Mouser German Blog

Die Einführung der Bluetooth^® 5.0-Spezifikation im Jahr 2016 bereitete mit deutlich höheren Datenraten gegenüber früheren Standards den Weg für eine Reihe von Bluetooth Low Energy (BLE)-Netzwerkfunktionen insbesondere für die aufkommenden Internet of Things (IoT)-Applikationen. Nur ein Jahr später, am 31. Juli 2017, kam Bluetooth Mesh Device Properties 1.0 auf den Markt und ermöglichte die Bereitstellung Bluetooth-basierter Many-to-Many-Kommunikation. Diese Spezifikation für vermaschte Netze unterstützt bis zu 32.767 (2¹⁵) Knoten und eignet sich daher gut für den Einsatz in den verschiedensten IoT- und Smart Home-Applikationen, die die Einbindung einer großen Anzahl von Einzelgeräten erfordern.

Bluetooth Mesh für Smart Home-Applikationen

Dank Bluetooth Mesh Networking lassen sich heute zahlreiche neue Produkte für Smart Home- und Heimautomatisierungsapplikationen entwickeln. Ein gutes Beispiel sind Bluetooth-gesteuerte Glühbirnen, wie sie inzwischen überall angeboten werden. Wenn der Verbraucher einige oder auch alle Glühbirnen in seinem Haushalt austauscht, fasst das Bluetooth Mesh-Netzwerk diese eigenständig in entsprechenden Lampengruppen (Flur, Esszimmer, Küche, Schlafzimmer usw.) zusammen. Was den Einsatz in Heimautomatisierungsapplikationen ebenfalls begünstigt, ist die Tatsache, dass Bluetooth Mesh auf dem BLE-Protokoll aufsetzt. Dadurch ist Bluetooth Mesh abwärtskompatibel mit Bluetooth 4.0, sodass sich auch ältere Geräte in ein vermaschtes Netz einbinden lassen.

Bluetooth Mesh-Sterntopologie

In einem vermaschten Netz ist die Kommunikation nicht auf einen einzelnen Netzwerk-Hub oder eine Sterntopologie beschränkt. Vielmehr können die Nachrichten über mehrere Knoten versendet und weitergeleitet werden. Zudem lassen sich mehrere Geräte in einem vermaschten Netzwerk gleichzeitig adressieren und steuern. Der Mesh-Ansatz vergrößert die physische Reichweite des Netzwerks über die von Bluetooth direkt unterstützten Entfernungen hinaus, sorgt durch Redundanz für höhere Ausfallsicherheit und ermöglicht erheblich umfangreichere Bereitstellungen. Der Betriebsbereich des vermaschten Netzes ist beliebig erweiterbar und nicht durch die Reichweite herkömmlicher Bluetooth-Geräte begrenzt. Und die Übertragung von Nachrichten über das „Netzwerkgewebe“ schließt einzelne Fehlerpunkte naturgemäß aus, was dem Netzwerk „Selbstheilungskräfte“ verleiht.

Mesh-Knoten und Flooding-Technik

Bluetooth unterscheidet vier Arten von Mesh-Knoten: Relay-, Low-Power-, Friend- und Proxy-Knoten (Abbildung 1):

Abbildung 1: Beispiel für ein Bluetooth Mesh-Netzwerk mit allen Knotentypen: Relay, Low-Power, Friend und Proxy. (Quelle: Cypress) 

• Relay-Knoten: Diese Knoten müssen immer aktiv sein und verbrauchen daher mehr Energie. Relay-Knoten empfangen Nachrichtenpakete und leiten sie über das Netzwerk weiter. In der Beleuchtungsanlage in unserem Beispiel werden die Relay-Knoten über das Stromnetz gespeist, sodass keine Probleme mit der Stromversorgung zu erwarten sind.
• Low-Power-Knoten: Diese meist batteriebetriebenen Knoten befinden sich für gewöhnlich die meiste Zeit über in einem stromsparenden Schlafmodus.
• Friend-Knoten: Low-Power-Knoten sind immer einem Friend-Knoten zugeordnet, der Nachrichten speichert und nach einem festgelegten Zeitplan weiterleitet. Ein Beispiel für Low-Power-Knoten sind Umgebungslichtsensoren für die Steuerung der Außenbeleuchtung in der Morgen- und Abenddämmerung.
• Proxy-Knoten: Diese Knoten können auch nicht BLE-konforme Geräte über die Bluetooth Generic Attribute (GATT)-Profilschnittstelle mit dem vermaschten Netz verbinden.

