Умный дом от STMicroelectronics: все для сетей Bluetooth Mesh

6 августа

системы безопасностиучёт ресурсовпотребительская электроникаинтернет вещейSTMicroelectronicsстатьяинтегральные микросхемыбеспроводные технологиисредства разработки и материалыCortex-M0BLEАСКУЭ2400 МГцwirelessIoTинтернет вещейBluetooth Mesh

Софья Букреева (г. Протвино)

STMicroelectronics предлагает полную аппаратную и программную поддержку для создания сетей Bluetooth Mesh, применяемых в умном доме. Аппаратная поддержка включает в себя линейки микросхем BlueNRG с поддержкой Bluetooth 5.2. Для упрощения разработки компания выпустила различные варианты оценочных плат и плат расширения для STM32 Nucleo. Дополняют спектр решений ST готовые приложения для смартфонов, упрощающие настройку и управление устройств Mesh-сети.

История развития Bluetooth, появление сетей Bluetooth Mesh и их применимость для умного дома

Bluetooth – широко используемая технология малого радиуса передачи данных для подключения смартфонов, планшетов и бытовой электроники. В 2010 году была представлена спецификация Bluetooth Low Energy (BLE), ориентированная на устройства с батарейным питанием и использование в среде IoT. В эту спецификацию добавлена возможность широковещательной передачи. В 2016 году с появлением Bluetooth 5 были увеличены скорость и дальность связи беспроводных сетей Bluetooth. Параллельно с разработкой Bluetooth 5 была создана и представлена в 2017 году новая модель подключения BLE, известная как Mesh-сеть (ячеистая сеть). В этой модели подключения используется топология «Many-to-Many», в которой сообщения ретранслируются от одного устройства к другому, делая передачу в сети более гибкой и обеспечивая сразу несколько потенциальных путей между узлами для доставки сообщений, что в свою очередь повышает надежность сети и позволяет преодолевать традиционные ограничения, связанные с расстоянием передачи Bluetooth. Помимо поддержки Bluetooth 5, технология Bluetooth Mesh также совместима с устройствами более ранних версий – Bluetooth 4.0/4.2.

Сеть Bluetooth Mesh, разработанная для удовлетворения высоких требований к надежности и безопасности коммерческих и промышленных рынков, применима для систем умного дома с большим количеством датчиков, благодаря чему быстро завоевала популярность в этой среде. Для умного дома ячеистая сеть открыла новые возможности, позволяя пользователям управлять всей сетью из любой точки и обеспечивая большую площадь покрытия сети. Ключевым примером использования, способствующим росту числа реализаций Bluetooth Mesh, послужили системы управления освещением. Изначальные варианты использования также были реализованы для умных динамиков. За короткое время сеть Bluetooth Mesh стала основным выбором для крупных сетей беспроводных устройств и ускорила реализацию инфраструктуры умного дома, требующей энергоэффективных решений, безопасности, повышения коммуникации устройств и гибких технологий.

Основные технические характеристики Bluetooth Mesh

Поскольку сеть Bluetooth Mesh основана на BLE, в ней используются те же уровни протокола, а в эфире она совместима с существующими устройствами BLE. Однако Bluetooth Mesh имеет свою надстройку над стеком BLE и определяет совершенно новый хост-уровень. Спецификация Bluetooth Mesh поддерживает подключение до 32767 устройств в одной сети. Информация передается в виде широковещательных пакетов, которые принимаются и отправляются дальше каждым близкорасположенным узлом сети. Максимальное количество ретрансляций сообщения от одного узла к другому достигает 126. Время жизни сообщения декрементируется по мере передачи от одного узла к другому, и при достижении нуля на каком-либо узле сообщение отбрасывается. Таким образом устраняется потенциальное зацикливание передачи.

В сети Bluetooth Mesh можно задать до 4096 подсетей и до 65535 сцен. Подсети позволяют разделить сеть на логические сегменты (например, первый и второй этажи) и минимизировать нежелательные прерывания от несвязанных систем за счет распределения трафика. Сцены представляют собой набор заранее заданных состояний устройств и позволяют одним сообщением настроить сразу несколько устройств, например, одна сцена яркости может быть набором настроек устройств в комнате для солнечного дня, а другая – для пасмурного.

В Bluetooth Mesh определены четыре типа узлов в сети:

  • узлы-ретрансляторы;
  • узлы с малым энергопотреблением;
  • дружественные узлы;
  • прокси-узлы.

