物联网——3 蓝牙

蓝牙

本文非原创，旨在于学习物联网相关知识。文中内容来自物联网与短距离无线通信技术教材，详情可以参考下面书籍。
董健 编著. 物联网与短距离无线通信技术(第2版).电子工业出版社.2016.9

蓝牙技术概述

1. 蓝牙技术发展
   “蓝牙”(Bluetooth)一词源于十世纪的一位国王Harald Bluetooth的绰号，他将当的瑞典、芬兰、丹麦统一起来，意指将四分五裂的局面统一起来。以此为蓝牙命名的想法最初是Jim Kardach于1997年提出的，意指蓝牙将把通讯协议统一为全球标准。

蓝牙发展：蓝牙特别兴趣小组（SIG）——蓝牙4.0——蓝牙4.1——蓝牙4.2

1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔公司5家著名厂商，在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术，其宗旨是提供一种短距离、低成本的无线传输应用技术。这5家厂商还成立了蓝牙特别兴趣小组（SIG），以使蓝牙技术能够成为未来的无线通信标准。

2010年7月，蓝牙技术联盟（Bluetooth SIG）宣布正式采纳蓝牙4.0核心规范，并启动对应的认证计划。蓝牙4.0是一个三位一体的蓝牙技术，它将传统蓝牙、低功耗蓝牙和高速蓝牙技术合而为一。蓝牙4.0的标志是低功耗蓝牙无线技术规范。蓝牙4.0最重要的特性：功耗低、极低3ms低延迟、100 m以上的超长传输距离、AES-128加密等诸多特色。

2013年12月，蓝牙技术联盟发布了蓝牙4.1。蓝牙4.1主要是为了实现物联网，迎合可穿戴连接，对通信功能的改进。在传输速度的方面，蓝牙4.1在蓝牙4.0的基础上进行升级，使得批量数据可以以更高的速度传输，但这一改进仅仅针对兴起的可穿戴设备，而不可以用蓝牙高速传输流媒体视频。在网络连接方面，蓝牙4.1支持IPv6，使有蓝牙的设备能够通过蓝牙连接到可以上网的设备上，实现Wi-Fi相同的功能。另外，蓝牙4.1支持“多连一”，即用户可以把多款设备连接到一个蓝牙设备上。

2015年1月，蓝牙技术联盟发布蓝牙核心规格Bluetooth 4.2。三大特性是：实现物联网、更安全、更快速。蓝牙4.2的最大改进是支持灵活的互联网连接选项6LowPAN，亦即基于IPv6协议的低功耗无线个人局域网技术。这一技术允许多个蓝牙设备通过一个终端接入互联网或局域网。另一改进表现在隐私方面，现在蓝牙设备只会连接受信任的终端，在与陌生终端连接之前会请求用户许可，这一改进可以避免用户无意间暴露自己的位置或留下自己的记录。在传输性能方面，蓝牙4.2标准将数据传输速度提高了2.5倍，主要由于蓝牙智能数据包的容量相比此前提高了10倍，同时降低传输错误率。

2. 蓝牙技术特点
   蓝牙是一种短距离无线通信的技术规范，起初目标是取代个人使用场景中的各种有线连接。规范建立之初就向全球公开，工作频段为全球统一开发的2.4 GHz。蓝牙由于体积小、功耗低，被数据传输速率要求低的场景广泛使用。
   1）全球范围使用。蓝牙工作在2.4 GHz的ISM频段，全球大多数国家ISM频段的范围是2.4～2.4835 GHz，使用该频段无须向各国的无线电资源管理部门申请许可证。
   2）可同时传输语音和数据。蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道、三路语音信道或异步数据和同步语音同时传输的信道。
   3）可以建立临时性的对等连接。蓝牙设备根据其在网络中的角色，可以分为主设备（Master）与从设备（Slave）。蓝牙设备建立连接时，主动发起连接请求的为主设备，响应方为从设备。
   4）具有很好的抗干扰能力
   采取了跳频（Frequency Hopping）方式来扩展频谱（Spread Spectrum），将2.402～2.48 GHz的频段分成79个频点，每两个相邻频点间隔1 MHz。数据分组在某个频点发送之后，再跳到另一个频点发送，而对于频点的选择顺序则是伪随机的，每秒频率改变1 600次，每个频率持续625μs。
   5）具有很小的体积，以便集成到各种设备中
   6）微小的功耗。蓝牙设备在通信连接（Connection）状态下，有4种工作模式：激活（Active）模式、呼吸（Sniff）模式、保持（Hold）模式和休眠（Park）模式。Active模式是正常的工作状态，另外3种模式是为了节能所规定的低功耗模式。
   7）开放的接口标准。SIG为了推广蓝牙技术的使用，将蓝牙的技术标准全部公开，全世界范围内的任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发，只要最终通过SIG的蓝牙产品兼容性测试，就可以推向市场。
   8）低成本，使得设备在集成了蓝牙技术之后只需增加很少的费用

