Bluetooth®は、モノのインターネットにメッシュネットワーキングをもたらします

メッシュネットワークは、モノのインターネット（IOT）のための重要なアーキテクチャです。 IEEE804.15などの規格で、ZigBeeはこの20年間メッシュネットワークを実装し、産業オートメーションで成功を収めてきました。 これは、ネットワークの各ノードがデータを受け入れ、隣接ノードへフォワードできることを意味し、単に新しいノードを追加することによって、ネットワークをより容易に拡張することが可能になります。 これは、度重なる衝突を避けるために、より大規模な計画をしばしば必要とする追加のゲートウェイデバイスまたはアクセスポイントを使用するよりも、コスト効率が高く、実装が容易です。

比較すると、Bluetooth^®は、基本的にポイントツーポイント接続で、スマートフォンなどの端末や、iBeaconやEddystoneなどのアクセスポイントへリンクされます。 そのようなものとして、これはウェアラブル技術で非常に成功し、スマートフォンへリンクバックを提供し、そこからより広いインターネットへ繋がっています。 これは、Bluetooth技術が、ますますインターネットに直接接続され、メッシュネットワークの需要を駆動する各種のアプリケーションで使用することを可能にします。

図1：ノードが最近傍にリンクすることで、メッシュネットワークが簡単に部屋から部屋へBluetoothデバイスの範囲を拡張することを可能にします。

Bluetooth Smartの最新バージョンは、4.0以降、大幅に消費電力を低減するだけでなく、設定時間や、またデータレートも低下させています。 データレートは、ネットワーク内の各追加のステップに対して半分にされるので、これはメッシュネットワークにとって意味あいを持ちます。

しかし、Cambridge Silicon Radioなどの一部のBluetoothの専門家は、Bluetoothを使用したメッシュネットワークの独自のバージョンに取り組んできました。 CSRmeshはBluetooth低エネルギーデバイス用のソフトウェアオーバーレイで、メッセージを受信し、それらに基づいて行動することができるだけでなく、周囲のデバイスにそれらのメッセージを繰り返すことができます。 これは、Bluetooth Smartの範囲を拡張し、IoTのための簡単なアドホックメッシュネットワークを提供します。

CSRmeshの最初の主要な展開の1つは、小売環境でBluetooth Smartビーコンとして機能する世界初のスマートLED電球の製品範囲を開発した韓国のSK Telecomとです。 これは、スマート電球のほぼ無制限の数が簡単に制御され、店舗内で共にネットワーク接続することを可能にし、同時に、ロケーションベースの特別の提供は、スマートフォンユーザーをターゲットにすることができます。

図2：インテリジェント照明制御アプリケーション用のCSRmesh開発ボード。

現在の店舗内ビーコンシステムは、店内に多くのワイヤレスセンサーをインストールし、しばしば長い時間がかかり高価で、一定のメンテナンスを必要とするプロセスが必要です。 CSRmeshアプローチを使用することで、建物のインフラストラクチャをオーバーホールすることなくビーコンシステムが提供されます。 建物の既存の照明器具が店全体に均等に分散しているため、LEDスマートビーコンで完全なカバレッジが提供されます。 LEDビーコンはまた永続的な主電源に依存し、サービスプロバイダは、もはや何百ものバッテリ駆動機器を管理する必要がないことを意味します。

このシステムは、各電球がメッシュ内の近傍と通信する、既存の照明器具に適合したLED電球を使用します。 スマート電球は、ビーコン機能、およびiOSとAndroidモバイルサポートを備えたCSR1010チップセットとCSRmesh v1.2プロトコル層に基く事前認定モジュールを装備しています。

CSRmesh開発ボード（図2）は、設計者が標準的なBluetoothソフトウェア上にメッシュプロトコルを実装するのに役立ちます。 これは、迅速にBluetooth Smart製品のネットワークのプロトタイプを作成し、メッシュ実装の機能をテストすることを望む製品設計者のために、メッセージが単純化されたプラットフォームを介して、複数のBluetooth Smartデバイス上で中継されることを可能にします。

これを行うために、このキットは、開発ボードから、CSR xIDEソフトウェア開発環境、USBプログラマおよびインターフェースケーブル、開発ボード用のCSRmeshアプリケーション例とホストアプリケーション例、およびAndroidやAppleのiOSのスマートフォン用ソースコードまで、評価およびソフトウェア開発のためのツールの完全なセットを提供します。

この開発ボードは、通常、2本の単三電池から電力を供給されますが、ホストのUSB接続から実行することもでき、追加のボードを容易に大規模なネットワークを作るために使用することが可能です。

このすべては、メッシュベースのスマート照明ビーコンを備えた競技場のような大空間で、Bluetooth Smart対応の何千ものビーコンを管理するという課題を解決するための一部です。

別のチップメーカー、Nordic Semiconductorはまた、IoTアプリケーションを標的とする低コストの完全に開発されたULPワイヤレスメッシュネットワークソリューションを提供するために、超低電力のBluetooth Smartデバイスでメッシュネットワーキングを可能にするために取り組んできました。