Узлом сети называют устройство, в которое были загружены необходимые ключи шифрования для обмена сообщениями с другими устройствами. Дружественные узлы хранят данные для узлов с малым потреблением, а после их пробуждения передают эти данные. Прокси-узлы позволяют устройствам, не поддерживающим Bluetooth Mesh, взаимодействовать с сетью (рисунок 1).

Рис. 1. Устройства в сети Bluetooth Mesh

Рис. 1. Устройства в сети Bluetooth Mesh

В Bluetooth Mesh защищенность передачи данных является обязательным требованием Bluetooth SIG. Протокол Bluetooth Mesh защищает сеть от различных возможных угроз на нескольких уровнях, а все новые устройства при подключении проходят обязательную процедуру инициализации, включающую генерацию и обмен ключей безопасности по протоколу ECDH. После этого весь траффик зашифровывается с помощью алгоритма AES-128.

Поддержка Bluetooth Mesh от ST

Компания STMicroelectronics предлагает полную аппаратную и программную поддержку для создания сетей Bluetooth Mesh. Аппаратная поддержка включает в себя линейки микросхем BlueNRG-1, BlueNRG-2 и BlueNRG-LP с поддержкой Bluetooth 5.2. Эти микросхемы представляют собой Системы-на-Кристалле (CнК, SoC), содержащие ядро ARM Cortex-M0/M0+ и радиомодем BLE, и обладают широкой периферией и встроенными DC/DC-преобразователями. Таким образом, их можно использовать и для запуска пользовательского кода, и для управления стеком BLE, а также создавать на их основе крупные сети устройств по технологии Bluetooth Mesh.

Линейка беспроводных микроконтроллеров STM32WB предназначена для организации сетей на основе различных протоколов: Zigbee, Thread и Bluetooth 5.2. Эти микроконтроллеры содержат два ядра:

  • Cortex-M4 для основного приложения;
  • Cortex-M0+ для сетевого процессора.

Их также можно успешно применять при создании Mesh-сети BLE.

Помимо микроконтроллеров, доступны готовые малогабаритные радиомодули BlueNRG-M2SA и BlueNRG-M2SP, разработанные на основе BlueNRG-2. Эти модули имеют встроенные антенны (керамическую для BlueNRG-M2SA и PCB для BlueNRG-M2SP) и высокочастотные генераторы.

На базе перечисленных микросхем компания STMicroelectronics разработала различные варианты оценочных плат и плат расширения для STM32 Nucleo, которые помогают существенно упростить процесс разработки и создания устройств для подключения к сети Bluetooth Mesh.

Программная поддержка ST включает в себя программные пакеты STSW-BNRG-Mesh и STSW-BNRGLP-Mesh для микросхем SoC, а также X-CUBE-BLEMESH1 и FP-SNS-BLEMESH1 для сетевых процессоров. В эти пакеты входят все необходимые драйвера, основной стек BLE и библиотека BlueNRG-Mesh, а также примеры кода приложений для оценочных плат. Кроме этого, компания предоставляет программные библиотеки BlueNRG-Mesh Android и BlueNRG-Mesh iOS и готовые приложения для смартфонов, отличающиеся простотой настройки устройств в Mesh-сети и управления ими.

Все программное обеспечение для сетей Bluetooth Mesh от ST сертифицировано в соответствии со спецификациями Bluetooth SIG, что подтверждает поддержку необходимой функциональности узлов, а также совместимость с другими устройствами BLE.

Примеры и готовые решения Bluetooth Mesh от ST

Решения Bluetooth Mesh от STMicroelectronics используют сертифицированную библиотеку профилей Bluetooth Mesh 1.0.1 и клиент-серверную модель Bluetooth Mesh 1.0. Безопасность передачи данных обеспечивается 128-битным шифрованием AES-CCM и 256-битным протоколом ECDH. Процедура инициализации нового устройства в сети в среднем занимает 15 секунд, задержка передачи между узлами составляет 10…20 мс.

Решения ST для сетей Bluetooth Mesh включают в себя различные варианты готовых плат. Одним из примеров является плата STEVAL-BCN002V1B (BlueTile) диаметром 1 дюйм для разработки мультисенсорного устройства с подключением к сети Bluetooth (рисунок 2). На плате установлены акселерометр, гироскоп, датчики давления, влажности, магнитного поля, ToF-датчик и микрофон, а также реализована полная поддержка для подключения к Mesh-сети и радиопередачи: имеются микросхема SoC BlueNRG-2, антенна и балун. Питание платы осуществляется от батарейки CR2032.

