BT Mesh APP開發流程介紹（Android 版）- 上

A. 前言
藍牙技術為一種無線通訊協議，目前已經廣泛應用於數十億台設備上，而BT Mesh為基於BLE (Bluetooth Low Energy) 網路協議下的網路技術。在BT Mesh網路中，與一般低功耗藍牙技術中的“一對一”或“一對多”不同，BT Mesh建立了無線設備之間的多對多關係，而智慧型手機在其中的角色為Provisioner，可以透過手機APP將設備加入BT Mesh網路中。

本篇主要介紹BT Mesh基本必備知識及基於Qualcomm Android SDK配置流程介紹。


B. Mesh架構介紹

如下圖所示，藍牙低功耗技術中，一般利用「單一向心狀集線器元件進行星狀拓樸聯網，由手機擔任網路主控（Master），連結一個或多個的從屬（Slave）裝置。」而BT Mesh提供無線設備之間的多對多關係，其覆蓋面積廣及監測和控制大量設備的能力與星狀拓樸聯網相比，可以將延遲降低許多。

C. BT Mesh Node, Element, Model介紹

下圖為Node, Element及Model之間的關係。

BT Mesh Node架構

每一個節點中，必須擁有一個主元素，或多個次要元素，每個元素都有一個唯一地址，稱為單播地址（Unicast Address），每個元素都擁有一個模型或多個模型，模型為決定某一節點的基本功能及狀態。

藍牙Mesh網路節點特性：

• 中繼功能（Relay）：可中繼訊息，擴展藍牙網狀網路的範圍和規模，屬於選項功能。
• 低功耗功能（Low Power）：休眠和輪詢（poling）朋友節點訊息，輪詢間隔時間可從毫秒到四天。
• 朋友功能（Friend）：可執行消息緩存（cache）的附加功能，以支持低功耗節點。
• 代理功能（Proxy）：可啟用藍牙網狀網路和GATT設備之間的訊息代理功能。(BT Mesh中, 手機APP唯一可連接的端點)

D. BT Mesh Publish, Subscribe介紹

發佈（Publish）: 設備（開關3）可以將訊息發送至特定位置（Hallway）。

訂閱（Subscribe）：設備（燈4, 5）經過配置後，可接收由開關3發送到特定位置（Hallway）的訊息。

當開關3設定為On，燈4, 5就會On，可以透過訂閱跟發佈做狀態控制。

E. BT Mesh App開通裝置及組網流程

Qualcomm Android SDK中提供了Mesh Library，接下來為大家介紹在SDK中配置入網的重點功能。

Mesh Bearer API：當BT Mesh Provisioner（手機）進行掃描時，從Mesh Library中的Mesh Bearer API啟用廣播渠道進行自動掃描Proxy Node。

以下為APP（新增節點）的流程圖：

首先，在APP首頁中按下新增裝置的按鈕後開始搜尋周圍的BT Mesh設備，主要是透過在“ScanResultsAdapter.java”執行。

掃描功能是透過Library內的“AdvertType.java”中的“PB-GATT_ADVERT_DATA”讓Provisioner能夠接收到Unprovisioned device所發送出來的廣播封包，進而取得該裝置的Name、OOB、Net ID及RSSI。

最後再透過設定Convert View將資訊顯示在上方。

裝置配置入網流程依據Qualcomm Android SDK內的定義方式做說明，可以從“NewNodeActivity.java”檔案內找到以下功能，並以“mProcedureStep”去進行判斷配置流程的步驟：

圖A

下圖為“NewNodeActivity.java”檔案中需要import的功能：

在一開始將裝置配置入網前，需要在“onResume()”的功能內將“mProcedureStep”初始化。

裝置配置入網流程

1. Connect to the Unprovisioned Device：

選擇裝置後，會進入入網配置的介面（如圖A）。

在“public void onCreate(Bundle savedInstanceState)”內透過判斷“mProcedureStep”得知目前進行“CONNECTION_STEP”的步驟，並且停止掃描，開始與裝置進行連線。

2. Sending Invite：

當Provisioner（手機）收到BT Mesh裝置所發送的Broadcast後，邀請裝置入網。

當連線成功後，會發送Provisioning request給裝置，並且透過“MeshDatabaseManager.getInstance().allocatePrimaryElementAddress(netId)”取得裝置的Unicast Address。

 

3. Set Capability：

交換必要的設備訊息，像是Device所擁有的Element（元素）數量、使用公鑰或私鑰與OOB（Out of Band）認證相關資訊。

 

3.1 Exchange Public Keys：

當交換完必要的訊息時，這時候會依照上一個步驟所取得的資訊針對OOB公鑰進行交換。確認裝置是否支援OOB公鑰交換（這裡使用No OOB），使用公鑰與自身的私鑰經由（ECHD）橢圓曲線產生出對稱金鑰。

 

3.2 Confirmation：

進行確認值生成和檢查（Confirmation Provisioner和Confirmation Device）。當確認值生成後，兩台設備會進行交換，並且檢查接受值的完整性。

 

