蓝牙mesh实战

1 蓝牙mesh首著出版，由阿里巴巴天猫精灵终端总经理和蓝牙BLE&mesh方面的资深专家全力打造。

2 得到了阿里巴巴集团二位副总裁 库伟、泰凌微电子 共同创始人/COO金海鹏博士的亲笔作序推荐。

3 蓝牙mesh技术是蓝牙SIG组织于2017年7月首发的，技术新颖、优势明显，本书全面地介绍了蓝牙mesh技术细节，以及落地实践案例，是了解蓝牙mesh技术的优选读物。

4 本书适合物联网开发者、智能硬件开发者、天猫精灵生态开发者、微电子学、电子工程、计算机等相关专业的学生、人工智能物联网兴趣爱好者或发烧友等阅读。

在人工智能物联网（AIoT）时代背景下，蓝牙连接技术在近场通信领域中举足轻重。蓝牙mesh技术是蓝牙SIG组织于2017年7月首发的，技术新颖，优势明显。阿里巴巴是早期研究蓝牙mesh技术并产品化的公司，通过项目实战积累技术经验和解决方案，本书全面地介绍蓝牙mesh技术，包括广播、配网、安全、协议等关键内容，以及阿里巴巴的具体实践方案——IoTConnect Kit解决方案。该方案包含了语音配网&控制、互联互通标准、智能家电规范、SDK、模组、产品、认证体系等一系列提高行业智能化改造效率的工具包。

本书适合物联网开发者、智能硬件开发者、天猫精灵生态开发者、微电子学、电子工程、计算机等相关专业的学生、人工智能物联网兴趣爱好者或发烧友阅读。

茹忆，花名忘之，现任阿里巴巴研究员，阿里巴巴天猫精灵终端总经理。中国首代智能手机和IoT产品研发制造者，领导开发了中国早期的安卓手机，历任天猫魔盒和电视系统的产品研发负责人，2017年领导研发了阿里巴巴早期的人工智能语音助手——天猫精灵。

胡俊锋，花名崮徳，蓝牙BLE&mesh方面的资深专家，曾负责设计功能手机、智能手机以及物联网通信模块（2G/3G Module），主导设计了GPS追踪器、平板电脑等智能硬件，以及智能防丢器、智能钱包、智能行李牌等30多个产品，累计提交了20多项的物联网专利。现在阿里巴巴人工智能实验室负责AIoT总体架构设计，是蓝牙mesh从0到1落地天猫精灵开放平台的负责人，打造了一条IoTConnect Kit赋能产业链。

自蓝牙mesh作为新一代的连接技术被推出以来，我们一直在密切跟进这项技术并不断完善其协议，阿里巴巴作为SIG国际蓝牙组织智能家居专项组主席，经过不断的实践与努力，推出了开源的自研蓝牙mesh协议栈，还建立起越来越强大的蓝牙mesh生态。阿里巴巴物联网操作系统AliOS Things所具备的蓝牙功能，正在服务于诸多蓝牙网关厂商。我们相信，通过对蓝牙mesh等连接技术更好的理解与使用，我们终将实现万物连接，从而走向万物智联。
库伟
阿里巴巴集团 副总裁

我应阿里各位员工的盛情邀请为这本书作序，深感荣幸，收到书稿当夜就一口气从头读到尾。本书用大量的篇幅对蓝牙mesh的整个设计理念及协议层级进行了讲解，对于想要快速了解蓝牙mesh的开发者来说应该是优选的读物。更可贵的是，书中还结合天猫精灵产品给出了有针对性的实例，真正让开发者看到蓝牙mesh是如何从标准落地到产品的。希望本书能帮助更多的蓝牙开发者了解蓝牙mesh技术，并投入蓝牙mesh产品开发中来。
金海鹏 博士
泰凌微电子 共同创始人/COO

