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面向物联网的基于BLE的
Star拓扑网络快速原型平台
Lorenzo Invidia, Silvio Lucio Oliva, Andrea Palmieri, Luigi Patrono, and Piercosimo Rametta
摘要:物联网 (IoT) 的特点是许多技术、标准、工具和设备同时适用于广泛的应用领域，并且通常对于最终用户(制造商和开发人员)来说，很难定位在同样广泛的范围内来自各种制造商的报价。近年来，蓝牙低功耗(BLE)通信协议正在占据很大一部分市场，这要归功于其低功耗和低成本的定位以及其在移动设备 (如智能手机) 中的普及。由于这些原因，BLE越来越多地用于面向物联网的无线个人区域网络(WPAN)中，其中，在星形拓扑网络中排列并连接到智能手机和WIFI网关的一小组设备可以覆盖大量的监视和控制用例场景。这项工作介绍了ST的STM32开放开发环境(ODE)，这是一套完整的硬件和软件工具，代表了愿意为广泛应用创建基于BLE的star拓扑网络的最终用户的参考点。通过智能家居环境中的一个简单用例，展示了如何使用所有提供的工具来快速创建应用程序，以满足所有用户需求。
索引术语：BLE，嵌入式系统，物联网，MQTT，快速原型，STM32 ODE。
I.简介
从高层次的概念角度来看，物联网 (IoT) 是指周围十亿个物理设备连接到互联网的世界，收集和共享数据。这为原本会愚蠢的设备增加了一定程度的数字智能，使它们能够在没有人类参与的情况下进行通信，并融合了数字世界和物理世界。
从低级的角度来看，此概念是指能够通常通过无线连接相互连接并连接到Internet以跨网络共享数据的多个设备。IoT [1] 的特点是通用设备变得“智能”并从传感器或其他输入收集数据。它们与其他物联网设备以及移动或基于云的应用程序进行通信，以便可以存储这些数据，作为可用信息共享、聚合、分析。可以容易地理解，在这种情况下，智能设备的主要关键方面之一是在同一网络中从一个设备到另一个设备以及朝向互联网的连接。短程无线网络在互联网连接设备的生态系统中发挥着越来越重要的作用，在可靠性、速度和安全性方面提供了与有线链路相当的质量，但具有灵活性、移动性和易于连接的显著优势。
在过去的几年中，已经为无线传感器网络 (WSN) [2] 和互联网内的通信定义了几种协议，每种协议的特点是不同的应用场景和性能，但没有一个能成为满足新物联网系统即将到来的需求的通用解决方案。Z-Wave [3]，ZigBee，线程802.15.4 [4][5]，6LoWPAN [6]，基于IEEE802.15.4 [7] 标准，WI-FI 802.11 b/g [8]，RFID [9-12] 只是为WSN应用设计的一些流行协议和技术。
随着WSN应用程序的使用不断增加，相对于另一个选择特定协议的需求取决于某些因素，例如目标应用程序的要求、大小、消耗 [13] [14] 和网络的持续时间。在过去的十年中，在这种情况下越来越重要的标准是低功耗蓝牙 (BLE) [15]。
蓝牙低功耗是蓝牙无线技术的智能、功耗友好版本。能够成功满足此类需求，智能手机，平板电脑移动计算的惊人增长保证了其被迅速采用。BLE特别适用于不需要连续连接的物联网应用。实际上，它允许无线电连接的短暂中断，从而优化了设备电池的使用。使用跳频和数据完整性方法可以大大减少干扰，这使蓝牙连接比2.4 GHz WI-FI功能强大得多，而传输的数据很少丢失。BLE为智能设备提供了安全可靠的连接，随着蓝牙网状网络配置文件的到来以及对核心规格的更改(允许更长的范围)，该连接将进一步扩展。
BLE为低成本、低功耗和安全的连接提供了明显的优势，单一的全球标准使不同制造商的各种设备能够通信，无论它们安装在哪里。对于物联网开发人员来说，这可以缓解许多连接问题，因为消费者可以随时随地将智能手机用作多个蓝牙设备的主机，为其他蓝牙设备和连接点 (包括云) 提供服务和数据。
在开发WSN应用程序时，各种网络拓扑都是可能的。无线网络的拓扑结构只是网络组件的布置方式: 它描述了设备，路由器和网关的物理布局，以及它们之间的数据流路径。三种最常见的应用无线拓扑是 :(i) 星形，(ii) 网状和(iii) 聚类树或杂种 [16]。
