Bluetoothメッシュを使用した設計：ノード通信

この記事シリーズの最初の記事では、Bluetoothメッシュの概要と、Bluetoothメッシュでサポートされている基本的なノードと機能の種類について説明しました。この記事では、Bluetoothメッシュネットワーク内で通信がどのように行われるか、およびBluetoothメッシュを使用してアプリケーションを設計する際に理解することが重要なさまざまな概念について説明します。

あるノードから別のノードへの通信

Bluetoothメッシュは管理されたフラッドを使用します あるノードから別のノードにメッセージを転送する操作。マネージドフラッドは、メッセージが宛先に到達することを保証するのに十分な冗長性を含むマルチパス実装です。

基本的なフラッドの実装では、すべてのノードが受信したすべてのメッセージを盲目的に中継します。 Bluetoothメッシュ管理フラッド操作は、すべてのメッセージをキャッシュリストに追加することにより、メッシュデバイスが以前に受信したメッセージを中継するのを防ぎます。メッセージを受信すると、リストと照合され、すでに存在する場合は無視されます。さらに、各メッセージには、メッセージをネットワークで中継できる回数を制限するTime-to-Live（TTL）値が含まれています。メッセージが受信され、任意のデバイスによって中継されるたびに（最大126回）、TTL値は1ずつ減少します。

Bluetoothメッシュは、公開ベースおよびサブスクリプションベースの通信を実装します さまざまなタイプの製品が、聞く必要のないデバイスからのメッセージに煩わされることなく、ネットワーク内で共存できるようにするためのアプローチ。パブリッシャーノードは、パブリッシャーにサブスクライブし、これらのメッセージに基づいて動作するノードにのみメッセージを送信します。この操作の例は、家の中のさまざまな部屋での使用です。各部屋は、その部屋の特定の照明スイッチからのメッセージをサブスクライブできます。さらに、メッセージはユニキャスト、マルチキャスト、またはブロードキャストのいずれか、あるいはその両方である可能性があります。つまり、メッセージはネットワーク内の1つ、少数、またはすべてのノードに到達できます。

図1は、CYBT-213043-MESH評価キットを使用したBluetoothメッシュ公開およびサブスクリプションベースの通信実装の例を示しています。 CYBT-213043-MESHキットは、CYBT-213043-02モジュールを使用してBluetoothメッシュ通信を実装します。オンボードのユーザーボタンとRGBLEDと組み合わせて、評価ボードはそれぞれBluetoothメッシュスイッチとBluetoothメッシュ電球を模倣します。

図1.接続された照明のBluetoothメッシュパブリッシュおよびサブスクライブの例。 （出典：サイプレス）

図に示すように、左からの最初のスイッチは、メッセージをダイニングルームグループに公開します。右から1番目と2番目の球根はダイニングルームグループのみにサブスクライブしています。ただし、3番目の電球はダイニングルームとキッチングループからのメッセージをサブスクライブしています。したがって、スイッチ1がメッセージを公開すると、最初の3つの電球（ダイニングルームとキッチン）を制御できます。ただし、スイッチ2がメッセージを公開する場合、制御できるのは3番目の電球（キッチン）のみです。

メッシュノードアーキテクチャ

ここで、メッセージがノード間でどのように通信されるかについてはすでに説明したので、Bluetoothメッシュノードアーキテクチャを機能レベルで見て、Bluetoothメッシュデバイスを相互運用できる理由を見てみましょう。

要素 ノードの機能を定義します。すべてのノードには、「プライマリ要素」と呼ばれる要素が少なくとも1つあります。たとえば、電球には通常1つの要素があります。この要素は、ノードのオン/オフおよび輝度制御機能を公開します。もう1つの例は、占有センサーが統合された調光可能な電球です。このノードには2つの要素があります。最初の要素は照明機能に使用され、2番目の要素はセンサー機能に使用されます。この場合の主要な要素は、照明機能です。

ノード内のすべての要素には、ユニキャストアドレスと呼ばれる一意のアドレスがあります。これにより、各要素を同じノード内の他の要素とは独立してアドレス指定できます。図2は、両方のノードタイプの例を示しています。最初のノードタイプは1つの要素のみで、もう1つは2つの要素です。図2は、次のセクションで説明する追加の概念と、Bluetoothメッシュの実装におけるそれらの相互関係も示しています。

