什么是藍牙？

藍牙是一種短距的無線通訊技術，可實現固定設備、移動設備之間的數據交換。一般將藍牙3.0之前的BR/EDR藍牙稱為傳統藍牙，而將藍牙4.0規范下的LE藍牙稱為低功耗藍牙。

很多人對藍牙的認識還很局限于手機領域，其實藍牙的應用已經遠遠不止于此。過去幾年里，藍牙的增長量就達到了80%，當然，低功耗藍牙的出現也起到關鍵的作用，相信未來藍牙會開創一個可交互的物聯世界。

標準分類

藍牙4.0標準包括傳統藍牙模塊部分和低功耗藍牙模塊部分，是一個雙模標準。低功耗藍牙也是建立在傳統藍牙基礎之上發展起來的，并區別于傳統模塊，最大的特點就是成本和功耗降低，應用于實時性要求比較高。

BLE（Bluetooh Low Energy）藍牙低能耗技術是短距離、低成本、可互操作性的無線技術，它利用許多智能手段最大限度地降低功耗。

BLE技術的工作模式非常適合用于從微型無線傳感器（每半秒交換一次數據）或使用完全異步通信的遙控器等其它外設傳送數據。這些設備發送的數據量非常少（通常幾個字節），而且發送次數也很少（例如每秒幾次到每分鐘一次，甚至更少）。

BLE協議棧的結構和配置

1、協議有兩個部分組成：Controller和Host

2、Profiles和應用總是基于GAP和GATT之上

3、在單芯片方案中，Controller和Host，profiles，和應用層都在同一片芯片中

4、在網絡控制器模式中，Host和Controller是在一起運行的，但是應用和profiles在另外一個器件上，比如PC或者其他微控制器，可以通過UART，USB進行操作

5、在雙芯片模式中，Controller運行在一個控制器，而應用層，profiles和Host是運行在另外一個控制器上

BLE設備連接狀態流程圖

BLE協議棧各層功能機制

低功耗藍牙體系結構

如上圖所述，要實現一個BLE應用，首先需要一個支持BLE射頻的芯片，然后還需要提供一個與此芯片配套的BLE協議棧，最后在協議棧上開發自己的應用?？梢钥闯鯞LE協議棧是連接芯片和應用的橋梁，是實現整個BLE應用的關鍵。那BLE協議棧具體包含哪些功能呢？簡單來說，BLE協議棧主要用來對你的應用數據進行層層封包，以生成一個滿足BLE協議的空中數據包，也就是說，把應用數據包裹在一系列的幀頭（header）和幀尾（tail）中。具體來說，BLE協議棧主要由如下幾部分組成：

PHY層（Physical layer物理層）。PHY層用來指定BLE所用的無線頻段，調制解調方式和方法等。PHY層做得好不好，直接決定整個BLE芯片的功耗，靈敏度以及selectivity等射頻指標。

LL層（Link Layer鏈路層）。LL層是整個BLE協議棧的核心，也是BLE協議棧的難點和重點。像Nordic的BLE協議棧能同時支持20個link（連接），就是LL層的功勞。LL層要做的事情非常多，比如具體選擇哪個射頻通道進行通信，怎么識別空中數據包，具體在哪個時間點把數據包發送出去，怎么保證數據的完整性，ACK如何接收，如何進行重傳，以及如何對鏈路進行管理和控制等等。LL層只負責把數據發出去或者收回來，對數據進行怎樣的解析則交給上面的GAP或者ATT。

HCI（Host controller interface）。HCI是可選的，HCI主要用于2顆芯片實現BLE協議棧的場合，用來規范兩者之間的通信協議和通信命令等。

GAP層（Generic access profile）。GAP是對LL層payload（有效數據包）如何進行解析的兩種方式中的一種，而且是最簡單的那一種。GAP簡單的對LL payload進行一些規范和定義，因此GAP能實現的功能極其有限。GAP目前主要用來進行廣播，掃描和發起連接等。

L2CAP層（Logic link control and adaptation protocol）。L2CAP對LL進行了一次簡單封裝，LL只關心傳輸的數據本身，L2CAP就要區分是加密通道還是普通通道，同時還要對連接間隔進行管理。

SMP（Secure manager protocol）。SMP用來管理BLE連接的加密和安全的，如何保證連接的安全性，同時不影響用戶的體驗，這些都是SMP要考慮的工作。

ATT（Attribute protocol）。簡單來說，ATT層用來定義用戶命令及命令操作的數據，比如讀取某個數據或者寫某個數據。BLE協議棧中，開發者接觸最多的就是ATT。BLE引入了attribute概念，用來描述一條一條的數據。Attribute除了定義數據，同時定義該數據可以使用的ATT命令，因此這一層被稱為ATT層。