Im vermaschten Netz werden Nachrichten mit einem als „Flooding“ bezeichneten Broadcasting-Verfahren an alle Knoten des Netzwerks gesendet, bis sie ihr Ziel erreicht haben. Diese Nachrichten können jeweils an einen einzelnen Knoten, an eine Knotengruppe oder an alle Knoten gerichtet sein. So lässt sich beispielsweise über eine Gruppenadresse die gesamte Esszimmerbeleuchtung einschalten, wobei jede Lampe den Befehl praktisch verzögerungsfrei erhält. Die verschiedenen Knotentypen innerhalb eines vermaschten Netzes sind per Publish-and-Subscribe-Technik miteinander verbunden. So „abonniert“ beispielsweise die Lampengruppe im Esszimmer die von den Lichtschaltern im Raum „veröffentlichten“ Ein-/Aus-Befehle.

Cypress EZ-BT™ Mesh Evaluation Kit (CYBT-213043-MESH)

Der Einstieg in die Entwicklung neuer Bluetooth Mesh-basierter Produkte kann selbst für den erfahrensten Ingenieur eine Herausforderung darstellen. Die Bluetooth Special Interest Group (SIG) hat eine hilfreiche Liste mit Anbietern von Modulen und SoC (System-On-Chip)-Systemen zusammengestellt, die den Bluetooth Qualification Process bestanden haben. Doch darüber hinaus werden sich dem Ingenieur noch zahlreiche weitere Fragen zu Komponentenspezifikationen, Software-Stacks, Entwicklungswerkzeugen und Referenzdesigns stellen. Hier bietet sich Cypress als Lieferant an, der nicht nur diese Fragen beantworten kann, sondern auch alle für den Aufbau eines Bluetooth Mesh-Designs benötigten Komponenten bereitstellt.

Das Cypress EZ-BT™ Mesh Evaluation Kit (CYBT-213043-MESH) ist ein hervorragendes Beispiel für eine komplette Evaluierungsplattform zur Implementierung und Prüfung der Bluetooth SIG Mesh-Funktionalität (Abbildung 2). Das Kit besteht aus vier separaten Evaluaierungsboards mit jeweils einem Cypress CYW20819-basierten CYBT-213043-02-Modul, einem Thermistor sowie einem Licht- und einem PIR-Bewegungssensor. Das CYW20819 ist ein Dual-Mode Bluetooth 5.0 SoC mit ultra-niedrigem Stromverbrauch und Bluetooth Mesh 1.0-Zertifizierung. Die Evaluierungsplattform ist ideal für Sensorknoten-, Beleuchtungs-, Smart Home- und andere Applikationen, die Bluetooth Low Energy (BLE) Mesh-Unterstützung erfordern.

Abbildung 2: Das Cypress CYBT-213043-MESH Evaluation Kit ermöglicht die rasche Evaluierung Ihrer Bluetooth SIG Mesh-Designs. (Quelle: Cypress)

Mit einem umfassenden Angebot an Geräten, Referenzdesigns und Hilfsprogrammen für die Implementierung sämtlicher Knotentypen ermöglicht Cypress die besonders schnelle und kostengünstige Prototypisierung, Entwicklung und Prüfung von Bluetooth Mesh-Produkten. Die vollständig zertifizierten Module und SoCs, Firmware und Development Kits von Cypress vereinfachen das Arbeiten mit den Protokollen der Mesh-Stack-Spezifikation, sodass sich das Entwicklungsteam ganz darauf konzentrieren kann, das Endprodukt so schnell wie möglich auf den Markt zu bringen. Ein Beispiel hierfür sind die Microsoft Windows-, Android- und Apple iOS-Hilfsprogramme mit vorgefertigten Quellcode-Bausteinen für die besonders rasche Entwicklung mobiler Applikationen für die Cypress Mesh-Produktlinie (Abbildung 3).

Abbildung 3: Cypress ist der Spezialist im Bereich Hardware, Software und Apps für den Aufbau von Bluetooth Mesh-Netzwerken. (Quelle: Cypress)

Mit seinem hochmodernen globalen Vertriebs- und Sofortversandsystem sorgt Mouser zudem dafür, dass die bestellten Cypress-Produkte meist schon am nächsten Tag auf der Werkbank des Entwicklers stehen.

Mehr erfahren

Möchten Sie mehr über die Entwicklung von Bluetooth Mesh-Designs mithilfe von Cypress Hardware und Software wissen? In unserem virtuellen Workshop erfahren Sie alles über die Verwendung von Bluetooth Mesh für Heimautomatisierungsapplikationen mit zertifizierten Hardwarelösungen und dem umfassenden Angebot an Softwaretools, Stacks und Hilfsprogrammen mit Quellcode-Bausteinen von Cypress.