蓝牙网状网络：继承低功耗优势，优化功耗措施详解

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低功耗蓝牙（ Low ）是世界上最强大的短距离无线通信技术之一。其低功耗受到开发商和消费者的广泛好评。随着蓝牙Mesh的发布，开发人员可能想知道蓝牙Mesh是否也被设计为低功耗。它是否继承了蓝牙LE低功耗的优点？

答案是肯定的！蓝牙网状网络包括各种优化功耗的措施，特别是称为“友好邻居”的功能。

蓝牙网状网络标准概述

蓝牙网状网络功能的应用非常多样化。有些产品（例如灯）将连接到市电电源，蓝牙网状网络模块的功耗与灯本身的功耗相比可以忽略不计。但其他产品，如智能传感器或锁，将受到功率限制，这意味着它们需要由小型电池或能量收集技术供电。像这样的产品很可能会利用蓝牙网状网络的概念。

如果您阅读过蓝牙网状网络系列中的早期文章，您就会知道节点是已配置的设备，并且是网状网络的成员。节点具有与产品类型相关的功能，但也可以具有与网络本身的操作相关的功能，并且可以承担特殊的角色。

这是由它们支持的网格功能决定的。网络中的所有节点都可以发送和接收网格消息。此外，节点可以选择支持一项或多项附加网络功能，如下所列：

中继功能：通过广播承载接收和重新传输网状消息的能力，以支持更大的网络。

· 代理功能：能够在 GATT 和广播承载之间接收和重新传输网状消息。

低功耗：能够在网状网络中运行，并显着降低接收器占空比。最大限度地缩短无线电接收器时间可以降低节点的功耗，仅在绝对必要时才启用接收器。低功耗节点（LPN）通过建立节点来实现这一点。

友好邻居功能：通过存储发往 LPN 的消息并仅在 LPN 显式请求来自“”节点的消息时转发这些消息来帮助 LPN 操作的能力。

要了解如何通过 LPN 来降低功耗，请考虑传感器。传感器是可以利用并充当 LPN 的节点的一个很好的例子。它们通常花费最多时间传输数据，很少需要接收数据。也许传感器仅在超出一组配置限制时发送温度读数，也许这种情况每天只发生两次。这种不频繁的数据传输使此类设备的能耗保持在较低水平。

但是，如果需要修改这些温度限制以根据季节使用不同的值，并且这些限制的修改是通过向传感器发送配置消息来实现的，该怎么办？为了让传感器直接接收到这样的消息，需要切换无线并监听。大多数时候它只是在倾听，没有接收到任何东西，但能量却被耗尽了。

因此，该设备采用一种安排来工作是有意义的，该安排允许 LPN 以任何有意义的频率无线接收消息，并且以比必须始终接收消息时所需的频率低得多的频率进行接收。 LPN 轮询是否有新消息，并且只是偶尔存储它们。下面就来教大家如何省电。

友好的邻居和低功耗节点

LPN 必须与支持该功能的另一个节点建立关系，以减少其接收器占空比并节省能源。图 1 取自蓝牙网状网络规范。此外，它还说明了 LPN 和节点之间的关系。它特别显示：

·浅蓝色：LPN

·深灰色：带有 和 LPN 的节点

·浅灰色：没有LPN的节点

·浅蓝色：LPN

深灰色：与特定 LPN 关联的节点

·浅灰色：与LPN没有关系的节点

图 1 - 网状网络的拓扑示例

节点 P 与 LPNI、J 和 K 存在关系。节点 O 与 LPN L 和 M 存在关系。因此，发往节点 I、J 或 K 的消息将由 P 存储和转发。节点 L 或 M 将被存储和转发仅当 LPN 轮询等待传递的消息时，才会由节点进行转发。