GATT（Generic attribute profile ）。GATT用來規范attribute中的數據內容，并運用group（分組）的概念對attribute進行分類管理。沒有GATT，BLE協議棧也能跑，但互聯互通就會出問題，也正是因為有了GATT和各種各樣的應用profile，BLE擺脫了ZigBee等無線協議的兼容性困境，成了出貨量最大的2.4G無線通信產品。

BLE藍牙模塊主要應用領域

1、移動擴展設備

2、汽車電子設備

3、健康醫療用品：心跳帶、血壓計等

4、定位應用：室內定位、井下定位等

5、近距離數據采集：無線抄表、無線遙測等

6、數據傳輸：智能家居室內控制、藍牙調光、打印機等

BLE協議棧詳解

協議概述

所謂協議，即將指定的字節按照一定的順序排列起來，以便他人使用自己的設備時，能通過該協議同其他設備進行通信。協議一特點，就是有固定的幀格式，通過該格式發送，接收者通過解讀幀格式，進而得到新息內容；

BLE連接過程

一般通信協議，一類通信是直接發生數據，當設備接送到數據時，直接對數據進行解析，當接受到的數據合法時，即為有效數據，該類型的通信協議，主要用在有線通信協議中，比如Modbus，Can通常采用的即為該類型的通信方式。
另一類通信協議，則需要新建立連接，當雙方連接建立成功了方可通信，例如TCP、BLE；BLE協議在需要進行通信時，即需要向外發送廣播信號，告訴接收者，即將和它進行通信，接受者接收到廣播內容后，確認是與自己通信，于是向廣播者發送一響應信息，這樣當廣播者和接受者都有了對方的身份信息時，即表示雙方連接成功。
因此，在連接過程中，必定有相應的廣播幀格式。在BLE通信過程中，假設設備A需要連其他設備假設為B，則A需要不斷地發送廣播信號（此過程一般有一個時間間隔，在沒發送廣播數據時間內，芯片處于低功耗狀態），每發送一次廣播包，稱之為一次廣播事件。

廣播幀格式

前導：
是一個8比特的交替序列
接入地址的第一個比特為0：01010101
接入地址的第一個比特為1：10101010
接入地址：廣播幀為固定地址：0x8E89BED6（低字節在前）
廣播報文的報頭：
包含4bit廣播報文類型、2bit保留位、1bit發送地址類型和1bit接收地址類型。
廣播報文類型:

發送地址類型：
0：公共地址
1：隨機地址
長度：廣播報文的長度域包含8個比特，有效值的范圍是6~37
數據：廣播者地址(6個字節)+廣播數據（31個字節）
校驗：3個字節，為CRC校驗。
廣播數據：分為有效數據和無效數據

有效數據部分：
包含N個AD Structure，每個AD Structure由Length，AD Type和AD Data組成。其中：
Length：AD Type和AD Data的長度。
ADType：指示AD Data數據的含義。詳見https://www.bluetooth.com/specifications/assigned-numbers/generic-access-profile/

BLE連接建立過程

1. BLE廣播與掃描

設備B不斷發送廣播信號給手機（Observer），如果手機不開啟掃描窗口，手機是收不到設備B的廣播的，如下圖所示，不僅手機要開啟射頻接收窗口，而且只有手機的射頻接收窗口跟廣播發送的發射窗口匹配成功，而且廣播射頻通道和手機掃描射頻通道是同一個通道，手機才能收到設備B的廣播信號。也就是說，如果設備B在37通道發送廣播包，而手機在掃描38通道，那么即使他們倆的射頻窗口匹配，兩者也是無法進行通信的。由于這種匹配成功是一個概率事件，因此手機掃到設備B也是一個概率事件，也就是說，手機有時會很快掃到設備B，比如只需要一個廣播事件，手機有時又會很慢才能掃到設備B，比如需要10個廣播事件甚至更多。

2. 建立連接（connection establishment）

根據藍牙spec規定，advertiser發送完一個廣播包之后150us（T_IFS），advertiser必須開啟一段時間的射頻Rx窗口，以接收來自observer的數據包。Observer就可以在這段時間里給advertiser發送連接請求。如下圖所示，手機在第三個廣播事件的時候掃到了設備B，并發出了連接請求CONN_REQ(CONN_REQ又稱為CONNECT_IND)。

注：圖中M代表手機，S代表設備B，M->S表示手機將數據包發給設備B，即手機開啟Tx窗口，設備B開啟Rx窗口；S->M正好相反，表示設備B將數據包發給手機，即設備B開啟Tx窗口，手機開啟Rx窗口。

