Bluetoothメッシュを使用した設計：ノードと機能タイプ

何の論争もなく、Bluetooth Low Energy（BLE）がIoTスペースを支配してきました。スマートホーム、在宅医療、資産追跡などのアプリケーションは、BLEの低電力機能から大きな恩恵を受けています。ただし、デバイス間のBLE通信は1対1または1対多に制限されています。さらに、BLEの展開は範囲が限られているため、特に一部のデバイスが他のデバイスと比較していくつかの壁の後ろに隠れている可能性がある家のような環境では困難です。これらの要因により、家全体を1か所から管理することは困難になっています。

任意のノードが複数のデバイスからメッセージを受信し、複数のデバイスにメッセージを送信できるように、多対多の通信が必要です。たとえば、複数の携帯電話を使用して制御する必要がある4つの電球のグループについて考えてみます。また、調光器や占有センサーからSetメッセージを受信できる必要があります。これには多対多のコミュニケーションが必要です。

BLEがスマートホーム、スマートビルディング、スマートシティなどのアプリケーションで最も役立つためには、開発者は多対多の通信と、一部のデバイスが小さなバッテリーを使用して動作できるように範囲を拡張するメカニズムを必要とします。 Bluetoothメッシュはこれらの懸念に対処します。

Bluetoothメッシュネットワークのノードは、ゲートウェイを必要とせずに携帯電話またはタブレットから直接アクセスできるため、Bluetoothメッシュは好ましいホームオートメーションテクノロジーとして浮上しています。各スマートホームはさまざまなベンダーの製品を利用する可能性があるため、相互運用性はスマートホームの展開を成功させるための鍵です。定義されたユースケース（モデル）の標準メッセージ形式により、他のBLEメッシュ製品との迅速な展開と相互運用性の保証が可能になります。

この一連の5つの記事では、Bluetoothメッシュを理解するために必要な主要な概念について説明します。 Bluetoothメッシュの低電力機能、プライバシーとセキュリティ機能、およびスマートホームアプリケーション用のデバイスを選択する方法に焦点を当てます。このシリーズの最初の記事では、Bluetoothメッシュネットワークの主要な要素について説明します。

Bluetoothメッシュネットワーク

Bluetoothメッシュネットワークは、いくつかの機能タイプを持つノードで構成されています。図1は、Bluetoothメッシュネットワークの高レベルの表現を示しています。図からわかるように、次の機能タイプのノードがあります。

• リレーノード/機能
• 低電力ノード（LPN）/機能
• フレンドノード/機能
• プロキシノード/機能
• プロビジョナー

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図1：Bluetoothメッシュネットワーク（出典：サイプレス）

各ノードは、1つ以上の機能タイプをサポートできます。たとえば、このネットワークのR + Fノードは、リレー機能とフレンド機能をサポートしています。同様に、R + Pノードはリレーおよびプロキシ機能をサポートします。

リレー機能 ノードがアドバタイジングベアラを介してメッセージを中継できるようにします。通常、すべてのウォールパワードノードには、アドバタイズパケットを継続的にリッスンして他のノードにリレーするために必要な電力があるため、リレー機能が含まれている可能性があります。使用されているリレー機能の例は、ホームオートメーションアプリケーションのスマート電球または壁電源式ライトスイッチです。一方、小型バッテリーで動作するノードは、Rxが継続的にオンになり、デバイスがアドバタイズされたパケットをリッスンする必要があるため、リレー機能を備えている可能性は低くなります。そうすると、バッテリーがすぐに消耗します。

低電力ノード機能 Bluetoothメッシュの最も重要な機能の1つです。リレー機能を備えたノードとは異なり、低電力ノード機能を備えたノードは、アドバタイズされたパケットを継続的にリッスンする必要はありません。低電力ノード機能を備えたノードは、そのフレンドノードがその代わりにメッセージを収集している間、ほとんどの時間をデバイスの低電力モードで費やします。低電力ノードは、定義された間隔でウェイクアップし、フレンドノードにpingを実行して、保留中のメッセージをチェックします。フレンドノードとの通信後、低電力ノードは低電力スリープ状態に戻ります。これは、バッテリーで動作するアプリケーションに便利な機能です。ホームオートメーションのセンサーノード、小売店の値札などのアプリケーションは、低電力ノード機能の恩恵を受けることができます。

フレンド機能を備えたノード ネットワークで中継され、関連する低電力ノードを対象としたメッセージをリッスンします。フレンドノードはこれらのメッセージを保存し、ローパワーノードがウェイクアップしてフレンドノードにクエリを実行すると、関連するローパワーノードにメッセージを配信します。フレンドノードは1つ以上の低電力ノードのメッセージを保存する必要があるため、フレンドノードは他のノードタイプよりも多くのメモリを必要とする場合があります。必要なメモリの量は、ポーリング操作中に低電力ノードに通信されるフレンドノードに保存する必要のあるデータ/コマンドの量によって異なります。