第 1 章 蓝牙 mesh 介绍 / 1

1.1 蓝牙技术简介 / 1

1.2 蓝牙 mesh 的基本概念 / 3

第 2 章 蓝牙 mesh 协议 / 11

2.1 承载层 / 12

2.2 网络层 / 13

2.4 上层传输层 / 26

2.5 访问层 / 30

2.6 基础模型层 / 35

第 3 章 蓝牙 mesh 广播 / 41

3.1 管理型网络洪泛 / 41

3.2 蓝牙 mesh 广播的数据格式 / 43

第 4 章 蓝牙 mesh 配网 / 48

4.1 蓝牙 mesh 配网概述 / 48

4.2 蓝牙 mesh 配网协议 / 49

4.3 蓝牙 mesh 配网流程 / 52

4.4 低功耗蓝牙设备配网 / 63

第 5 章 蓝牙 mesh 安全 / 67

5.1 IoT 设备的安全威胁 / 67

5.2 蓝牙 mesh 的安全策略 / 68

5.3 蓝牙 mesh 安全规范 / 70

第 6 章 蓝牙 mesh 模型 / 81

6.1 基础模型 / 81

6.2 通用模型 / 89

6.3 Lighting Server模型 / 93

第7 章 蓝牙mesh低功耗 / 113

7.1 标准蓝牙mesh低功耗 / 113

7.2 精灵低功耗 / 118

第 8 章 蓝牙mesh落地方案浅析 / 121

8.1 蓝牙mesh在智能音箱上的应用 / 121

8.2 蓝牙mesh软件框架简介 / 124

8.3 一种 ADVBearer在Android上的实现 / 126

第 9 章 天猫精灵IoT开放平台 / 129

9.1 天猫精灵IoT开放平台介绍 / 129

9.2 如何创建一个产品 / 130

9.3 调试中心 / 139

9.4 产品量产 / 144

9.5 蓝牙 mesh 协议定制 / 146

9.6 蓝牙 mesh 扩展协议 / 151

9.7 蓝牙 mesh 灯泡开发实例 / 159

参考文献 / 167

2014 年 11 月，亚马逊发布 Echo 智能音箱，首次将智能语音交互技术植入音箱中，从而赋予了音箱人工智能的属性，从此，消费者可以和音箱对话，比如“点歌”、“乔布斯是谁”、“开灯”、“关灯”等。2017 年 7 月，阿里巴巴发布天猫精灵 X1，也开始了语音交互探索之旅；2017 年 11 月，天猫精灵销量超过 100 万台，快速突破了一个“极点”，步入发展的快车道；2019 年 1 月 11 日，天猫精灵销量突破 1000 万台，覆盖从 3 岁到 80 岁的用户，带领我们进入 AIoT 时代。AIoT 具有双重意义：连接创造价值、重新定义物和人的关系。讲到这个，就不得不回顾下物和人关系的发展：

• 第 1 阶段，解决人与人之间的沟通和社交需求，比如即时通信工具；

• 第 2 阶段，人主动找物，比如 O2O、共享单车、饿了么等应用；

• 第 3、4 阶段，物与物数据化互联互通、物主动服务人的阶段。

要实现物与物数据化互联互通，首先要确立互联互通标准，这就是通过蓝牙 mesh技术来实现的。物主动服务人实际上是人工智能技术的体现，比如你一回到家，灯就自动亮起来，这就是 AI 算法让灯主动服务人的应用案例，涉及传感器、AI 等技术，是未来的发展趋势。

再回顾一下 AIoT 的发展。

第 1 阶段是智能单品阶段，从 2013 年开始出现大量的智能硬件，比如 Wi-Fi 灯泡、Wi-Fi 插座等，这些智能硬件通过家里的路由器接入云端，用户可以通过手机上的 App远程控制，它们都是一个一个的独立孤岛，不能形成联动的应用场景。另外，Wi-Fi 智能设备的配网方式是 SmartConfig，时间特别长（比如 30s 以上）、操作流程复杂（比如需要在每个智能硬件 App 输入路由器的密码），导致 Wi-Fi 智能设备的激活率超级低，用户体验也特别差。

