藍(lán)牙BLE是什么

什么是藍(lán)牙？

藍(lán)牙是一種短距的無線通訊技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。一般將藍(lán)牙3.0之前的BR/EDR藍(lán)牙稱為傳統(tǒng)藍(lán)牙，而將藍(lán)牙4.0規(guī)范下的LE藍(lán)牙稱為低功耗藍(lán)牙。

很多人對藍(lán)牙的認(rèn)識(shí)還很局限于手機(jī)領(lǐng)域，其實(shí)藍(lán)牙的應(yīng)用已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此。過去幾年里，藍(lán)牙的增長量就達(dá)到了80%，當(dāng)然，低功耗藍(lán)牙的出現(xiàn)也起到關(guān)鍵的作用，相信未來藍(lán)牙會(huì)開創(chuàng)一個(gè)可交互的物聯(lián)世界。

標(biāo)準(zhǔn)分類

藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)包括傳統(tǒng)藍(lán)牙模塊部分和低功耗藍(lán)牙模塊部分，是一個(gè)雙模標(biāo)準(zhǔn)。低功耗藍(lán)牙也是建立在傳統(tǒng)藍(lán)牙基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，并區(qū)別于傳統(tǒng)模塊，最大的特點(diǎn)就是成本和功耗降低，應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求比較高。

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

BLE技術(shù)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(shù)據(jù)）或使用完全異步通信的遙控器等其它外設(shè)傳送數(shù)據(jù)。這些設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)量非常少（通常幾個(gè)字節(jié)），而且發(fā)送次數(shù)也很少（例如每秒幾次到每分鐘一次，甚至更少）。

BLE協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)和配置

1、協(xié)議有兩個(gè)部分組成：Controller和Host

2、Profiles和應(yīng)用總是基于GAP和GATT之上

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

4、在網(wǎng)絡(luò)控制器模式中，Host和Controller是在一起運(yùn)行的，但是應(yīng)用和profiles在另外一個(gè)器件上，比如PC或者其他微控制器，可以通過UART，USB進(jìn)行操作

5、在雙芯片模式中，Controller運(yùn)行在一個(gè)控制器，而應(yīng)用層，profiles和Host是運(yùn)行在另外一個(gè)控制器上

BLE設(shè)備連接狀態(tài)流程圖

BLE協(xié)議棧各層功能機(jī)制

低功耗藍(lán)牙體系結(jié)構(gòu)

如上圖所述，要實(shí)現(xiàn)一個(gè)BLE應(yīng)用，首先需要一個(gè)支持BLE射頻的芯片，然后還需要提供一個(gè)與此芯片配套的BLE協(xié)議棧，最后在協(xié)議棧上開發(fā)自己的應(yīng)用?？梢钥闯鯞LE協(xié)議棧是連接芯片和應(yīng)用的橋梁，是實(shí)現(xiàn)整個(gè)BLE應(yīng)用的關(guān)鍵。那BLE協(xié)議棧具體包含哪些功能呢？簡單來說，BLE協(xié)議棧主要用來對你的應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行層層封包，以生成一個(gè)滿足BLE協(xié)議的空中數(shù)據(jù)包，也就是說，把應(yīng)用數(shù)據(jù)包裹在一系列的幀頭（header）和幀尾（tail）中。具體來說，BLE協(xié)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(diào)制解調(diào)方式和方法等。PHY層做得好不好，直接決定整個(gè)BLE芯片的功耗，靈敏度以及selectivity等射頻指標(biāo)。

LL層（Link Layer鏈路層）。LL層是整個(gè)BLE協(xié)議棧的核心，也是BLE協(xié)議棧的難點(diǎn)和重點(diǎn)。像Nordic的BLE協(xié)議棧能同時(shí)支持20個(gè)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(gè)射頻通道進(jìn)行通信，怎么識(shí)別空中數(shù)據(jù)包，具體在哪個(gè)時(shí)間點(diǎn)把數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，怎么保證數(shù)據(jù)的完整性，ACK如何接收，如何進(jìn)行重傳，以及如何對鏈路進(jìn)行管理和控制等等。LL層只負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)發(fā)出去或者收回來，對數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)BLE協(xié)議棧的場合，用來規(guī)范兩者之間的通信協(xié)議和通信命令等。

