利用蓝牙Mesh技术实现自动化紧急照明检测

本人在Nordic Semiconductor公司进行暑假实习时参与了一个技术项目，主旨是在实际环境中应用蓝牙网状网络(Bluetooth® Mesh)技术。该项目致力于提高商业大楼中的紧急照明检测效率。基于以下几个原因，检测这些紧急照明装置的传统方法既耗时又昂贵，工作人员必须对每一个灯具进行人工检查，而在设置灯具数量众多的大型建筑物中，这个工作过程变得更加艰巨。这里涉及验证每个灯具的功能是否符合安全标准，通常涉及难以触及的位置，并且与多个维护团队进行协调。这类人工检查的方式还会影响建筑大楼的日常运营，导致额外的间接费用。检测和维护需要专门的人员和设备，从而进一步增加了开支。我将所有这些难题纳入考虑范围，设计出利用蓝牙Mesh技术的自动化解决方案原型。

在本文中，我将详细介绍所解决的问题，说明解决方案的设计过程，以及蓝牙Mesh的实施步骤。尽管我的Mesh网络技术工作背景有限，但我的目标是快速建立一个可用产品。我在本文中探讨了所解决的具体问题，强调蓝牙Mesh技术对于此项用途的适合性。我希望这有助于鼓励您使用蓝牙Mesh技术和nRF Connect SDK来进行探索和解决新的难题。

导言

最近网络照明控制(NLC)配置文件发布，蓝牙Mesh势必成为照明产业最受欢迎的技术。鉴于安装便利，标准化功能集，以及在主电源断电以电池供电情况下的功耗极低，蓝牙Mesh成为了紧急照明设备的理想选择。因此，我们在构思项目想法时，便直觉地决定以蓝牙Mesh技术为核心。研究过不同的选择方案并接受主管的建议指导后，我们选择专注于实际的应用：满足公共建筑的特定安全需求。

使用案例

公共建筑必须满足某些安全标准[1]，其中之一涉及到配备电池供电的紧急照明设备，能够在停电时启动以引导人们离开建筑物。这些照明设备必须定期维护，以确保它们在规定的时间内(通常是两个小时)正常发挥作用。虽然一些新式建筑具备自动检测系统，但这些系统的设置通常比较复杂，需要在施工期间进行整合或进行费用昂贵的改造。目前大多数建筑需要手动切断照明设备的电源，并且在两个小时后由合格的电工人员来检测设备功能，这种方法既耗费时间又效率低下，因为要测试每个灯具是十分困难的，通常只检查最容易接触到的照明设备。因而，我思考是否可以开发出一种简单的、经济实惠的、符合法规标准，并可以在旧建筑中实施的安全替代方案。

以一万平方米办公室为例，这相当于294个紧急照明灯泡配置。如果采用人工检测方式，一个人需要工作大约16个小时[2]，这里便能显着看出自动化系统的潜在优势：每年可以节省检测人力，降低灯泡更换成本，并且通过次数更多的检测来增强安全性，而没有额外的工作负担或成本。在清楚了解眼前的问题后，我们继续讨论实现这一目标的必要条件。

必要条件

这个项目需要满足总体项目目标和具体用户需求。总体目标涵盖简便性、经济性和安全性，具体用户需求则着重于检测功能、响应速度、集中管理以及通过附加功能扩展系统的能力。

这个项目的要求涵盖了易用性、成本效益和安全基准。而且，该系统还必须足够灵活以便轻松整合到现有的结构中，而不受特定网络设置的制约。考虑到紧急照明灯的亮度会根据使用情况而变化，系统需要具有为检测故障设定阀值的机制。总结来说，检测系统的严格限制条件如下：

1. 成本效益
2. 可靠性
3. 易用性
4. 可扩展性
5. 安全性

为何选择蓝牙Mesh？

顾名思义，蓝牙Mesh采用网状网络架构，这项技术的设定可实现多对多的通信网络，使得成千上万的蓝牙功能设备能够彼此互通，其核心功能之一是内置的安全性，完全符合项目的要求。而且，蓝牙通信技术在市面上相当普及，全球范围大多数智能手机都支持蓝牙功能。得益于蓝牙功能的普遍性，再加上Mesh网络本身拥有的可扩展性，因而蓝牙Mesh成为开发原型时的理想选择。

蓝牙Mesh的另一项显着特点是使用三个主要广告信道，这些信道提供系统冗余，确保网络即使在无线电通信繁忙的环境中也能有效运作。

如果您有兴趣了解更多有关蓝牙Mesh的详细信息，请参阅 蓝牙Mesh。

产品开发

在深入研究产品开发的具体细节时，我认识到每一个紧急照明设备都需要具备以下关键功能：启动检测功能、纪录检测数据，并将这些数据传输到中央装置以供用户分析。因此，我创建了客户端控制器(也就是Hub)，用于管理用户输入、与照明检测仪(服务器)进行通信，并接收数据和显示结果。这个系统主要由两个部分组成：Hub和照明检测仪。根据设想，照明检测仪是将芯片、传感器和继电器内置于照明灯具内的单一产品。

考虑到紧急照明灯具之间的安装距离，Mesh网络的设计可确保位置较近的灯具之间进行高效的数据传输。

紧急照明检测仪

这个组件直接位于紧急照明灯具内，并连接到两个外部组件：一个是用于评测灯泡亮度的亮度传感器，另一个是用于将灯泡切换到电池供电的继电器。图1显示紧急照明检测仪与光源和传感器之间的基本连接电路图。