3. 蓝牙系统组成
   蓝牙系统由无线部分、链路控制部分、链路管理支持部分和主终端接口组成。
   蓝牙系统提供点对点连接方式或点对多点连接方式。在一对多连接方式中，多个蓝牙单元之间共享一条信道。共享同一信道的两个或两个以上的单元形成一个微微网。其中，一个蓝牙单元作为微微网的主单元，其余则为从单元。微微网是蓝牙最基本的一种网络，由一个主设备和一个从设备所组成的点对点的通信是最简单的微微网。
   另外，更多的从单元可被锁定于某一主单元，该状态称为休眠状态。在该信道中，不能激活这些处于休眠状态的从单元，但仍可使之与主单元之间保持同步。对处于激活或休眠状态的从单元而言，信道访问都是由主单元进行控制。
   

几个微微网在时间和空间上相互重叠，进一步组成了更加复杂的网络拓扑结构，成为散射网（Scatternet）。在一个微微网中的主单元仍可作为另一个微微网的从单元，各微微网间不必以时间或频率同步。不同的微微网之间的跳频频率各自独立，互不相关，其中每个微微网可由不同的跳频序列来标识，参与同一微微网的所有设备都与此微微网的跳频序列同步。

蓝牙协议体系结构

1. 蓝牙协议体系结构
   规范的制定目的在于使得符合该规范的各种应用能够互通，蓝牙技术规范的制定也是一样的道理。不同的应用可以在不同的协议栈上运行，但是所有的协议都要使用蓝牙技术规范的数据链路层和物理层。不是所有的应用都必须使用全部协议，应用只会采用蓝牙协议栈中垂直方向的协议。
   蓝牙协议体系中的协议由SIG分为4层：
    蓝牙核心协议——Baseband、LMP、L2CAP、SDP；
    电缆替换协议——RFCOMM；
    电话传送控制协议——TCS Binary、AT Commands；
    选用协议——PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、vCard、vCal、IrMC、WAE。
   除上述协议层外，蓝牙规范还定义了主机控制器接口（HCI），它为基带控制器、连接管理器提供命令接口，并且可通过它访问硬件状态和控制寄存器。
   主机控制器接口（Host Controller Interface，HCI）是通过包的方式来传送数据、命令和事件的，所有在主机和主机控制器之间的通信都以包的形式进行。包括每个命令的返回参数都通过特定的事件包来传输。
   HCI有数据、命令和事件三种包，其中数据包是双向的，命令包只能从主机发往主机控制器，而事件包始终是主机控制器发向主机的。主机发出的大多数命令包都会触发主机控制器产生相应的事件包作为响应。
   

2. 蓝牙核心协议
   1）基带协议（Baseband）
   基带就是蓝牙的物理层。基带和链路控制层确保了微微网内各蓝牙设备单元之间由射频构成的物理连接。
   蓝牙提供了两种物理连接方式及其相应的基带数据分组：同步面向连接和异步无连接，而且在同一射频上可实现多路数据传送。ACL只用于数据分组，SCO适用于音频及音频与数据的组合，所有音频与数据分组都附有不同级别的前向纠错（FEC）或循环冗余校验（CRC），而且可进行加密。
   2）连接管理协议（LMP）
   L2CAP和LMP共同实现OSI数据链路层的功能。
   连接管理协议（LMP）负责蓝牙各设备间连接的建立和断开。通过监控信道特性、支持测试模块和出错处理来维护信道。它通过连接的发起、交换、核实，进行身份验证和加密等安全方面的任务。控制微微网内及微微网之间蓝牙组件的时钟补偿和计时精度。它还控制微微网内蓝牙单元的工作模式、连接状态等功能。
   3）逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）
   逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）位于基带层之上，向上层协议提供服务，可以认为它与LMP并行工作，它们的区别在于L2CAP为上层提供服务，与此同时，负荷数据从不通过LMP消息进行传递。L2CAP向上层提供面向连接的和无连接的数据服务，它采用了多路技术、分割和重组技术、群提取技术。
   逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）完成数据的拆装，基带与高层协议间的适配，并通过协议复用、分段及重组操作为高层提供数据业务和分类提取。
   4）服务发现协议（SDP）
   发现服务在蓝牙技术框架中起到至关重要的作用，它是所有使用模式的基础。使用SDP，可以查询到设备信息、服务和服务类型，从而在蓝牙设备间建立相应的连接。
   服务发现协议（SDP）支持3种类型的服务查询方式：通过服务种类来查询服务、通过服务特征属性来查询服务和通过服务浏览方式来查询服务。

