低功耗藍(lán)牙在低功耗設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)存在了一段時(shí)間，但目前引起關(guān)注的原因是傳感器的價(jià)格大幅下降以及幾乎無(wú)處不在的連接性。根據(jù) IDC 最近的報(bào)告，全球物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支出將在 2022 年達(dá)到 1.2 噸，在 2017-2022 年的預(yù)測(cè)期內(nèi)實(shí)現(xiàn) 13.6% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率。藍(lán)牙技術(shù)廣泛用于各種智能應(yīng)用中的物聯(lián)網(wǎng)，使用 2400.0 至 2483.5 MHz 的未經(jīng)許可的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 （ISM） 頻段中的短波長(zhǎng)無(wú)線電傳輸進(jìn)行短距離（最長(zhǎng) 100m）的連接。

藍(lán)牙設(shè)備以多種模式從一臺(tái)設(shè)備與另一臺(tái)設(shè)備通信——

- 單播：源向多個(gè)目標(biāo)發(fā)送和接收消息，建立一對(duì)一的設(shè)備通信。

- 廣播：源將消息發(fā)送到多個(gè)目的地，建立一對(duì)多的設(shè)備通信。

- 多播（網(wǎng)格）：建立多對(duì)多設(shè)備通信的多個(gè)源和目標(biāo)。

BLE 由藍(lán)牙特別興趣小組 （SIG） 銷售。藍(lán)牙 SIG 管理認(rèn)證過程，任何使用藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)的產(chǎn)品都需要遵循該過程。所有這些產(chǎn)品都必須通過藍(lán)牙 SIG 認(rèn)證并滿足藍(lán)牙許可協(xié)議和規(guī)范的要求。SIG 擁有如下所示的徽標(biāo)和“藍(lán)牙”一詞。

藍(lán)牙協(xié)議和測(cè)試

BLE 的集成級(jí)測(cè)試涉及廣告數(shù)據(jù)的驗(yàn)證、握手過程（啟動(dòng)通信和協(xié)商傳輸參數(shù)）、連接過程、綁定過程、數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)格式。這可以通過兩種方式實(shí)現(xiàn)：

1. 連接任何作為Master的BLE設(shè)備，驗(yàn)證服務(wù)和數(shù)據(jù)交換

2. 使用 Sniffer 應(yīng)用程序進(jìn)行通信之間的“間諜”

每個(gè)藍(lán)牙設(shè)備都有一個(gè)唯一的 MAC 地址和時(shí)鐘。Master 控制時(shí)鐘和跳頻。

各個(gè)層的源和目標(biāo)扮演著不同的角色，需要對(duì) UUT（被測(cè)單元——一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備作為掃描器，另一個(gè)作為廣告商）進(jìn)行徹底驗(yàn)證，這在本博客中進(jìn)行了討論。以下是每一層的源和目標(biāo)的同義詞：

鏈路層

鏈路層是物理層和 L2CAP 層之間的層。它主要起到廣告、建立連接和發(fā)現(xiàn)服務(wù)的作用。下面的狀態(tài)圖描述了鏈路層的工作流。

待機(jī)：默認(rèn)狀態(tài)

廣告：設(shè)備在三個(gè)廣告通道（其余37個(gè)為數(shù)據(jù)通道）中定期發(fā)送廣告事件，如下圖所示。

掃描

有兩種不同的掃描模式：

- 被動(dòng)掃描——控制器只支持?jǐn)?shù)據(jù)接收，不支持傳輸。

- 主動(dòng)掃描 – 傳輸掃描請(qǐng)求。掃描器發(fā)出 SCAN_REQ 數(shù)據(jù)包，廣告商以 SCAN_RSP 數(shù)據(jù)包響應(yīng)。

發(fā)起

Scanner 根據(jù)廣告數(shù)據(jù)選擇合適的廣告商。如果廣告商發(fā)出連接機(jī)會(huì)的信號(hào)，則掃描器可以向廣告商發(fā)送連接請(qǐng)求。一旦 CONNECT_REQ 數(shù)據(jù)包被發(fā)送，scanner 就會(huì)成為 Initiator。

聯(lián)系

一旦成功建立連接，兩個(gè)設(shè)備都處于“連接”狀態(tài)。發(fā)起者成為主人，廣告者成為奴隸。它們定期交換數(shù)據(jù)包，稱為連接事件（此連接是握手，數(shù)據(jù)交換僅在握手成功后發(fā)生）。BLE 連接維護(hù)一個(gè) Piconet 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中單個(gè)主機(jī)與稱為 pico 的從機(jī)協(xié)調(diào)連接事件。應(yīng)用程序中的數(shù)據(jù)傳輸速率從 200 到 2，100 kbps 不等。

BLE 數(shù)據(jù)包構(gòu)成了鏈路層的基本構(gòu)建塊。BLE數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)格式大致可以分為以下幾種：

