Bluetooth® 將網狀網路帶入物聯網

網狀網路是物聯網 (IoT) 的關鍵架構。 IEEE804.15 ZigBee® 等標準在過去二十餘年來採用網狀網路，並在工業自動化領域上有所成就。 網路中的各個節點皆可接收並轉送數據到鄰近的節點，因此僅需新增節點，即可輕鬆擴充網路。 使用額外閘道裝置或存取點通常需要更加周密的規劃，以避免頻率衝突，因此相形之下，此做法不僅更具成本效益且更容易實作。

相較之下，Bluetooth^® 在本質上為點對點連線，可連結智慧型手機等終端裝置，或是 iBeacon 或 Eddystone 等存取點。 因此在穿戴式技術上大有斬獲，能為智慧型手機提供鏈路，再藉此連結到龐大的網際網路。 此優勢能讓藍牙技術用於多種應用，且越來越多此類應用直接與網際網路連線，進而推動網狀網路的需求。

圖 1：將節點連結最近的節點，能讓網狀網路在房間之間輕鬆延伸藍牙裝置的範圍。

最新版本的 Bluetooth Smart（自 4.0 版開始）可大幅降低耗電量並縮短設定時間，但也會降低數據傳輸率。 這表示在網狀網路中每增加一個步驟，數據傳輸率就會減半。

不過，Cambridge Silicon Radio 等藍牙專業廠商已著手研發使用藍牙的專屬網狀網路產品。 CSRmesh 是適用於低功耗藍牙裝置的軟體重疊，不僅能讓裝置接收和處理訊息，更能將這些訊息轉發至周圍裝置。 這可延伸 Bluetooth Smart 的範圍，並且為 IoT 提供簡易的臨機操作網狀網路。

南韓的 SK Telecom 是第一波部署 CSRmesh 產品的主要廠商之一，其研發出全球第一款智慧型 LED 燈泡系列產品，也可作為零售商店環境的 Bluetooth Smart 信標。 如此便可在商店中輕鬆控制幾乎不限量的智慧型燈泡，並為其建立網路連線，同時還可針對智慧型手機使用者提供定位式特別優惠。

圖 2：適用於智慧照明控制應用的 CSRmesh 開發板。

目前的店內信標系統需要在商店樓層安裝眾多無線感測器，此過程通常非常耗時、昂貴且時常需要維護。 使用 CSRmesh 方法即可提供信標系統且無須翻修建築物的基礎架構。 由於建築物現有的燈具均勻散佈在店內各處，搭配 LED 智慧信標後，即可提供完整的訊號涵蓋範圍。 LED 信標亦仰賴固定的主電源供應器運作，亦即服務供應商再也無需管理上百個電池供電式裝置。

系統採用的 LED 燈泡可安裝到現有的燈具，且每個燈泡皆會與網狀網路中的鄰近燈泡進行通訊。 智慧燈泡可安裝到以 CSR1010 晶片組與 CSRmesh v1.2 通訊協定層為基礎的預先認證模組，具備信標功能且提供 iOS 與 Android 行動裝置支援。

CSRmesh 開發板（圖 2）可協助設計人員就標準藍牙軟體基礎實作網狀通訊協定。 這可讓訊息經由精簡化平台在多部 Bluetooth Smart 裝置之間中繼傳送，適合想要快速建立 Bluetooth Smart 產品原型網路並且測試網狀實作功能的產品設計人員。

為了實現此目標，此套件提供方便評估與軟體開發的完整工具組合，包括開發板、CSR xIDE 軟體開發環境、USB 編程器與介面纜線、開發板專用的範例 CSRmesh 範例應用程式與範例主機應用程式，以及 Android 和 Apple iOS 智慧型手機用的原始程式碼。

開發板一般是使用兩顆 AA 電池供電，但亦可使用主機 USB 連線供電，此外還可輕鬆使用額外機板打造更大規模的網路。

這能協助解決在大型空間中管理上千個 Bluetooth Smart 功能信標所面臨的難題，例如採用網狀架構智慧照明信標的體育館。

另一家晶片製造商 Nordic Semiconductor 亦致力在其超低功率 Bluetooth Smart 裝置上提供網狀網路功能，針對 IoT 應用提供低成本、完整開發的 ULP 無線網狀網路解決方案。