在星形拓扑中，所有单独的无线节点都直接与中心节点通信。有时将其描述为“点对点”或“视线”架构，因为每个设备都直接与网关通信。网关与外围节点建立点对点通信，并直接或通过连接到另一个网络将接收到的数据传输到本地服务器或云服务器。由于简单的直接无线连接，与其他架构相比，此拓扑使用的功率最少。但是，数据可以从无线设备传输到网关的距离被限制30-100米的范围内。网状拓扑中的设备也可以使用称为多跳的功能与网络中的其他节点 (点对多点) 进行通信。消息可以从一个节点到另一个节点“跳”，直到到达分配的网关。网格相对于星形拓扑的优势包括更长的距离和减少数据或传输的丢失，但是会以每个节点的复杂性为代价。最后，簇树拓扑是一种混合方法，其中星形拓扑中的无线设备聚集在相互通信的路由器或中继器周围，并以网状拓扑中的网关进行通信。
在降低成本、小型化和增加功能的趋势驱动下，低功耗无线网络越来越多地应用于新的应用领域。然而，新的智能系统的有效使用受到缺乏允许创建垂直应用程序的工具的阻碍，从固件的实施到面向最终用户的前端应用程序的分发，无论是移动应用程序还是web仪表板 [17]。
几乎所有产品都具有一系列功能，这些功能可以变得 “智能”，并通过添加传感器提高连接性以及用于控制，管理和生成有用信息的在线应用程序而引入IoT。
一旦建立了硬件设备或原型，就需要开发几层软件: 内置固件，它定义了操作并允许设备的通信，成为用户界面的应用程序 (通常是移动的) 以及用于数据收集和处理的云平台。这项工作克服了这些限制，并描述了由ST的STM32开放开发环境 (ODE) [18] 提出的一套完整的硬件和软件工具，该工具允许基于BLE的物联网应用程序快速原型制作为低级通信协议，节点排列在星形拓扑中，因为它在考虑的用例中很容易。我们扩展了以前的工作 [19]，增加了在同一ODE中构建的云通信。所采用的套件包括大量的硬件组件，从性能不断提高的几个MCU芯片到不同版本的BLE和WI-FI通信接口，通过广泛的传感器和执行器扩展板。所有这些块都可以在模块化原型开发板中组成。一旦定义了硬件层，就可以使用不同的集成开发环境 (ide) 来开发应用程序的业务逻辑，还可以利用支持开发人员社区提供的示例和代码片段。配套云平台提供了一个远程端点来发送收集的数据，以便其他客户端通过Internet进行存储，可视化和访问。这套工具为最终用户定义最终产品提供了极大的灵活性。实际上，一旦实现了业务逻辑并且满足了所有功能需求，则可以根据应用程序的业务核心，通过组成一个或多个构建块来升级性能或降低成本，可以对硬件原型进行精细优化。
本文的其余部分组织如下: 第二部分描述了拟议平台提供的硬件和软件工具，而第三部分描述了上述组件如何为星型拓扑BLE网络上的快速原型IoT应用程序提供功能。我们的用例场景在第四节中介绍，以在功能上验证整个平台。然后在第五节中讨论了与其他竞争对手的解决方案的简要比较。最后，在第六节中总结了结论和未来的工作。
II.技术概述
本节简要介绍了ST的STM32开放开发环境 (ODE) 提供的全套工具。进行了蓝牙低功耗和MQTT协议的简短介绍，它们是无线传感器网络内从中央节点到Internet的通信基础。然后介绍了硬件原型板的提供，以及主要的集成开发环境 (ide)，这些环境用于基于所描述的硬件快速原型应用程序，并且还与云服务器 (由套件提供) 进行交互以存储和可视化数据。
A.协议介绍
蓝牙低功耗通信基于两个参与者: 中央设备和外围设备。就像客户端-服务器模型一样，外围设备 (通常是IoT设备) 拥有客户端所需的一些信息。在大多数情况下，中央节点具有扫描和启动与它感兴趣的广告信息的任何外围设备的连接所需的资源。
外围数据是由服务和特征构成的。服务用于将数据分解为逻辑实体，并包含称为特征的特定数据块。特性提供了有关服务的更多详细信息，并封装了单个数据点。
建立连接后，中央设备开始发现所有外围服务和特性。然后，它可以通过读取，写入或订阅其特征的价值来与服务进行交互。
与蓝牙经典相比，BLE协议堆栈变轻了:
- 物理层具有三个广告渠道，从而有机会加快从设备的发现，并将其他设备留给数据交换。
- 链路层定义了扫描，广告，创建和维护与设备的连接所需的过程。