GAP層（Generic access profile）。GAP是對LL層payload（有效數(shù)據(jù)包）如何進(jìn)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(jìn)行一些規(guī)范和定義，因此GAP能實(shí)現(xiàn)的功能極其有限。GAP目前主要用來進(jìn)行廣播，掃描和發(fā)起連接等。

L2CAP層（Logic link control and adaptation protocol）。L2CAP對LL進(jìn)行了一次簡單封裝，LL只關(guān)心傳輸?shù)臄?shù)據(jù)本身，L2CAP就要區(qū)分是加密通道還是普通通道，同時(shí)還要對連接間隔進(jìn)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(shí)不影響用戶的體驗(yàn)，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(shù)據(jù)，比如讀取某個(gè)數(shù)據(jù)或者寫某個(gè)數(shù)據(jù)。BLE協(xié)議棧中，開發(fā)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(shù)據(jù)。Attribute除了定義數(shù)據(jù)，同時(shí)定義該數(shù)據(jù)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(guī)范attribute中的數(shù)據(jù)內(nèi)容，并運(yùn)用group（分組）的概念對attribute進(jìn)行分類管理。沒有GATT，BLE協(xié)議棧也能跑，但互聯(lián)互通就會(huì)出問題，也正是因?yàn)橛辛薌ATT和各種各樣的應(yīng)用profile，BLE擺脫了ZigBee等無線協(xié)議的兼容性困境，成了出貨量最大的2.4G無線通信產(chǎn)品。

BLE藍(lán)牙模塊主要應(yīng)用領(lǐng)域

1、移動(dòng)擴(kuò)展設(shè)備

2、汽車電子設(shè)備

3、健康醫(yī)療用品：心跳帶、血壓計(jì)等

4、定位應(yīng)用：室內(nèi)定位、井下定位等

5、近距離數(shù)據(jù)采集：無線抄表、無線遙測等

6、數(shù)據(jù)傳輸：智能家居室內(nèi)控制、藍(lán)牙調(diào)光、打印機(jī)等

BLE協(xié)議棧詳解

協(xié)議概述

所謂協(xié)議，即將指定的字節(jié)按照一定的順序排列起來，以便他人使用自己的設(shè)備時(shí)，能通過該協(xié)議同其他設(shè)備進(jìn)行通信。協(xié)議一特點(diǎn)，就是有固定的幀格式，通過該格式發(fā)送，接收者通過解讀幀格式，進(jìn)而得到新息內(nèi)容；

BLE連接過程

一般通信協(xié)議，一類通信是直接發(fā)生數(shù)據(jù)，當(dāng)設(shè)備接送到數(shù)據(jù)時(shí)，直接對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，當(dāng)接受到的數(shù)據(jù)合法時(shí)，即為有效數(shù)據(jù)，該類型的通信協(xié)議，主要用在有線通信協(xié)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(xié)議，則需要新建立連接，當(dāng)雙方連接建立成功了方可通信，例如TCP、BLE；BLE協(xié)議在需要進(jìn)行通信時(shí)，即需要向外發(fā)送廣播信號(hào)，告訴接收者，即將和它進(jìn)行通信，接受者接收到廣播內(nèi)容后，確認(rèn)是與自己通信，于是向廣播者發(fā)送一響應(yīng)信息，這樣當(dāng)廣播者和接受者都有了對方的身份信息時(shí)，即表示雙方連接成功。
因此，在連接過程中，必定有相應(yīng)的廣播幀格式。在BLE通信過程中，假設(shè)設(shè)備A需要連其他設(shè)備假設(shè)為B，則A需要不斷地發(fā)送廣播信號(hào)（此過程一般有一個(gè)時(shí)間間隔，在沒發(fā)送廣播數(shù)據(jù)時(shí)間內(nèi)，芯片處于低功耗狀態(tài)），每發(fā)送一次廣播包，稱之為一次廣播事件。

