藍牙低功耗（BluetoothLE）是世界上功率最高的短距離無線通信技術之一。其低功耗被開發商和消費者廣泛贊譽。隨著藍牙網狀網絡（Mesh）的發布，開發人員可能會想知道藍牙網格是否也被設計為低功耗。它是否繼承了藍牙LE低功耗的優勢？

答案是肯定的！藍牙網狀網絡包括優化功耗的各種措施，特別是稱為“友鄰節點（Friendship）”的功能。

藍牙網狀網絡標準概述

藍牙網狀網絡中的Friendship功能的應用可能非常多樣化。一些產品，如燈，將連接到主電源，藍牙網格模塊的功耗與光線本身的功耗相比，可以忽略不計。但是其他產品，如智能傳感器或鎖具，將受到功率限制，這意味著它們需要由小型電池或能量采集技術供電。像這樣的產品最有可能利用藍牙網格的Friendship概念。

如果您已經閱讀了我們的藍牙網狀網絡系列中的較早的文章，那么您已經知道節點是已經被設置并且是網狀網絡成員的設備。節點具有與產品類型相關的功能，但是也可以具有關于網絡本身的操作的功能，并且可以承擔特殊的角色。

這由他們支持的網格特征決定。所有節點都可以在網絡中發送和接收mesh消息。此外，節點還可以選擇性地支持一個或多個額外的網絡功能，如下所列：

· 中繼功能：通過廣播承載接收和重傳網狀消息的能力，以實現更大的網絡。

· 代理功能：在GATT和廣播承載之間接收和重傳網狀消息的能力。

· 低功耗特性：能夠以顯著降低的接收機占空比在網狀網絡內工作。使無線電接收器的時間最小化導致節點的功耗降低，只有在嚴格必要時才能使接收機使能。低功耗節點（LPN）通過與Friend節點建立Friendship來實現這一點。

· 友鄰功能：通過存儲發往LPN的消息來幫助LPN運行的能力，并且只有在LPN明確地從“Friend”節點請求消息時才轉發它們。

要了解Friendship如何使LPN降低功耗，請考慮傳感器。傳感器是一種可能利用Friendship并充當LPN的節點的一個很好的例子。他們通常花費最多的時間來傳輸數據，而且很少需要接收數據。也許傳感器只有在超出一組配置的限制范圍內才能發送溫度讀數，也許這只會每天發生兩次。這種不頻繁的數據傳輸保持了這種類型的設備的能量消耗低。

但是如果這些溫度限制需要修改以根據季節使用不同的值，并且通過向傳感器發送配置消息來實現這些限制的修改呢？對于傳感器直接接收這樣的消息，需要切換無線并進行收聽。大多數時候它正在聽，沒有收到任何東西，但能量消耗了。

所以，與Friend合作允許LPN安排使用無線接收消息到任何頻率對于該設備是有意義的，并且以比其它需要的頻率低得多的頻率，如果它必須一直接收消息。 LPNs輪詢他們的Friend的新消息，Friend只會偶爾存儲。這是如何節省電力。

友鄰和低功耗節點

LPN必須與支持Friend功能的另一個節點建立Friendship關系，以減少其接收器占空比并節省能源。圖1取自藍牙網狀網絡規范。另外，它說明了LPN和Friend節點之間的關系。特別是它顯示：

·Light blue: LPNs

·Dark grey: Friend nodes associated with and service specific LPNs

·Light grey: Friend nodes which do not have a relationship with anLPN

·淺藍色：LPN

·深灰色：與特定LPN相關聯的Friend節點

·淺灰色：與LPN沒有關系的Friend節點

圖1 - 網狀網絡的拓撲示例

Friend節點P與LPNI，J和K具有Friendship關系。Friend節點O與LPN L和M具有Friendship關系。因此，尋址到節點I，J或K的消息將被Friend P存儲并轉發。節點L或M將被Friend O存儲和轉發。由Friend節點轉發僅在LPN輪詢Friend以獲得等待傳送的消息時發生。

友鄰節點參數

LPN需要找到“Friend”節點并與他們建立Friendship關系。所涉及的程序稱為Friend建立。我們稍后會檢查這個過程，但在我們介紹一些關于LPN行為的關鍵參數之前，因為這些參數是在Friend建立過程中設置的。