如圖所示，手機在收到A1廣播包ADV_IND后，以此為初始錨點（這個錨點不是連接的錨點），T_IFS時間后給Advertiser發送一個connection request命令，即A2數據包，告訴advertiser我將要過來連你，請做好準備。Advertiser根據connect_req命令信息做好接收準備，connect_req包含如下關鍵信息：

Transmit window offset，定義如上圖示

Transmit window size，定義如上圖所示

connect_req數據包完整定義如下所示

connect_req其實是在告訴advertiser，手機將在Transmit Window期間發送第一個同步包（P1）給你，請在這段時間里把你的射頻接收窗口打開。設備B收到P1后，T_IFS時間后將給手機回復數據包P2（ACK包）。一旦手機收到數據包P2，連接即可認為建立成功。當然，實際情況會比較復雜，手機有可能收不到P2，這個時候手機將持續發送同步包直到超時時間（supervision timeout）到，在此期間只要設備B回過一次ACK包，連接即算成功。所以一旦P1包發出，主機（手機）即認為連接成功，而不管有沒有收到設備的ACK包。這也是為什么在Android或者iOS系統中，應用經常收到連接成功的回調事件（該回調事件就是基于P1包有沒有發出，只要P1包發出，手機即認為連接成功，而不管有沒有收到設備的ACK包），但實際上手機和設備并沒有成功建立連接。后續手機將以P1為錨點（原點），Connection Interval為周期，周期性地給設備B發送數據包（Packet），Packet除了充當數據傳送功能，它還有如下兩個非常重要的功能：

同步手機和設備的時鐘，也就是說，設備每收到手機發來的一個包，都會把自己的時序原點重新設置，以跟手機同步。

告訴設備你現在可以傳數據給我了。連接成功后，BLE通信將變成主從模式，因此把連接發起者（手機）稱為Master或者Central，把被連接者（之前的Advertiser）稱為Slave或者Peripheral。BLE通信之所以為主從模式，是因為Slave不能“隨性”給Master發信息，它只有等到Master給它發了一個packet后，然后才能在規定的時間把自己的數據回傳給Master。

3. 連接失敗

有如下幾種典型的連接失敗情況：

如步驟2圖所示，如果slave在transmit window期間沒有收到master發過來的P1，那么連接將會失敗。此時應該排查master那邊的問題，看看master為什么沒有在約定的時間把P1發出來。

如果master在transmit window期間把P1發出來了，也就是說master按照connect_req約定的時序把P1發出來了，但slave沒有把P2回過去或者沒有在超時時間內把P2回過去，那么連接也會失敗。此時應該排查slave這邊的問題，看一看slave為什么沒有把P2回過去

如果master把P1發出來了，slave也把P2回過去了，此時主機或者從機還是報連接失敗，這種情況有可能是軟件有問題，需要仔細排查master或者slave的軟件。

還有一種比較常見的連接失敗情況：空中射頻干擾太大。此時應該找一個干凈的環境，比如屏蔽室，排除干擾后再去測試連接是否正常。

數據幀格式

連接成功后，雙方將可以互相發送數據，那么將涉及到其數據幀格式：

字段釋義：
LLID：表示此包數據是 LL Date PDU 還是 LL Control PDU
00b: Reserved
01b: LL Date PDU：Continuation fragment of L2CAP message， or an Empty PDU.
10b: LL Date PDU：Start of an L2CAP message or a complete L2CAP message with no fragmentation.
11b: LL Control PDU

MIC（ Message Integrity Check）：信息完整性檢測。涉及到加密操作，上圖中是用虛線表示的，并不是一定要有此項。
MD：這個標志位是用來通知對方設備自己還有其他數據準備發送。0 表示沒有更多數據發送， 1 表示有更多數據準備發送。這樣，只要還有數據需要發送，連接事件會自動擴展。一旦不再有數據發送，連接事件立即關閉。

Note：如何區分是確定包、新包還是重發包？
SN：只有一個 bit 位，所以值是在 0 和 1 之間進行切換。如果序列號與之前的一樣，則為重傳報文，如果序列號和之間的不同，則為新報文。
NESN：預期序列號，它是接收方希望接到的下一包的序列號，也就是數據包的確認標志。當設備接收到序列（SN）為 0 的報文后，在發送給對方的數據包中，應將 NESN 設為 1，這樣對方接收到這個包后，會發送一個新的數據包過來，否則就會重發上一次序列號為 0 的包。這個標志可以用來判斷數據包是否被正確接收還是需要重傳。

責任編輯：xj

原文標題：“藍牙”技術專題周2 - 藍牙BLE詳解

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