Wirepas Pino 是全自動化、自行最佳化、多躍點的網狀網路通訊協定堆疊，由 Wirepas 開發且採用 Nordic 的 nRF51822 藍牙晶片運作。 其網路拓撲可持續自行最佳化，以平衡節點間的網路數據流量，並因應作業環境的變化（例如無線射頻干擾），因此能夠支援高節點密度，並且在理論上達到無限制的網路規模（節點數）。

這能大幅提升網路可靠度，因此當某個節點故障時，會透過周圍的其他節點重新路由通訊，達到網路自動「修復」。 由於網路可在新增節點時自動且持續執行自我重新設定，以便保持最佳網路效能，因此所有節點皆可提高網路運作效率並降低耗電量。

圖 3：芬蘭的新創公司 Wirepas 實現大型建築物整體無線網狀網路的藍牙連線。   

有鑒於所有這些優勢，藍牙技術聯盟 (SIG) 已將網狀網路納入藍牙規範，將此功能納入標準，因此可將所有通過藍牙認證的裝置輕鬆加到網狀網路中。 隨著家用 Bluetooth Smart 感測器日益普及，網狀網路將會成為不可或缺的要素，能確保使用者的藍牙功能智慧鎖、燈具、HVAC 系統甚至家電皆可共同運作，提供順暢無礙的智慧家庭生活體驗。

Bluetooth Smart 網狀網路工作小組目前正針對 Bluetooth Smart 技術的標準化網狀網路功能制訂標準架構。 此舉廣受歡迎，目前已有超過八十家成員企業自願加入此小組提供服務，是所有 SIG 工作小組中最龐大的團體。

此小組涵蓋各產業的公司，包括汽車、行動電話／行動裝置、工業自動化、家庭自動化、消費性電子產品和運算。 此小組不止著重在特定的使用情況，其目標是打造所有成員皆可進行開發的共通平台。 此小組正在評估可透過網狀網路獲益的使用情況，包括照明、HVAC 控制、資產追蹤和保全。

輕鬆實作此功能的方式之一，就是使用 Silicon Labs 的 BLE113 等模組。 此模組適用於小型且低功率的感測器和配件，並且整合 Bluetooth Smart 應用所需的一切功能，包括無線電收發器、軟體堆疊和設定檔，以及電池管理和單極晶片天線等。 模組具有靈活的硬體介面，因此能輕鬆加入現有設計，並可讓這些設計輕鬆存取網狀網路。 可直接透過標準 3 V 鈕釦型電池或是兩顆 AAA 電池供電。 在最低功率的睡眠模式中，耗電量僅有 500 nA，並可在數百微秒內喚醒。

圖 4：Silicon Labs 的 BLE113 藍牙模組。

網狀網路的優勢之一，就是使用者幾乎不會察覺到藍牙的存在。 透過更緊密的設計整合，Dialog Semiconductor 的 DA14580 等 Bluetooth Smart 收發器可嵌入到設備中，並且自動連結網狀網路中的其他鄰近節點。 如此就能以極輕鬆的方式設定和執行智慧家庭與 IoT 應用程式。 

DA14580 針對 Bluetooth Smart 4.1 提供全整合的無線電收發器與基頻處理器，可當作獨立的應用處理器或是在代管系統中當作資料幫浦。 此收發器支援彈性記憶體架構，可儲存藍牙設定檔和自訂應用程式碼，且可透過空中下載技術 (OTA) 進行更新，方便日後實作網狀網路通訊協定。 合格的 Bluetooth Smart 通訊協定堆疊儲存在專屬的 ROM 中，且所有軟體皆經由簡易排程器在 16 MHz ARM Cortex-M0 處理器上運作。 此裝置經過最佳化設計，功耗更低且尺寸更小，可毫無阻礙地融入到設計中。

Bluetooth Smart 韌體包括 L2CAP 服務層級通訊協定、安全管理器 (SM)、屬性通訊協定 (ATT)、泛型屬性設定檔 (GATT)、通用存取設定檔 (GAP)，以及可納入網狀實作的自訂設定檔。

SIG 認為藍牙技術在 IoT 領域具有無可取代的定位，是目前耗電量最少、成本最低且最普及的無線解決方案，有助於促成 IoT。 關鍵在於將網狀網路納入藍牙規範，會將技術推進到全新的市場區隔當中。

智慧網狀網路工作小組預計在 2015 年推出支援原型測試的規範，並展望在 2016 年由 SIG 正式採用設定檔。