1. ReceiveDelay是LPN之間經過的時間，向Friend節點發送請求，并開始收聽響應。這允許“Friend”節點時間準備其響應并將其發送回來。

2. ReceiveWindow是LPN花費時間來收聽響應的時間。圖2說明了涉及ReceiveDelay和ReceiveWindow的時序。

圖2- ReceiveDelay和ReceiveWindow時序

1. PollTimeout建立在LPN發送給其“Friend”節點的兩個連續請求之間可能經過的最長時間。如果在PollTimeout計時器到期之前，Friend節點沒有收到LPN的請求，則Friendship將被終止。

圖3- PollTimeout時序

友鄰節點建立

如果兩個人想建立友誼，只要一瞥就夠了！為了建立藍牙網狀網絡的Friendship，還需要幾個步驟。

1.LPN發布一個Friend請求消息。此消息不被中繼，因此只有直接無線范圍中的“Friend”節點才能處理它。沒有Friend功能的節點丟棄它。Friend請求消息包括LPN的ReceiveDelay，ReceiveWindow和PollTimeout參數。

1.可以支持“Friend請求”消息中指定的要求的附近的每個“Friend”節點準備好“Friend offer”消息并將其發送回LPN。該消息包括各種參數，包括支持的ReceiveWindow大小，可用的消息隊列大小，可用的列表大小以及由Friend節點測量的RSSI值。

2.在接收到“Friendoffer”消息時，LPN通過應用實現特定的算法來選擇合適的Friend節點。該算法可能會考慮各種各樣的點。某些設備可能會將接收窗口大小置于優先級，以盡可能減少功耗，而有些設備可能會更加關注RSSI值，以確保它們能夠與“Friend”節點保持良好的鏈接質量。使用的精確算法由產品開發人員決定。

3.選擇Friend節點后，LPN將向Friend節點發送一個Friend Poll消息。

4.從LPN收到Friend Poll消息后，Friend節點回復一個Friend Update消息，該消息結束了Friend建立過程并提供安全參數。在這一點上，建立了Friendship。

友鄰節點信息

Friendship建立之后，“Friend”節點將LPN的所有消息存儲在Friend Queue中。這些被稱為存儲的消息。下面的圖4說明了在Friend節點和關聯LPN之間的消息交換。

· 當“Friend”節點收到一個尋址到“Friend”節點的LPN的消息時，“Friend”節點緩沖此消息，將其存儲在稱為“Friend Queue”的區域中。在圖4中，我們可以看到消息1和2代表LPN存儲在Friend節點中。

· 定期地，LPN使其收發器發送一個Friend Poll到Friend節點，要求為它存儲任何緩沖的消息。

· “Friend”節點首先將一個存儲的消息發送回LPN作為對“Friend Poll”的回復。

· 在每個接收到來自“Friend”節點的消息之后，LPN將繼續發送“Friend Poll”消息，直到收到“MD（MD =更多數據）”字段設置為0的“FriendUpdate”消息為止。這意味著LPN沒有更多消息被緩沖。此時，LPN停止輪詢“Friend”節點。

圖4- Friendship messaging

安全性

藍牙網絡中的安全無處不在。Friendship也是如此，它使用兩個特殊的安全憑證：

· Master security material：從NetKey派生，也可以由同一網絡中的其他節點使用。使用master security material加密的消息可以由同一網絡中的任何節點解密。

· Friend security material：從NetKey派生，還有一些額外的計數器號由LPN和Friend節點生成。使用Friend security material加密的消息只能由擁有它的Friend和LPN解密。

LPN和Friend節點使用的兩種security materials如何？總結如下：

與Friend的securitymaterials加密的相應Friendship消息是：

·Friend Poll

·Friend Update

·Friend Subscription ListAdd/Remove/Confirm

·存儲Friend節點傳遞給LPN的消息

使用master security material加密的相應的Friendship消息是：

·Friend清除

·Friend清除確認

根據應用程序設置，從LPN發送到Friend節點的消息將使用master或Friend的安全資料進行加密。

終止友鄰節點

在某些情況下可以終止Friendship:

· 如果沒有Friend poll，Friend Subscription List Add或Friend Subscription List Remove消息在PollTimeout計時器到期之前由Friend節點收到，Friendship終止。

· LPN可以通過將Friend Clear消息發送給Friend節點來啟動Friendship終止過程，從而導致Friendship節點被Friend終止。

平臺選擇建議

開發人員在選擇實施Friend和LPN的平臺時，應考慮以下準則：

· RAM容量：可用的RAM數量直接影響了Friend節點可以支持多少個LPN，以及它可以為相關的LPN緩沖多少個消息。

· LPN：所選MCU和模塊的一般功耗性能是LPN的關鍵。此外，從休眠模式到運行模式的喚醒/預熱時間會影響LPN的響應速度和延遲。

作為一名開發人員，我相信我們可以分享您對藍牙網狀網絡SDK的期待。然后我們可以一起分享藍牙網狀網絡“友鄰節點”！