場景。
  ⑦在自動模式組網時,選擇RELAY功能,則具備了轉發功能,使用電池供電裝置后,可以用在長廊控制場景。
  ⑧ 如 客 戶 需 要 自 己 開 發 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,展開下載到的ADK包,內有jar文件(路徑:C:\SiliconLabs\SimplicityStudio\v4\developer\sdks\blemesh\v1.3\app\bluetooth\android),將符合藍牙Mesh的API接口導入,則可以進行下一步開發。
  注意事項如下。
  ①官方提供的App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,足夠任何場景使用。
  ②同樣,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個會重新開始分配。
  ③藍牙Mesh標準支持客戶開發定制model,在圖形化配置界面里面進行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絡拓撲,可以滿足節點網絡里各種節點的通信需求,無需網關,操作簡單,在各種操作終端中普遍配備的優點,配搭無連接推送和室內定位功能,適合開發節點網絡。
  公司推出的藍牙Mesh SDK可以讓藍牙Mesh應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公司的藍牙Mesh方案是開發藍牙Mesh產品的好選擇。

       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.

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



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