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藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡基本概念

各位朋友及藍牙愛好者們，本周推送的這篇文章是解密藍牙m(xù)esh系列第三篇，同時也是藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡基本概念的部分，請開始你的閱讀
無論您想采用智能照明、溫控和安全系統(tǒng)讓家庭和辦公室變得更加智能，還是想提高工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡（IWSN）的效率，藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡都能為您與環(huán)境的交互開啟全新的機遇。
藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡為創(chuàng)建大型設備網(wǎng)絡奠定了基礎，讓成千上萬的無線設備彼此之間可靠安全地進行通信。本文將深入探究這一創(chuàng)新網(wǎng)絡拓撲背后的基本概念。
節(jié)點（Node）
想象一下由數(shù)千臺設備組成的網(wǎng)絡，每臺設備均通過低功耗藍牙（LE）無線連接進行通信。藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡中的這些設備被稱為節(jié)點 (node) 。
每個節(jié)點都能發(fā)送和接收消息。信息能夠在節(jié)點之間被中繼，從而讓消息傳輸至比無線電波正常傳輸距離更遠的位置。這樣的節(jié)點網(wǎng)絡（圖1)可以被分布在制造工廠、辦公樓、購物中心、商業(yè)園區(qū)（圖2）以及更多環(huán)境中。

圖 1 – mesh網(wǎng)絡中的節(jié)點

圖2 - 制造工廠、辦公樓、商業(yè)園區(qū)等的節(jié)點
藍牙m(xù)esh節(jié)點非常多樣化，有助于在mesh網(wǎng)絡中實現(xiàn)多重功能。照明器具、機械設備、安防攝像機、煙霧探測器和環(huán)境傳感器僅僅是節(jié)點能實現(xiàn)的幾個例子。
元素（Elements）
一些節(jié)點（如傳感器）的電池有可能會被耗盡，而其他節(jié)點（如照明設備、制造機械和安防攝像機）則會通過主電網(wǎng)來獲取電力。一些節(jié)點的處理能力會高于其他節(jié)點。這些節(jié)點在mesh網(wǎng)絡中可承擔更為復雜的任務，扮演不同的角色，表現(xiàn)出以下四個節(jié)點特征（Features）
低功耗 (Low-Power) 特性
功率受限的節(jié)點可能會利用低功耗特性來減少無線電接通時間并節(jié)省功耗。同時低功耗節(jié)點（LPN）可以與friend節(jié)點協(xié)同工作。
Friend 特性
功率不受限的節(jié)點很適合作為friend節(jié)點。Friend 節(jié)點能夠存儲發(fā)往低功耗節(jié)點（LPN）的消息和安全更新；當?shù)凸墓?jié)點需要時再將存儲的信息傳輸至低功耗節(jié)點。
中繼 (Relay) 特性
中繼節(jié)點能夠接收和轉發(fā)消息，通過消息在節(jié)點之間的中繼，實現(xiàn)更大規(guī)模的網(wǎng)絡。節(jié)點是否能夠具備這一特性取決于其電源和計算能力。
代理 (Proxy) 特性
代理節(jié)點能夠實現(xiàn)GATT和藍牙m(xù)esh節(jié)點之間的mesh消息發(fā)送與接收。承擔這一角色的節(jié)點需要固定的電源和計算資源。
一些節(jié)點的復雜性高于其他節(jié)點，由多個稱為元素（Element）的獨立部分組成。每個節(jié)點至少擁有一個元素，稱為主元素Primary Element
同時還可能包含其他多個元素（圖3）。元素由定義節(jié)點功能和元素條件的實體組成。例如，一個燈泡內(nèi)有一個元素, 并具有兩種功能：
●節(jié)點 = 燈泡
●一個元素 = 主元素
●節(jié)點功能
- 開/關
- 亮/度
●元素條件/狀態(tài)
- “開”或“關”
- 0 – 10 (亮度等級)