廣播幀格式

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

發(fā)送地址類型：
0：公共地址
1：隨機(jī)地址
長度：廣播報(bào)文的長度域包含8個(gè)比特，有效值的范圍是6~37
數(shù)據(jù)：廣播者地址(6個(gè)字節(jié))+廣播數(shù)據(jù)（31個(gè)字節(jié)）
校驗(yàn)：3個(gè)字節(jié)，為CRC校驗(yàn)。
廣播數(shù)據(jù)：分為有效數(shù)據(jù)和無效數(shù)據(jù)

有效數(shù)據(jù)部分：
包含N個(gè)AD Structure，每個(gè)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(shù)據(jù)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(shè)備B不斷發(fā)送廣播信號(hào)給手機(jī)（Observer），如果手機(jī)不開啟掃描窗口，手機(jī)是收不到設(shè)備B的廣播的，如下圖所示，不僅手機(jī)要開啟射頻接收窗口，而且只有手機(jī)的射頻接收窗口跟廣播發(fā)送的發(fā)射窗口匹配成功，而且廣播射頻通道和手機(jī)掃描射頻通道是同一個(gè)通道，手機(jī)才能收到設(shè)備B的廣播信號(hào)。也就是說，如果設(shè)備B在37通道發(fā)送廣播包，而手機(jī)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(jìn)行通信的。由于這種匹配成功是一個(gè)概率事件，因此手機(jī)掃到設(shè)備B也是一個(gè)概率事件，也就是說，手機(jī)有時(shí)會(huì)很快掃到設(shè)備B，比如只需要一個(gè)廣播事件，手機(jī)有時(shí)又會(huì)很慢才能掃到設(shè)備B，比如需要10個(gè)廣播事件甚至更多。

2. 建立連接（connection establishment）

根據(jù)藍(lán)牙spec規(guī)定，advertiser發(fā)送完一個(gè)廣播包之后150us（T_IFS），advertiser必須開啟一段時(shí)間的射頻Rx窗口，以接收來自observer的數(shù)據(jù)包。Observer就可以在這段時(shí)間里給advertiser發(fā)送連接請求。如下圖所示，手機(jī)在第三個(gè)廣播事件的時(shí)候掃到了設(shè)備B，并發(fā)出了連接請求CONN_REQ(CONN_REQ又稱為CONNECT_IND)。

注：圖中M代表手機(jī)，S代表設(shè)備B，M->S表示手機(jī)將數(shù)據(jù)包發(fā)給設(shè)備B，即手機(jī)開啟Tx窗口，設(shè)備B開啟Rx窗口；S->M正好相反，表示設(shè)備B將數(shù)據(jù)包發(fā)給手機(jī)，即設(shè)備B開啟Tx窗口，手機(jī)開啟Rx窗口。

如圖所示，手機(jī)在收到A1廣播包ADV_IND后，以此為初始錨點(diǎn)（這個(gè)錨點(diǎn)不是連接的錨點(diǎn)），T_IFS時(shí)間后給Advertiser發(fā)送一個(gè)connection request命令，即A2數(shù)據(jù)包，告訴advertiser我將要過來連你，請做好準(zhǔn)備。Advertiser根據(jù)connect_req命令信息做好接收準(zhǔn)備，connect_req包含如下關(guān)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(shù)據(jù)包完整定義如下所示

connect_req其實(shí)是在告訴advertiser，手機(jī)將在Transmit Window期間發(fā)送第一個(gè)同步包（P1）給你，請?jiān)谶@段時(shí)間里把你的射頻接收窗口打開。設(shè)備B收到P1后，T_IFS時(shí)間后將給手機(jī)回復(fù)數(shù)據(jù)包P2（ACK包）。一旦手機(jī)收到數(shù)據(jù)包P2，連接即可認(rèn)為建立成功。當(dāng)然，實(shí)際情況會(huì)比較復(fù)雜，手機(jī)有可能收不到P2，這個(gè)時(shí)候手機(jī)將持續(xù)發(fā)送同步包直到超時(shí)時(shí)間（supervision timeout）到，在此期間只要設(shè)備B回過一次ACK包，連接即算成功。所以一旦P1包發(fā)出，主機(jī)（手機(jī)）即認(rèn)為連接成功，而不管有沒有收到設(shè)備的ACK包。這也是為什么在Android或者iOS系統(tǒng)中，應(yīng)用經(jīng)常收到連接成功的回調(diào)事件（該回調(diào)事件就是基于P1包有沒有發(fā)出，只要P1包發(fā)出，手機(jī)即認(rèn)為連接成功，而不管有沒有收到設(shè)備的ACK包），但實(shí)際上手機(jī)和設(shè)備并沒有成功建立連接。后續(xù)手機(jī)將以P1為錨點(diǎn)（原點(diǎn)），Connection Interval為周期，周期性地給設(shè)備B發(fā)送數(shù)據(jù)包（Packet），Packet除了充當(dāng)數(shù)據(jù)傳送功能，它還有如下兩個(gè)非常重要的功能：