Рис. 2. Плата Bluetile

Рис. 2. Плата Bluetile

Также STMicroelectronics предлагает ряд оценочных плат, предназначенных для подключения к сетям Bluetooth:

Рис. 3. Оценочная плата STEVAL-IDB007V2

Рис. 3. Оценочная плата STEVAL-IDB007V2

Все эти платы обладают аналогичной функциональностью, имея на борту: набор датчиков (акселерометр, датчик давления и температуры), кнопки управления, светодиоды, SMA-разъем для подключения антенны и USB для отладки. Программная поддержка перечисленных платформ, включая плату BlueNRG-Tile, реализована в пакете STSW-BNRG-Mesh.

Другим доступным решением является модуль STEVAL-MKSBOX1V1 (SensorTile.box, рисунок 4). Эта платформа имеет основной процессор STM32L4 и сетевой процессор BlueNRG-M2. Плата оснащена несколькими датчиками движения и окружающей среды, такими как датчик температуры, 6-осевой IMU, два 3-осевых акселерометра, 3-осевой магнитный датчик, датчик давления, микрофон и датчик влажности, и помещается в небольшую пластиковую коробку с аккумулятором. На базе микросхемы BlueNRG-M2 компания STMicroelectronics разработала также полностью готовый к использованию модуль STEVAL-LLL012V1 интеллектуального светодиодного драйвера для внутреннего освещения, специально предназначенный для подключения к сети Bluetooth Mesh.

Рис. 4. Модуль SensorTile.box

Рис. 4. Модуль SensorTile.box

Одной из новинок компании является микросхема BlueNRG-LP с режимом увеличенной дальности и сверхмалым потреблением. На основе BlueNRG-LP доступна оценочная плата STEVAL-IDB011V1, оснащенная MEMS-датчиками акселерометра/гироскопа, давления/температуры и MEMS-микрофоном. Программная поддержка STEVAL-IDB011V1 реализована в пакете STSW-BNRGLP-Mesh.

Еще одним вариантом для подключения устройства к сетям Bluetooth Mesh является использование только сетевого процессора. ST предлагает платы расширения X-NUCLEO-IDB05A2 на основе BlueNRGM0 и X-NUCLEO-BNRG2A1 на основе BlueNRG-M2SP (рисунок 5). Программный пакет X-CUBE-BLEMESH1 содержит демонстрационные приложения для данных плат при их подключении к микроконтроллерным платам NUCLEO-L152RE, NUCLEO-L476RG или NUCLEO-F303RE. Этот пакет предназначен для различных семейств микроконтроллеров STM32 и является расширением для STM32Cube, обеспечивающим простую реализацию сетевых API на основе библиотеки Mesh и стека BLE.

Рис. 5. Плата расширения X-NUCLEO-BNRG2A1

Рис. 5. Плата расширения X-NUCLEO-BNRG2A1

Для просмотра данных датчиков в режиме реального времени с устройств сети Bluetooth Mesh через соответствующее приложение Android или iOS доступен функциональный пакет FP-SNS-BLEMESH1 для STM32Cube. Программное обеспечение пакета содержит базовую библиотеку Mesh, полный набор совместимых API и демонстрационное приложение, которое можно запустить для платы с датчиками X-NUCLEO-IKS01A3, подключенной к микроконтроллерной плате NUCLEO-L476RG с радиомодулем X-NUCLEO-IDB05A2 или к микроконтроллерной плате NUCLEO-L476RG с радиомодулем X-NUCLEO-BNRG2A1, а также для модуля SensorTile.box.

Технология Bluetooth Mesh позволяет объединить сотни и тысячи устройств, создавая крупномасштабные защищенные сети с большим покрытием, которые можно использовать в различных коммерческих и промышленных средах для поддержки систем управления, мониторинга и автоматизации, в том числе для систем под общим названием «умный дом». Широкая линейка микросхем, готовых модулей и оценочных плат, а также программные средства разработки компании STMicroelectronics упрощают внедрение BLE и создание Mesh-сети, сокращают затраты на разработку и ускоряют выход продукции на рынок. Предлагаемые решения просты в реализации и используют сертифицированные библиотеки Bluetooth Mesh.

•••

Наши информационные каналы

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее

Товары
Наименование
STEVAL-IDB011V1 (ST)
BLUENRG-355AC (ST)
BLUENRG-345AC (ST)
BLUENRG-345MC (ST)