図2.1つおよび2つの要素を持つノード。 （出典：サイプレス）

すべてのBluetoothメッシュノードは1つ以上のメッシュモデルを使用します 特定のノードの機能を定義します。モデルは、通常のBluetoothデバイスのサービスに類似しています。メッシュモデルには、クライアントモデル、サーバーモデル、および制御モデル（1つのモデルにクライアントとサーバーの両方を実装する）の3つのタイプがあります。

サーバーモデル 1つ以上の要素にまたがる1つ以上の状態を持つことができます。サーバーモデルは、クライアントノードによって読み取りまたは制御できる要素のデバイスの状態を公開します。たとえば、Bluetoothメッシュ電球はサーバーモデルを使用します。このアプリケーションでは、オン/オフサーバーまたはライトライトネスサーバーのいずれかを使用できます。オン/オフサーバーモデルは、電球の現在の状態を公開し、クライアントの入力に基づいて状態を変更して、電球の状態をオンとオフの間で切り替えます。 Light Lightness Serverを使用すると、クライアントは電球の現在の状態を読み取り、明るさを制御し、オンまたはオフに切り替えることができます。サーバーモデルの別のアプリケーションは、クライアントがセンサーの状態を読み取ることのみを許可し、その状態を変更することを許可しないセンサーノードです。

クライアントモデル 他のノードがメッセージを送信して、サーバーノードの状態を要求および/または変更できるようにします。クライアントモデルを使用するアプリケーションの最も一般的な例は、Bluetoothメッシュスイッチです。 Bluetoothメッシュスイッチは、オン/オフクライアントモデルを使用する場合があります。サーバーデバイスの現在の状態を要求するか、状態をオンまたはオフに変更するメッセージを送信することができます。もう1つの例は、レベルクライアントを使用するBluetoothメッシュディマーです。このモデルでは、スイッチの機能に加えて、電球の明るさの制御など、サーバーの出力レベルの制御が可能です。

ほとんどのアプリケーションでは、サーバーモデルとクライアントモデルを、受信したメッセージまたはユーザー入力に基づいて機能するいくつかの制御コードとともに使用する必要があります。サーバーおよび/またはクライアントモデルと制御ロジックの組み合わせにより、制御モデルが生成されます。 。

Bluetoothメッシュモデルは、他のモデルの機能を拡張できます。この機能により、異なる機能を持つメッシュノードを同じメッセージで制御できます。

照明アプリケーションの例を見てみましょう。明るさを制御できる電球は、通常、Light LightnessServerモデルを使用します。一部の電球は、Generic Level Server Modelを使用して、出力電力、つまり明るさを制御する場合があります。オン/オフ機能のみを備えた基本的なBluetoothメッシュ電球は、オン/オフサーバーモデルを使用する可能性があります。ただし、Light Lightness Serverモデルは、On / OffServerモデルとLevelServerモデルの機能を拡張します。つまり、オン/オフクライアントによって送信されるオン/オフメッセージは、使用されるモデルに関係なく、3つの電球タイプすべての状態を制御します。

要素の条件は状態に保存されます 。各状態は特定のタイプの値です。値に加えて、状態にはその状態に関連付けられた動作があります。これらの状態は、BluetoothSIGによって定義されています。たとえば、オン/オフ電球またはスプリンクラーコントローラーのオン/オフサーバーには、オンとオフの2つの値のいずれかを持つことができる汎用オンオフと呼ばれる状態があります。これは、電球やスプリンクラーコントローラーなどのデバイスに役立ちます。 「汎用」という用語は、この状態とその動作がさまざまな種類のメッシュデバイスで役立つ可能性があることを示すために使用されます。

Bluetoothメッシュ通信の詳細とBluetoothメッシュ設計の開始方法については、「Bluetoothメッシュの詳細」ビデオもご覧ください。

この一連の記事の次回の記事では、Bluetoothメッシュのプライバシーとセキュリティ機能について説明します。