同步手機(jī)和設(shè)備的時(shí)鐘，也就是說，設(shè)備每收到手機(jī)發(fā)來的一個(gè)包，都會(huì)把自己的時(shí)序原點(diǎn)重新設(shè)置，以跟手機(jī)同步。

告訴設(shè)備你現(xiàn)在可以傳數(shù)據(jù)給我了。連接成功后，BLE通信將變成主從模式，因此把連接發(fā)起者（手機(jī)）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?yàn)镾lave不能“隨性”給Master發(fā)信息，它只有等到Master給它發(fā)了一個(gè)packet后，然后才能在規(guī)定的時(shí)間把自己的數(shù)據(jù)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(fā)過來的P1，那么連接將會(huì)失敗。此時(shí)應(yīng)該排查master那邊的問題，看看master為什么沒有在約定的時(shí)間把P1發(fā)出來。

如果master在transmit window期間把P1發(fā)出來了，也就是說master按照connect_req約定的時(shí)序把P1發(fā)出來了，但slave沒有把P2回過去或者沒有在超時(shí)時(shí)間內(nèi)把P2回過去，那么連接也會(huì)失敗。此時(shí)應(yīng)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(fā)出來了，slave也把P2回過去了，此時(shí)主機(jī)或者從機(jī)還是報(bào)連接失敗，這種情況有可能是軟件有問題，需要仔細(xì)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(shí)應(yīng)該找一個(gè)干凈的環(huán)境，比如屏蔽室，排除干擾后再去測試連接是否正常。

數(shù)據(jù)幀格式

連接成功后，雙方將可以互相發(fā)送數(shù)據(jù)，那么將涉及到其數(shù)據(jù)幀格式：

字段釋義：
LLID：表示此包數(shù)據(jù)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(xiàng)。
MD：這個(gè)標(biāo)志位是用來通知對方設(shè)備自己還有其他數(shù)據(jù)準(zhǔn)備發(fā)送。0 表示沒有更多數(shù)據(jù)發(fā)送， 1 表示有更多數(shù)據(jù)準(zhǔn)備發(fā)送。這樣，只要還有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，連接事件會(huì)自動(dòng)擴(kuò)展。一旦不再有數(shù)據(jù)發(fā)送，連接事件立即關(guān)閉。

Note：如何區(qū)分是確定包、新包還是重發(fā)包？
SN：只有一個(gè) bit 位，所以值是在 0 和 1 之間進(jìn)行切換。如果序列號(hào)與之前的一樣，則為重傳報(bào)文，如果序列號(hào)和之間的不同，則為新報(bào)文。
NESN：預(yù)期序列號(hào)，它是接收方希望接到的下一包的序列號(hào)，也就是數(shù)據(jù)包的確認(rèn)標(biāo)志。當(dāng)設(shè)備接收到序列（SN）為 0 的報(bào)文后，在發(fā)送給對方的數(shù)據(jù)包中，應(yīng)將 NESN 設(shè)為 1，這樣對方接收到這個(gè)包后，會(huì)發(fā)送一個(gè)新的數(shù)據(jù)包過來，否則就會(huì)重發(fā)上一次序列號(hào)為 0 的包。這個(gè)標(biāo)志可以用來判斷數(shù)據(jù)包是否被正確接收還是需要重傳。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：“藍(lán)牙”技術(shù)專題周2 - 藍(lán)牙BLE詳解

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