图1：紧急照明检测仪与继电器和亮度传感器连接的基本电路图

下一个阶段是为照明检测仪定义通信协议，需要能够在接收到命令后启动检测操作，向Hub报告启动以避免用户等待，并且将检测结果传回Hub。为了增强用户体验，我们在照明检测仪上增加了储存和检索测试纪录的功能。这项功能在Hub断电或断开连接时特别有用，因为无需重新进行检测。此外，照明检测仪可以向Hub报告当前的传感器数值，以协助诊断。

下一步是决定照明检测仪必须发送或需要处理哪些信息，它必需具有启动检测的能力，这是从其他地方接收到的信息，所以需要进行处理，还需要向客户端回复检测结果。而且，照明检测仪还需要能够确认检测已经开始，否则用户将等待数小时却得不到任何回应，而这与实现良好用户体验的目标背道而驰。现在，这一切已经满足了最基本的必要条件，但为了更加方便，我们增添了一项在服务器上储存结果纪录以供检索的功能。如果客户端断电或因某种原因断开连接，这项功能大有帮助，如此一来用户就不必重做检测，而且可以检索检测的纪录。最后，客户端可以检索传感器的当前数值，这样就可以检查传感器是否出现问题。

Hub

Hub作为主要的用户接口，需要存取照明检测仪发送的数据。它必须能够启动检测，请求检测纪录和检索传感器数值。此外，它还导入了一项验证是否正在进行检测的功能，尤其是在错过初始确认的情况发生时。考虑到紧急照明装置的亮度各不相同，我增加了用于调整照明检测仪阀值的校准功能。

校准服务

为了保持系统的完整性，将校准工作分配给单独的Mesh模型，即校准服务。这项设计可以控制接入，防止某些客户端进行未经授权的校准操作。校准服务处理Hub发出的校准请求，并以「OK」信息确认校准成功。

最终设计如图2所示，每个组件都经由Mesh进行通信，模型的信息处理机制(handler)负责管理信息和特定功能，就像Hub中的检测功能和照明检测仪中的UART读取器。Hub与用户接口负责进行外部通信，而紧急照明检测仪则负责读取传感器数值。

图2：系统框图

信息通信表

下表概述Hub、紧急照明检测仪和校准服务之间的信息交换，指示由哪个组件发送(TX)或接收(RX)每种类型的信息。

图3显示了这些紧急照明组成的小型网络全貌，说明了照明灯具之间的通信及其与Hub的连接。图中详细介绍了照明灯具内的每个组件，以及系统中信息的发送和接收过程。校准服务和紧急检测仪描述成两个独立的组件，但实际上它们集成在一个芯片中。由于每个照明灯具都具转发功能，因此无需直接接触即可与用户接口进行通信。

图3：照明灯具网络的基本全貌

软件解决方案

在开发这个系统时，我首先使用nRF Connect SDK中的现有模板，特别是Bluetooth Mesh: Chat模板，因为它是符合项目中Mesh网络必要条件的供应商模型。这个项目需要三个模型：服务器、照明监控客户端，以及校准服务器。紧急照明灯具在同一个装置上使用校准服务器和照明监控服务器，因此只需要两个应用程序文件：light_monitor_srv(紧急照明灯具)和light_monitor_cli(Hub)。

开发步骤如下：

1. 重新命名文件名
2. 修改vendor_model_id
3. 修改模型定义
4. 执行必要的信息
5. 为每项信息开发信息处理机制(handler)
6. 整合光测量传感器
7. 新增进行用户互动的壳层(shell)模块支持
8. 实施碰撞处理
9. 建立简单的前端以提供与系统互动的简单方式

从chat模板开始作为基础，我可以跳过项目中耗费时间的初始设定阶段，直接投入开发工作。此外，该模板管理壳层接口(shell interface)的方法提供了宝贵的见解，这对于我开始将壳层功能整合到项目中特别有帮助。在有时间限制考虑时，这一点对于快速启动项目非常重要。

未来的工作

这个项目是暑期设计的原型，尚有很大的改进空间。未来的改进之处可包括与现有系统的整合，以实现集中控制、移动设备的可操作性，以及改进前端部分。在量产版本中，紧急照明灯可作为单独的产品或现有灯具的附加组件，与集成的传感器和芯片一起生产。通过报告生成和警报功能使得系统进一步自动化，可以大大减少人工监控。所有这些都是为了创建相比现有系统更简单易用的系统。

结论

本文实例说明使用nRF Connect SDK进行快速蓝牙Mesh技术项目开发的简便性和可用性。在大约七周内，我将一个概念发展到功能齐全的原型，充分展示了此类解决方案为各种重视可靠性、安全性和可扩展性的应用带来的开发潜力。我鼓励您亲自构建系统，并分享所遇到的问题或意见。

参考数据

[1] https://www.regjeringen.no/contentassets/20503ddfe0664fac9e2185c1a6c80716/veiledning-til-byggteknisk-forskrift-tek17_01_07_2017.pdf

[2] https://www.tu.no/artikler/for-darlig-test-av-nodlys/270580

** 原文请参考Nordic Semiconductor博客Automated emergency light testing through Bluetooth Mesh