- 属性协议 (ATT) 在属性服务器和属性客户端之间创建通信。数据以 “属性” 的形式存储在属性服务器中，该属性可以由属性客户端发现、读取和写入。
- 通用属性配置文件 (GATT) 定义了两个设备来回传输数据的方式，提供了发现服务/特征以及读取或写入特征值的方法。
- 最后，通用访问配置文件 (GAP) 定义了模式 (可发现，可连接，可绑定) 和角色 (外围，中央，广播，观察者) 的API。
可以通过MQ遥测传输 (MQTT) 轻松实现管理从IoT节点获取的数据的云连接 [20]。基于TCP/IP套件的顶部，MQTT是一种轻量级协议，专门为受限环境、低带宽网络和性能有限的设备设计。这些功能使其非常适合用于大多数物联网节点的实现。
MQTT偏离了经典的客户端-服务器结构，即客户端拥有与其端点的直接通信。MQTT的发布-订阅模型建立了广播某些信息的客户端 (publisher) 和一个或多个接收相同信息的客户端 (subscripers)。两个端点都不知道对方的存在。
客户端的原型从具有嵌入式微控制器的设备开始，直到运行适当库的服务器，使MQTT成为高度可扩展的协议，通常使客户端的复杂性大大降低。此外，MQTT库可用于多种编程语言。
MQTT的基本作用是由代理完成的。他们主要负责接收，过滤和调度消息，客户端的身份验证和授权，因此任何客户端始终都要连接到代理。
MQTT客户端与broker建立连接后，可以发布消息。每个消息基本上包括一个分组id，一个由代理用来将消息转发给感兴趣的客户端的主题，一个由服务质量级别 (QoS)决定传递优先级和实际有效负载。MQTT有效负载数据完全没有任何已建立的格式: 由发送方决定是否要发送文本数据、二进制数据或JSON。
为了接收消息，客户端需要订阅代理。subscribe消息基本上由一个数据包id、一组主题和QOS级别的对组成。
B.原型板
ST的STM32 ODE提供了模块化的硬件和软件系统，可以轻松开发低/高复杂的原型，可以在大型生产中快速放置。它提供了丰富的产品目录，允许完整的物联网原型制作，从电路板的选择到所需的其他扩展屏蔽。这给用户或公司带来了巨大的好处，该用户或公司对所有硬件组件都有唯一的供应商，而对支持或技术问题也有相同的供应商。
STM32 ODE目录 (表1) 包括广泛的评估板，用于从低功耗到高性能的不同应用的设备的快速原型制作。
STM32核板可用于不同的Mx内核，内存切割 (闪存和RAM)，外围设备 (SPI，U(S)ART，I2C等)，以满足客户的不同需求，针对不同的场景，具有竞争力的价格。
表1
从选择STM32核板开始，用户可以通过堆叠一个或多个ST扩展板来扩展特征，例如环境、运动或触摸传感器、RF链路、电机控制、安全组件、音频管理等。-具有可扩展的方法，可以轻松进行应用程序开发或产品评估。
每个STM32 Nucleo的特点都是一个非常简单的硬件，一个电路内调试器 (ST-Link/V2-1) 和几个连接器 (两个Arduinotrade;Uno V3和ST morpho)，允许与其他硬件组件快速连接，拥有全面的软件HAL库和示例，可以考虑NUCLEO-L476RG [21] (STM32-L476xx系列的一部分)，以显示典型原型板的示例，它基于高性能的M4-32位RISC内核，工作频率高达80 MHz ，STM32-L476xx系列嵌入高速存储器 (闪存高达1 Mbyte，高达128 Kbyte的SRAM，一个灵活的外部存储器控制器 (FSMC)，用于静态存储器 (适用于100针及以上封装的设备)，四通道SPI闪存接口 (适用于所有包) 和一系列广泛的增强的I/O和外围设备连接到两个APB总线，两个AHB总线和一个32位的多AHB总线矩阵。STM32L476xx器件具有超低功耗的FlexPowerControl保证在停机模式下30nA的消耗和120nA在待机状态下的消耗。
该器件可提供多达三个快速的12位adc (5 Mbps)，两个比较器，两个运算放大器，两个DAC通道、内部电压基准电压缓冲器低功耗RTC，两个通用32位定时器，两个16位PWM定时器
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