BLE 有兩種類型的數(shù)據(jù)包：

? 廣告包——查找并連接到附近的設(shè)備

? 數(shù)據(jù)包——兩個(gè)連接設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸

以下是根據(jù)協(xié)議數(shù)據(jù)單元 （PDU） 的不同廣告數(shù)據(jù)包類型：

按照以下鏈接中的步驟設(shè)置 Nordic BLE Sniffer 和 Wireshark 設(shè)置以進(jìn)行數(shù)據(jù)包捕獲：

nRF_Sniffer_UserGuide_v2.2

以下是可以使用 Wireshark 數(shù)據(jù)包分析器驗(yàn)證的測(cè)試用例：

1. 驗(yàn)證外圍設(shè)備是否發(fā)布廣告明文

2. 驗(yàn)證外設(shè)在廣告和未連接時(shí)的廣告算法。（廣告算法包括廣告事件的數(shù)量和它們之間的持續(xù)時(shí)間）

3. 驗(yàn)證握手過程中外圍設(shè)備的廣告算法

4.驗(yàn)證UUT配對(duì)綁定后的廣告事件

通用訪問配置文件 （GAP）

GAP 定義了設(shè)備角色、廣告模式和綁定程序。安全管理器，GAP 的一部分，可以根據(jù)系統(tǒng)的安全需求進(jìn)行設(shè)計(jì)?！芭鋵?duì)”和“綁定”過程通過 GAP 進(jìn)行控制：

-配對(duì)：

中央和外圍設(shè)備交換加密的密鑰，經(jīng)過身份驗(yàn)證和接受以建立連接。

-粘合：

配對(duì)過程中的信息存儲(chǔ)在設(shè)備上，因此配對(duì)過程不會(huì)重復(fù)，并且只要設(shè)備在附近，就會(huì)建立重新連接。

三種主要的配對(duì)方法是：

1. Just Works – 加密密鑰在中央和外圍設(shè)備之間共享。

2. 密鑰顯示——隨機(jī)密鑰在一臺(tái)設(shè)備上生成，其他需要輸入。

3. 帶外——這支持另一個(gè) BLE 無(wú)線電來(lái)共享密鑰。

使用與上面相同的設(shè)置，以下是可以使用 Wireshark 數(shù)據(jù)包捕獲驗(yàn)證的測(cè)試用例：

1. 在數(shù)據(jù)包級(jí)別驗(yàn)證密鑰交換配對(duì)過程。

2. 驗(yàn)證廣告跳序列。

通用屬性配置文件 （GATT）

藍(lán)牙設(shè)備充當(dāng) GATT 服務(wù)器或客戶端。GATT 標(biāo)識(shí)層次結(jié)構(gòu)以組織服務(wù)和特征等屬性。屬性是分組數(shù)據(jù)和 UUID（通用唯一標(biāo)識(shí)符），因?yàn)?16 字節(jié)分配給每個(gè)屬性。GATT Attribute 的層次結(jié)構(gòu)可以在下圖中理解：

服務(wù)包括完成特定功能所需的數(shù)據(jù)集合。特征包含用戶數(shù)據(jù)。下面的流程圖顯示了客戶端和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)包通信：

按照以下鏈接安裝 nRF Connect Emulator App：

nrFconnect 應(yīng)用程序

以下是可以使用 nRF Connect 應(yīng)用程序驗(yàn)證的測(cè)試用例：

1. 建立連接后驗(yàn)證可用于發(fā)現(xiàn)的服務(wù)。

2. 驗(yàn)證可用的服務(wù)，如設(shè)備信息服務(wù) （UUID 0x180a） 以獲取制造商詳細(xì)信息、硬件、固件和軟件字符串?dāng)?shù)據(jù)、通用訪問配置文件 （UUID 0x01800）、通用屬性配置文件 （UUID 0x1801）。

3. 驗(yàn)證自定義服務(wù)（如下圖所示的未知服務(wù)）是否可用。

4. 驗(yàn)證服務(wù)的特性以及為讀取、寫入等特性啟用的屬性。

5. 使用數(shù)據(jù)讀取和寫入功能驗(yàn)證發(fā)送和接收的定義數(shù)據(jù)。

結(jié)論：

隨著4.0版本支持的低功耗藍(lán)牙（BLE）的出現(xiàn)，由于消費(fèi)市場(chǎng)對(duì)低能耗和低功耗的需求（BLE由Bluetooth SIG發(fā)明并正式化），現(xiàn)在它被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)市場(chǎng)。為了幫助確保在這些新的低功耗設(shè)計(jì)中成功實(shí)施低功耗藍(lán)牙，測(cè)試解決方案必須能夠根據(jù)藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)快速且經(jīng)濟(jì)高效地進(jìn)行必要的測(cè)試。