2017 年进入 AIoT 的第 2 阶段——云云互联阶段，就是某些第三方中立云把各家Wi-Fi 智能设备的云互联互通起来，解决了第 1 阶段的孤岛问题。但是，这个阶段同样没有解决第 1 阶段的 Wi-Fi 配网体验差的问题，而且由于是通过第三方云互联互通的，所以还要解决多个云的账号打通问题（通过 OAuth 协议实现），用户体验也无法提升。 综上所述，AIoT 的第 1 和第 2 阶段可以认为还是 AIoT 的初级阶段。2017 年 7 月，天猫精灵带来了语音交互技术，如果把语音交互技术和 IoT 配网、控制结合起来，是否可以解决 AIoT 第 1、第 2 阶段的用户痛点呢？2018 年 6 月 18 日，正式进入 AIoT 第 3 阶段，也就是语音交互+蓝牙 mesh 直连阶段。这个阶段出现了可以语音配网和控制的蓝牙 mesh 灯泡。举个例子，用户买了一个蓝牙 mesh 灯泡，只要对着天猫精灵说“找队友”，天猫精灵就会找到这个灯泡并自动配网，中间不需要用户任何操作，整个过程只需要 8s，极大提升了配网的用户体验，接下来，用户可以对着天猫精灵说“开灯”，灯就亮了。这就是 AIoT 第 3 阶段——人工智能的真正体现。提到 AIoT 第 3 阶段，就不得不提蓝牙 mesh 直连技术，为了说清楚这个技术，我们来回顾下蓝牙 mesh 的发展历史。

1999 年，蓝牙 SIG 组织发布了蓝牙 1.0 技术，该技术的应用场景就是蓝牙耳机、蓝牙音箱，它们是搭配手机来使用的，相信很多读者都用过这些产品。2010 年，蓝牙SIG 组织发布蓝牙 4.0 技术，该技术除了包含经典蓝牙（耳机、音箱等），还提出了蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy，BLE）技术，这个技术的应用场景是搭配手机使用的蓝牙手环、蓝牙体重秤、蓝牙温湿度传感器等，也就是我们常说的智能硬件。当然这些智能硬件如同 AIoT 第 1 阶段的 Wi-Fi 插座，都是一个一个的孤岛。2017 年 7 月，蓝牙 SIG 组织发布蓝牙 mesh 1.0 技术，该技术就是用来解决智能硬件孤岛问题的，比如灯泡、插座、风扇可以通过蓝牙 mesh 技术自组织为一个网，每个智能设备都是一个“岛屿”，这些“岛屿”通过蓝牙 mesh 技术互联互通，最后通过天猫精灵这个蓝牙网关接入云端，既解决了孤岛问题，又可以远程控制，最后还可以通过天猫精灵语音控制设备和传感器形成场景联动，通过云端学习用户习惯来实现真正的 AIoT。 在本书的读者中，有很多人可能使用过 Zigbee 技术，因此肯定会有一个疑问：为 什么天猫精灵不是支持 Zigbee 的而是支持蓝牙 mesh 的？可以从下面几点找到答案。

• 成本。因为蓝牙 mesh 在 2018 年有 37 亿片的芯片采用量，而 Zigbee 只有几亿的芯片采用量，导致 Zigbee 的成本比蓝牙高。 • 手机支持度。蓝牙 mesh 是手机天生支持的，而 Zigbee 是不支持和手机互联互通的。

• 协议栈的复杂性。Zigbee 使用了路由协议，协议栈更加复杂。

• 是否需要网关支持。天猫精灵天生就是蓝牙 mesh 网关，不需要用户额外购买独立的网关；而 Zigbee 需要用户额外购买一个 Zigbee 的网关。

综上所述，蓝牙 mesh 是更优的选择。

当然，传统企业要把自己的硬件智能化，还有很长的路要走，比如如何使用蓝牙mesh 技术、如何和天猫精灵调试、如何定义设备能力等。阿里巴巴看到了传统企业的这些问题，提出了一套 IoTConnect Kit 解决方案，该方案包含了语音配网&控制、互联互通标准、智能家电规范、SDK、模组、产品、认证体系等一系列提高行业智能化改 造效率的工具包，极大地提高了智能化效率。比如传统灯企使用 IoTConnect Kit 模组库里的蓝牙 mesh 模组，只要 7 天时间就能商业化落地智能灯泡，并且销售给天猫精灵用户，而无须关心诸如语音配网、控制、联动等工作，只要将主要精力放在业务上即可。

IoTConnect Kit 的认证体系是用来保证蓝牙 mesh 模组和产品符合规范，从而提升用户体验的。只要通过阿里巴巴认证的产品，就会被打上天猫精灵 AI 联盟的 Logo。用户看到这个 Logo 就可以放心购买这些产品，并搭配天猫精灵使用。