友好邻居节点参数

LPN需要找到“”节点并与它们建立关系。所涉及的过程称为设置。我们稍后将检查此过程，但先介绍一些有关 LPN 行为的关键参数，因为这些参数是在设置过程中设置的。

1. 是 LPN、向节点发送请求和开始侦听响应之间经过的时间。这允许“”节点有时间准备其响应并将其发回。

2. LPN 花费在侦听响应上的时间。图 2 说明了所涉及的时序。

图2-及时序

1. 建立为 LPN 向其“”节点发送的两个连续请求之间可能经过的最大时间。如果节点在定时器超时之前没有收到LPN请求，则节点将被终止。

图 3-时序

友好邻居节点建立

两个人想要建立友谊，只需要一个眼神就够了！为了建立蓝牙网状网络，需要几个步骤。

1.LPN发布请求消息。该消息不会被中继，因此只有直接无线范围内的节点才能处理它。没有功能的节点会丢弃它。该请求消息包括LPN和参数。

1.可以支持“请求”消息中指定的要求的每个附近的“”节点准备“提供”消息并将其发送回LPN。该消息包括各种参数，包括支持的大小、可用消息队列大小、可用列表大小以及节点测量的RSSI值。

2. 收到“”消息后，LPN 通过应用特定于实现的算法来选择适当的节点。该算法可以考虑各种各样的点。有些设备可能会优先考虑接收窗口大小以最小化功耗，而有些设备可能会更加关注RSSI值以确保它们能够与“”节点保持良好的链路质量。使用的精确算法由产品开发人员确定。

3. 选择节点后，LPN 会向该节点发送 Poll 消息。

4. 节点收到来自LPN的Poll消息后，回复消息，结束建立过程并提供安全参数。至此，就成立了。

友好邻里信息

建立后，“”节点将LPN的所有消息存储在Queue中。这些称为存储消息。下面的图 4 说明了节点和关联 LPN 之间的消息交换。

·当“”节点接收到寻址到“”节点的LPN的消息时，“”节点缓冲该消息，将其存储在称为“队列”的区域中。在图4中，我们可以看到消息1和2代表存储在节点中的LPN。

LPN 定期使其收发器向节点发送轮询，请求其存储任何缓冲的消息。

·“”节点首先将存储的消息发送回LPN作为对“轮询”的答复。

· 从“”节点接收到每个消息后，LPN 将继续发送“Poll”消息，直到收到“MD（MD = 更多数据）”字段设置为 0 的“”消息。这意味着 LPN 已没有更多消息被缓冲。此时，LPN 停止轮询“”节点。

图4-

安全

蓝牙网络中安全无处不在。此外，它还使用两个特殊的安全凭证：

· ：源自同一网络中的其他节点，也可以被同一网络中的其他节点使用。使用加密的消息可以由同一网络中的任何节点解密。

· ：源自LPN和节点生成的一些附加计数器号。使用加密的消息只能由拥有它的人和 LPN 解密。

使用 LPN 和节点怎么样？总结如下：

对应的加密消息为：

·轮询

·

· //

·存储节点传递给LPN的消息

使用加密对应的消息是：

·清除

·明确确认

根据应用程序设置，从 LPN 发送到节点的消息将使用安全配置文件进行加密。

终止友好邻居节点

在某些情况下可能会发生终止：

·如果在定时器超时之前节点没有收到轮询、List Add或List消息，则终止。

·LPN可以通过向节点发送Clear消息来发起终止过程，导致节点被终止。

平台选择建议

开发人员在选择实施平台和 LPN 时应考虑以下准则：

RAM 容量：可用 RAM 的数量直接影响节点可以支持的 LPN 数量，以及它可以为关联的 LPN 缓冲多少消息。

·LPN：所选MCU和模块的总体功耗性能是LPN的关键。此外，从睡眠模式到运行模式的唤醒/预热时间会影响LPN的响应速度和延迟。

作为一名开发人员，我相信我们可以分享您对蓝牙 Mesh SDK 的期望。然后我们就可以一起分享蓝牙mesh网络“朋友节点”了！