蓝牙5和蓝牙Mesh网络：支持工业4.0应用实例
Pelle Svensson
d o I：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2018.Z1.012中图分类号：TN92 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2018）z1-0047-03
2016年12月，蓝牙技术联盟（Bluetooth Special Interest Group）推出了最新版本的蓝牙技术核心规
范——蓝牙5。第五版规范包含了很多新的突破性强化功能。除蓝牙5规范之外，联盟还在2017年6月推
出了蓝牙Mesh网络规范。蓝牙mesh网络是一种软
件级的解决方案，可以在蓝牙低功耗解决方案上运行，无需蓝牙5支持。在我看来，蓝牙Mesh网络和蓝牙5技术提供的功能是蓝牙技术自1998年出现以来
最重要的革新。它们增加了大量新的应用实例，其中一些与工业物联网息息相关。
1 蓝牙5
与以前相比，蓝牙5有三项重大改进：数据传输速度将是之前版本的2倍：从1Mb/s到2mb/s；传输距离将会是之前版本的4倍；广播数据包（信标）是之前版本的8倍。我们来详细了解下这三项新特性。
1.1 数据传输速度提升
与先前版本规范相比， 2Mb/s物理传输速率（PHY）每秒传输的数据量是原来的2倍。尽管传输
相同的数据量时，耗电量会略微提高，但传输时间减少了一半。与蓝牙4.2相比，总功耗降低了近50％。
除了数据传输速度更快之外，传输时间缩短后，广播开启时间也更短，这使蓝牙设备能更好地与其它2.4GHZ无线广播设备（包括其它低功耗蓝牙连接）组合使用。
1.2 传输范围更广
通过扩展信号传输范围，蓝牙技术联盟希望使
低能耗蓝牙设备信号可以覆盖整个家庭。蓝牙5的两种新调制类型支持125kb/s和500kb/s速率，传输范围是现有低功耗蓝牙技术的4倍。在可视范围内，使用相同的功率，蓝牙5的信号传输距离有望超过1千米。当前蓝牙设备最大传输功率为10dbm，蓝牙5将之进一步扩大到20dbm。这使蓝牙5设备之间传输距
离更远。当然，其功耗也会更大。
家庭自动化是蓝牙技术联盟未来的主要目标之一。一个有力的佐证是，蓝牙技术联盟董事会的两
名新成员分别来自飞利浦照明和Googlenest。家庭
自动化行业的主要参与方对使用蓝牙低功耗技术连接所开发的设备很有兴趣。
1.3 扩展的广播功能
蓝牙5的第三个特点是扩展的广播功能。首次引入蓝牙低功耗的一项功能是，功率传感器节点可以向中央单元发出“我有新数据”的信号。如果中央设备需要该数据，则启动连接，与传感器节点交换数据。交换完成后，连接将断开，传感器节点恢复到低功耗模式。仅需简短的广播信息便足以完成类似的交换。
然而，设备制造商很快发现，这种“非连接的”广播消息也可作为广播信息的信标，无需事先建立
连接。苹果公司开发了ibeacon实现这种功能，而谷歌公司则推出了Eddystone。
随着信标技术的普及，人们希望它的功能可以
更强大、范围更广。蓝牙5将广播信息长度从31字节提升至512字节，甚至可以将多个512字节的信息连
在一起。这将蓝牙信标技术提升到了一个新高度。为避免信息拥堵，蓝牙5将这些长信息包传输通道
扩展到40，远远超过先前蓝牙标准中的3个通道。
扩展后的广播功能允许节点发送更多的数据包，甚至数据包流，而不必事先建立低功耗蓝牙连接。虽然低功耗蓝牙是专为低功耗、短数据包和快速连接设计的，但建立蓝牙低功耗连接始终会消耗额外的能量。在一些情况下，无连接广播可进一步降低能耗。
广播信息在蓝牙mesh网络中具有至关重要的
作用，用于向其它节点传送广播数据。
2 蓝牙Mesh网络
在推出了蓝牙5规范后不久，蓝牙技术联盟又推出了蓝牙Mesh网络规范。蓝牙5和蓝牙mesh网络
为许多新的蓝牙应用奠定了基础。它们使此前只能通过其它技术完成的应用可以通过蓝牙技术解决，
例如Zigbee、sub-ghz等。这对于工业物联网来说尤为重要。由于蓝牙有很多关键优势，蓝牙5和蓝牙Mesh网络技术有望开辟更多的新领域和新应用。
蓝牙Mesh网络是蓝牙技术联盟提出的标准，主旨是使蓝牙设备可以相互操作。蓝牙Mesh网络围绕
以下技术设计：发布-订阅模式、可控的网络泛洪、容低功耗节点。
在蓝牙Mesh网络中，节点被设定为在发布-订阅
模式下运行。节点间信息通过消息传输。提供数据或动作的节点使用这些消息在网络上发布信息。其它节点可以收集消息中的数据，也可使用它进行操作。
图2描绘了由开关和灯具组成的一个简单的Mesh网
络，并展示了它们的配置和操作方式。
信息源点只需要广播，就能在Mesh网络中传播
信息。然后，网络中的其它节点接收并转发该消息到
所有剩余节点，通过这种方式扩展的Mesh网络的范围远远超出了单个蓝牙线路。这被称为泛洪式Mesh
网络。有一些能确保网络不会过载的基本机制。例
如：（i）不传递节点已经接触的消息，以及（ii）限制
跳跃次数。
支持中继网络的节点需要随时监听消息。这意 味着它们不能在低功耗模式下运行。但低功率节点可以与中继节点保持友好连接关系。在这种连接关系中，中继节点临时存储数据，直到低功率节点被激活。之后在低功率节点激活的短时间内交换数据。
3 工业4.0
工业4.0，有时也被称为工业物联网（IIOT），是
德国政府在2011年提出的一项计划。从那时起，许多其它国家和地区也纷纷提出了自己的工业4.0概念：2015年，一些日本企业发起了工业价值链倡议（IVI）。为了鼓励制造业更多地使用互联网，美国
成立了工业互联网联盟。
在制造业中，工业4.0主张利用技术来提高效
率，并减少对自然资源的影响。这种技术的实例包括低功耗和低成本传感器，无线连接，低价位的网络基础设施和分析收集的大量数据的计算能力（大数据）。
在预见性维护应用中，例如将传感器安装于传统电机中。随后，会通过对传感器数据的分析评估电机的操作情况（温度、振动等），以此来判断何时需要维护。预见性维护的目的是防止在制造过程中因意外故障而导致生产中断。
4 工业4.0中的蓝牙5
蓝牙5提供的增强功能为许多新型工业物联网应用奠定了基础。示例包括：设备固件升级；大型工