圖 3 –節(jié)點必須至少有一個元素，也可能包含多個元素
節(jié)點中的每個元素都有一個的地址，稱為單播地址(unicast address)，使每個元素都有址可尋。我們將在后續(xù)的解密藍牙m(xù)esh系列文章中進一步解釋“尋址”。
模型 (Model) 和狀態(tài) (State)
無論節(jié)點位于制造廠房、酒店、辦公樓、還是商業(yè)園區(qū)的網(wǎng)絡中，節(jié)點的基本功能都由模型 (Model) 來定義和實施。模型位于元素內(nèi)，元素必須具有至少一個模型（圖4A）。模型能夠定義并實施節(jié)點的功能和行為，而狀態(tài) (State) 能夠定義元素的條件（圖4B）。

圖4A - 節(jié)點、元素與模型

圖4B - 節(jié)點、元素、模型以及狀態(tài)之間的關系
以燈泡為例，該模型的功能是開關和調節(jié)亮度。相關的狀態(tài)分別為“開”/ “關”和0-10
●模型 (節(jié)點功能)
1. 開/關
狀態(tài) -> “開”或“關”
2. 亮度 (0-10)
狀態(tài) -> 0-10
藍牙m(xù)esh支持復合狀態(tài)，即由兩個或多個值組成的狀態(tài)。變色燈就是這樣的一個例子，色調可以不受顏色飽和度或亮度的局限而改變。
綁定狀態(tài)” (Bound State) 這一術語的定義源自一種狀態(tài)的變化導致另一狀態(tài)變化的情況。級別狀態(tài)和開/關狀態(tài)通常就相互綁定。如果級別從0變?yōu)?，則“開/關”的狀態(tài)也從“關”變?yōu)?ldquo;開”。
每個模型都有的標識符。藍牙技術聯(lián)盟采用16位的模型，而供應商采用32位（其中包含藍牙技術聯(lián)盟的16位公司標識符以及16位供應商的模型標識符）。這確保了每個模型的地址都并且能確定被尋址到。
藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡可借助消息，通過客戶端 - 服務器架構進行通信。服務器的功能是暴露元素的狀態(tài)。的狀態(tài)之一是二進制開關，其中狀態(tài)為“開”或“關”。簡單的服務器模型是通用開/關服務器模型 (Generic On/Off Server Model) ，其中包含表示開關開啟或關閉的狀態(tài)。
客戶端可對狀態(tài)進行訪問，請求、更改或使用服務器的狀態(tài)。舉例來說，一個簡單的客戶端模型就是通用開/關客戶端模型（Generic On/Off Client Model）（二進制開關）。通用開/關客戶端模型通過發(fā)送消息來控制通用開/關服務器模型。例如，客戶端可利用這一機制開啟或關閉指示燈。
這種客戶端 - 服務器架構產(chǎn)生了三種類型的模型：
服務器模型 (Server Model)
●由至少一個或多個狀態(tài)跨越一個或多個元素的狀態(tài)組成
●定義模型能夠發(fā)送/接收的消息，并根據(jù)這些消息定義元素的行為
實例:
●開/關切換——可以暴露開關狀態(tài)
●傳感器——可以暴露傳感器的狀態(tài)（可能為溫度值或傳感器測量的“滿”、“待充”或“空”的結果）
●功率級別——可以暴露電源狀態(tài)（等級1-10）
客戶端模型(Client Model)
定義客戶端為請求、更改或使用服務器相應狀態(tài)所使用的消息。
實例:
●開/關切換——客戶端發(fā)送打開或關閉的消息
●電源級別——定義電源狀態(tài)的消息（0-10）
控制模型 (Control Model)
●控制模型具有多種功能，同時可能包含一個或多個：
●客戶端模型 (Server Model)
●服務器模型 (Client Model)
●控制邏輯（規(guī)則和行為）用于協(xié)調與其相連模型之間的交互。
●實例：控制模型可用在支持機器周圍循環(huán)的液體冷卻劑水泵上。
●應用場景——溫度傳感器會記錄機器的溫度。如果機器超過設定的溫度，冷卻泵則會被打開。
冷卻泵的控制模塊 (Control Module)
●與溫度傳感器相連的客戶端（用于接受溫度值）
●連接到開/關切換的服務器（用于打開或關閉水泵）
●控制邏輯（規(guī)則和行為）— 負責定義如果溫度傳感器超過設定值，則打開水泵。
模型的定義能讓您在mesh網(wǎng)絡中對節(jié)點及其功能進行配置。模型定義以及其他模型的概念將會在后續(xù)文章中進一步詳細介紹。