在“public void onProvisionedStepUpdate(int event, final Bundle data)”的功能內會判斷裝置的資訊、OOB、公鑰及私鑰，而專案內是使用“No OOB”驗證，所以在程式碼內對應到“public void onProvisionOobEventUpdate(SelectedDeviceCapability capability)”函式內“AUTH_METHOD_OOB_NONE”的功能內進行交換資訊、OOB Data、公鑰及私鑰的驗證及設定。

4. Complete：

經過Confirmation步驟的認證後，確保Provisioner與BT Mesh Device之間建立的承載層（Bearer）的安全後，就會啟動配置數據分發（Provisioning data）。Provisioner負責生成啟動配置數據分發，Provisioning data包含Net Key、Dev Key、Net Index、Key Flag、IV Index、Unicast Address。

 

在“public void onProvisionComplete(final int status, final byte[] devKey, final int elementNumber)”的功能內，先判斷是否通過安全認證，通過安全認證後即會執行“MeshDatabaseManager.getInstance().addNewNode(netId, Element Primary Address, devKey, elementNumber)”，再透過“meshDB.add(address, uuid, node)”將Node資料存進Mesh Database中。

 

5. Connect to node：

完成驗證後，Provisioner（手機）會將GATT Service斷開連線，搜尋Proxy Node進行連線。

 

將Node資料存進Mesh Database後，使用public void onProvisionComplete(final int status, final byte[] devKey, final int elementNumber)”的功能內“MeshLibraryManager.getInstance().clearBridgeAdvDataList”及“MeshLibraryManager.getInstance().disconnectMeshBearer”功能斷開斷線，成為節點。接著重新連線至Proxy，進行Bind Key。

 

6. Get Composition Data：

取得節點的資料，包含“Node內擁有幾個Elements”、“Elements內有幾個Models”及“Models內有幾個States”。然而取得Model內State的值必須從其“opcode”進行判斷與設定。

 6.1 Add Application Key：

當取得節點內部資料後，進行“Add APP Key”的步驟，這步驟會判斷是否存在APP Key在Mesh的Database內。

 6.2 Application Key Binding：

取得APP Key後，會進行Bind Key的步驟。針對Node內Elements的Unicast Address以及Model ID進行Key Binding（networkID、subNetID、primaryAddress、elementAddress、appKeyIdx、modelID）。

函式“onConfigClientResponse(Bundle bundle)”功能內判斷Composition Data是否獲取成功，並且透過“MeshDatabaseManager.getInstance().getAPPKeyListSize()”了解Mesh Database中是否具有APP Key。

若具有APP Key，則會進入“MeshConstants.QMESH_CONFIG_APP_KEY_STATUS_EVENT”，執行“private void addAppKeyIndex(int index)”及“private void bindAppKeyIndex()”的功能，將APP Key加入後即可進行Bind Key的步驟，“private void bindAppKeyIndex()”的功能內需驗證“AppKeyBindingQue”是否為空，若有資料則會將networkID、subNetID、primaryAddress、elementAddress、appKeyIdx、modelID放入Node內。

以上即為Bind Key的步驟。

 

Model ID分為以下幾種：

1. QMESH_MODEL_GENERIC_ON_OFF十進制: 4096
2. QMESH_MODEL_LIGHT_LIGHTNESS十進制: 4864
3. QMESH_MODEL_LIGHT_HSL_SERVER十進制: 4871
4. QMESH_MODEL_LIGHT_LIGHTNESS_CLIENT十進制: 4866
5. QMESH_MODEL_GENERIC_ON_OFF_CLIENT十進制: 4097

 

在“AppKeyBindingConfiguration.java”專案內可以自行添加不同裝置，能讓開發者自訂相對應的Model ID。
 

7. Set Node Name：

執行完Application Key Binding的步驟後，最後進行名稱修改，並更新資料庫配備名稱。

如上圖所示，當BT Mesh裝置成功配置入網後，Provisioner（手機）會自動搜尋並連接BT Mesh網路中的Proxy node，而列表上可以看到裝置的名稱、Unicast Address、Address、Elements、Models及Company資訊。

F. 小結

經過本文的講解，相信大家對於BT Mesh的架構以及Android內的配置流程已經有初步的了解，下一篇會教導大家在專案內的配置流程是運用Qualcomm Mesh Library中的哪些功能，以及Group、Publish和Subscribe的基本程式碼介紹，請大家敬請等候！

資料參考：

1. Bluetooth Mesh Models: https://www.bluetooth.com/wp-content/uploads/2019/04/1903_Mesh-Models-Overview_FINAL.pdf

 

2. Learn About Bluetooth: https://www.bluetooth.com/learn-about-bluetooth/bluetooth-technology/topology-options/le-mesh/mesh-glossary/#security_keys

 

3. BLE結合網狀網路藍牙解開物聯網連結難題：https://www.2cm.com.tw/2cm/zh-tw/tech/C5622D1B222E48F586F35C382AD8D917

 

4. Qualcomm Android SDK: qualcomm_mesh_demo_application.android.1.0.0_20200106（若有需求，請自行與「詮鼎科技Qualcomm Team」聯繫）