Wirepas Pinoは、NordicのnRF51822 Bluetoothチップ上で実行するWirepasによって開発された完全自動の、自己最適化、マルチホップメッシュネットワークプロトコルスタックです。 これは、ノード間のネットワークデータトラフィックを分散するために継続的に自己を最適化し、RF干渉の経験など動作環境の変化に適応するために、ネットワークトポロジで高ノード密度と理論的に無限のネットワークサイズ（ノード数）をサポートします。

これは、ノードに障害が発生した場合、ネットワークがその周りの他のノードを経由して通信を再ルーティングすることによって、自動的に「回復」することで、劇的にネットワークの信頼性を向上させることができます。 これはまた、新しいノードが追加されるにつれ、ネットワークが自動的かつ連続的に自己再構成し、最適なネットワークパフォーマンスを維持することができるので、すべてのノードの高いネットワーク効率および低消費電力を可能にします。

図3：フィンランドのスタートアップのWirepasは、大規模な建物全体を通じてBluetoothを接続するワイヤレスメッシュネットワークの可能性を見ています。

この関心すべての結果として、Bluetooth Special Interest Group（SIG）は、Bluetooth認定デバイスをメッシュネットワークに追加することができるように、標準でこの種の機能を可能にするために、Bluetooth仕様にネットワークメッシュを取り入れてきました。 Bluetooth Smartセンサがホームで増殖するにつれ、メッシュネットワークは、消費者のBluetooth対応スマートロック、ライト、HVACシステムや、家電製品でさえ共同し、シームレスなスマートホーム体験を提供するのを確保するために、不可欠な要素になるでしょう。

Bluetooth Smart Mesh Working Groupは、Bluetoothスマート技術向けの標準化されたメッシュネットワーク機能のためにアーキテクチャを構築しています。 この動きは非常に人気があり、80以上のメンバー企業が既にこのグループに奉仕することを志願しており、すべてのSIGワーキンググループの間で最高です。

このグループには、自動車、携帯電話/モビリティ、産業オートメーション、ホームオートメーション、民生用電子機器、およびコンピューティングなどの幅広い業界からの企業が組み込まれています。 このグループの目的は、1つの特定のユースケースに焦点を当てるのではなく、すべてのメンバーが開発することができる共通のプラットフォームを構築することです。 このグループは、照明、HVAC制御、資産管理、セキュリティなどのメッシュの恩恵を受ける多くのユーザーシナリオを評価しています。

この種の機能を容易に実装する1つの方法は、Silicon LabsのBLE113などのモジュールを介することです。 このモジュールは小型で低消費電力のセンサとアクセサリを目的とし、無線トランシーバ、ソフトウェアスタックとプロファイルから、バッテリ管理およびモノポールチップアンテナまで、Bluetooth Smartアプリケーションに必要なすべての機能が統合されています。 これにより、柔軟なハードウェアインタフェースを介して既存の設計に含めることが簡単になり、そしてこれらの設計が容易にメッシュネットワークにアクセスできるようになります。 これは、標準的な3Vコイン型電池または一組の単四電池から直接給電することができます。 最小電力スリープモードで、この製品はわずか500nAの電流しか消費せず、数百マイクロ秒でウェイクアップします。

図4：Silicon LabsのBLE113 Bluetoothモジュール。

メッシュアプローチの利点の一部は、それがユーザーにBluetoothをほとんど見えなくすることができるということです。 よりタイトな設計統合により、Dialog SemiconductorのDA14580などのようなBluetooth Smartトランシーバは、機器に組み込むことができ、メッシュ内の別の近くのノードに自動的に接続します。 これは、スマートホームやIoTアプリケーションをセットアップし、実行するために非常に簡単な方法をもたらします。

DA14580は、スタンドアロンアプリケーションプロセッサとして、またはホストされているシステムでのデータポンプとして使用することができる、Bluetooth Smart 4.1のための完全に統合された無線トランシーバとベースバンドプロセッサを提供します。 このトランシーバは、Bluetoothプロファイルとカスタムアプリケーションコードを格納するための柔軟なメモリアーキテクチャをサポートし、オーバーザエア（OTA）経由で更新することができるので、後日、メッシュプロトコルを実装できる可能性があります。 認証済みのBluetooth Smartプロトコルスタックは専用のROMに格納され、すべてのソフトウェアは単純なスケジューラにより、16MHz ARM Cortex-M0プロセッサで実行されます。 このデバイスは設計に邪魔にならないように適合させるよう、低消費電力と小型サイズのために最適化されています。

Bluetooth Smartファームウェアには、L2CAPサービス層プロトコル、セキュリティマネージャ（SM）、属性プロトコル（ATT）、一般的な属性プロファイル（GATT）および汎用アクセスプロファイル（GAP）、ならびにメッシュ実装を含むことができる可能性があるカスタムプロファイルが含まれます。

SIGによると、IoTでのBluetooth技術のための価値命題には比類がなく、最低限の電力を消費し、最小コストであり、今日のIoTを可能にする最も広く利用可能なワイヤレスソリューションです。 キーは、メッシュネットワーキングをBluetooth仕様にもたらすことで、まったく新しい市場セグメントにこの技術をプッシュすることになります。

Smart Mesh Working Groupは、2015年の遅くにプロトタイプテストの準備ができた仕様を持つことを期待しており、SIGは2016年にプロファイルを正式に採用することを求めています。