蓝牙协议子集及应用规范
SIG确定了一些应用模型，每个应用模型都有一个协议子集，它定义了支持特定应用模型的协议和功能。有4个通用的协议子集可用于各种不同的应用模型：通用接入协议子集（GAP），串口协议子集（SPP），服务发现应用协议子集（SDAP）和通用对象交换协议子集（GOEP）。
1）通用接入协议子集（GAP）
构成了所有蓝牙协议子集的一个公共基础，因此也为蓝牙传输协议组的通用互操作应用提供了基础。GAP的一个最重要的贡献是它定义了一套标准的术语。除了公共的术语之外，GAP的大部分内容是对建立蓝牙连接所需的必要过程进行的定义。这些定义包括设备和名字的发现、查询过程、匹配和绑定以及链路、信道和连接的建立。
2）串口协议子集（SPP）
在两个设备上设置虚拟串口，并用蓝牙连接模拟两个设备间的串行电缆。任何继承性应用可以运行在任一设备上，使用虚拟串口，好像在两个设备间有真正的电缆连接一样。这一应用规范支持一个时隙数据包，仅需要一个时隙的分组，这样可以确保最大为128 kbps的数据速率，对更高速率的支持作为可选要求。
3）服务发现应用协议子集（SDAP）
提供了一个通用且标准的方法，使用蓝牙协议栈来完成服务发现。描述了一个标准的服务发现应用模型，还定义了抽象的、类似于应用程序接口（API）的服务元语。SDAP应用只需要在一个设备上运行用户级应用所需要补充的内容。

蓝牙组网与蓝牙路由机制
蓝牙路由机制为了扩大蓝牙通信的传输距离。信息交换中心与股东蓝牙主设备通过有线连接，两者之间不通过蓝牙调频技术，移动终端与固定蓝牙主设备进行正常蓝牙通信。这样不同信息交换中心的移动终端之间进行路由、切换，可使蓝牙网络突破10M传输距离限制。

1. 信息交换中心（MSC）
   负责跟踪系统内各蓝牙设备的漫游，并在数据包路由过程中充当中继器，它通过光缆或双绞线直接与固定蓝牙主设备（FM）连接。
    信息交换中心是整个蓝牙路由机制的核心部分。
    信息交换中心MSC有3个主要的功能：通过路由表，跟踪和定位本系统内所有蓝牙设备：在2个属于不同微微网的蓝牙设备之间建立路由连接，并在设备之间交流路由信息，在需要的情况下帮助完成系统的切换功能。
    对于BRS系统，MSC起到一个网关的作用。这就使得蓝牙信息流可以出入该BRS系统或进入到其他蓝牙系统。
2. 固定蓝牙主设备（FM）
    FM是MT到信息交换中心MSC的接口，并负责MT与MSC之间信息的转换。
    实现正常的蓝牙功能。
    接收新的蓝牙从设备进入整个BRS系统；
    通知MSC本FM微微网的变化；
    到其他FM微微网的路由信息；
    在本FM微微网和MSC之间充当中继器的角色。
3. 移动终端（MT）
   移动终端MT是固定蓝牙主设备FM的从设备，固定蓝牙主设备FM是信息交换中心MSC的从设备。在移动终端MT与固定蓝牙主设备FM之间进行连接建立的过程中，FM是主设备，当连接建立完成后，MT与FM之间要进行主从转换。
    MT直接与固定蓝牙主设备FM进行通信，或通过FM、MSC与BRS系统内的其他蓝牙设备进行通信。
   MT的主要特点是：可进出一个FM微微网；当从一个FM微微网漫游到另一个FM微微网时，可发出切换帮助信息；可与本FM微微网外的其他蓝牙设备建立连接进行通信。
4. BRS系统与外部的路由系统
    当BRS系统与外部进行路由连接时，信息交换中心MSC起到网关的作用。
    在BRS系统之间：各BRS系统的信息交换中心MSC通过以太网连接构成一个非面向连接的系统。各信息交换中心MSC对从其他MSC传送过来的蓝牙数据包，进行接入码中蓝牙地址的检测，只有与路由表相匹配的包才会被转发，否则拒绝该包。
    BRS与LAN/WAN之间的路由：源端的MSC在发送蓝牙数据包时，加上TCP/IP包头，然后通过LAN/WAN路由到目的端，目的端的MSC收到包后再去掉TCP/IP包头。

蓝牙技术的应用
蓝牙无线技术的应用大体上可以分为3个领域：替代线缆（Cable Replacement）、因特网桥（Internet Bridge）和临时组网（Ad hoc Network）。
替代线缆：最简单的一种应用就是点对点（Point to Point）的替代线缆，例如耳机和移动电话、笔记本电脑和移动电话、PC和PDA（数据同步）、数码相机和PDA以及蓝牙电子笔和电话之间的无线连接。
因特网桥：定义了“网络接入点”（Network Access Point）的概念，它允许一台设备通过此网络接入点来访问网络资源。如访问LAN、Intranet、Internet和基于LAN的文件服务和打印设备。
临时组网：一个临时组建的网络，其中没有固定的路由设备，网络中所有的节点都可以自由移动，并以任意方式动态连接（随时都有节点加入或离开），网络中的一些节点客串路由器来发现和维持与网络其他节点间的路由。