プロキシ機能 スマートフォンやWi-Fi-Bluetoothメッシュゲートウェイなどのデバイスがメッシュネットワークと通信できるようにします。プロキシ機能を備えたノードは、Bluetoothメッシュを直接サポートしていないデバイスのメッシュネットワークへのエントリポイントです。 Bluetoothメッシュネットワークでは、メッセージはアドバタイズベアラを介して中継されます。プロキシ機能により、ノードはGATT（一般属性）とアドバタイズベアラーの間でメッセージを中継できます。 Bluetoothメッシュネットワークでは、複数のノードがプロキシ機能をサポートできます。プロキシ機能をサポートするノードは、GATT接続を介してスマートフォン/ PCのインターフェースとして機能できます。複数のプロキシノードを使用することをお勧めします。これにより、1つのプロキシノードがダウンした場合でも、ネットワーク全体がプロキシデバイスから分離されることはありません。この機能により、BluetoothメッシュはZigBeeなどの他のメッシュテクノロジーと比較してより堅牢になります。

Bluetoothメッシュネットワークでは、プロビジョニング ネットワークに新しいノードを追加するプロセスです。プロビジョニングには、意図しないデバイスがネットワークにプロビジョニングされないようにするためのいくつかの手順が必要です。プロビジョニングされていないデバイスは、所定の間隔でビーコンを送信します。プロビジョニングされていないデバイスが検出されて選択されると、プロビジョニングデバイスはプロビジョニングプロセスを開始します。図1に示す例では、スマートフォンとタブレットがネットワークのプロビジョニングデバイスとして機能します。

Bluetooth仕様に従い、すべてのノードが必須というわけではありません。つまり、デバイスは、すべてのノード/機能タイプをサポートしていなくても、Bluetoothメッシュ認定を受けることができます。最も一般的には、シリコンベンダーはBluetoothSIG認定のフレンドおよび低電力ノード機能をサポートしていません。そのため、バッテリー駆動のBluetoothメッシュアプ​​リケーションをサポートすることは困難です。

BluetoothメッシュデバイスでサポートされているBluetoothメッシュノード/機能タイプを見つけるには、Bluetooth SIG Webサイトにアクセスし、[製品の検索]をクリックします。次に、サポートされているノード/機能タイプを知りたい製品を入力します。

たとえば、Cypress BluetoothメッシュモジュールCYBT-413034-02でサポートされているノード/機能タイプを検索する場合は、製品検索にそれを入力すると、宣言ID、QDID、会社、製品、仕様名、およびリストが表示されます。製品の日付。宣言ID、この場合はD040142をクリックします。このページには、デバイスでサポートされているレイヤーのリストが表示されます。そこで、[ICSの詳細を表示]をクリックします。これにより、コアプロトコルレイヤーのリスト、およびプロファイルとサービスが表示されます。それぞれをクリックして、サポートされている機能を確認できます。メッシュプロファイルがサポートされている場合は、従来のプロファイルの下に一覧表示されます。

次に、MESH（メッシュプロファイル）をクリックします。これにより、役割とバージョンのリスト、ノードの役割要件、および機能がサポートされているかどうかがわかります。 CYBT-413043-02の詳細を探していたため、Bluetooth SIG Webサイトの次のスクリーンショットは、このモジュールが役割の下にリストされているノードとプロビジョナーの両方の役割をサポートしていることを示しています（図2を参照）。また、ネットワーク層機能で示されているように、リレー機能もサポートしています（図3を参照）。フレンド機能と低電力ノード機能は、上位トランスポート層機能で示されているようにサポートされています（図4を参照）。プロキシ機能は、プロキシ機能で示されているようにサポートされています（図5を参照）。

このデバイスはこれらすべてのノード機能タイプをサポートしていますが、コメントによると、これらのノードタイプのほとんどはオプションであることに注意してください。たとえば、Advertising Bearerがサポートされている場合、リレー、フレンド、および低電力ノード機能はオプションです。ただし、効率的なBluetoothメッシュネットワークには、これらすべての機能タイプが必要です。

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図2：特定の製品の役割とバージョンがBluetooth SIGWebサイトに表示されます。この場合、製品はノードとプロビジョナーの両方の役割をサポートします。 （出典：サイプレス）

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図3：Bluetooth SIG Webサイトには、特定の製品のノードロール機能も表示されます。この場合、製品はリレー機能をサポートします。 （出典：サイプレス）

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図4：フレンドおよび低電力ノード機能は、上位トランスポート層機能の下に示されているように、この製品でサポートされています。 （出典：サイプレス）

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図5：プロキシ機能で示されているように、プロキシ機能がサポートされています。 （出典：サイプレス）

Bluetoothメッシュノードと機能タイプの詳細、および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。

このシリーズの次の記事では、Bluetoothメッシュネットワークで通信がどのように行われるか、および各アプリケーションセグメントで製品を相互運用できるようにするメッシュモデルなどのさまざまな概念について説明します。