物联网BLE应用程序开发 -- （0）一些关于低功耗蓝牙的基本概念

一些关于低功耗蓝牙的基本概念

在开始进行低功耗蓝牙BLE开发之前，先来了解一些关于低功耗蓝牙的基本概念。这些基本概念在后续的BLE开发过程中会经常出现，对于某些概念，一开始看不懂没有关系，只要先阅读本篇文档，在心里面先形成一个大概的印象，在后续开发过程中如果再遇到类似的概念，再回来翻阅本文，就会加深对这些基本概念的认识。

 

 1、什么是低功耗蓝牙Bluetooth Low Energy（简称BLE） 

低功耗蓝牙是一种低成本，短距离，可互操作，强鲁棒性的无线通信技术，工作在免许可的2.4GHz ISM射频频段。低功耗蓝牙一开始设计的初衷就是为了低功耗，除了低功耗的特性之外，它还具有快速启动，瞬间连接的特性，数据报文均采用AES-128进行数据加密。低功耗蓝牙在以下领域均有广泛应用：医疗与健康设备如血糖仪，血压计，体温计。运动与休闲设备如计步器，心率计。智能家居设备如灯光控制，温度控制，以及各种高安全性解决方案。

 

2、低功耗蓝牙BLE与蓝牙4.0的关系

很多初学者搞不懂低功耗蓝牙BLE与蓝牙4.0的关系和区别。总的来说，低功耗蓝牙BLE是蓝牙4.0的一个子集，蓝牙4.0除了包含低功耗蓝牙之外，还包含了传统蓝牙和高速蓝牙。而低功耗蓝牙还包含了单模蓝牙和双模蓝牙，它们之间的包含关系，如下图所示。

 

3、低功耗蓝牙BLE的体系结构

低功耗蓝牙的体系结构，描述了低功耗蓝牙协议栈的组织框架，建议把这个框架都熟记心中，这样便于以后理解蓝牙协议栈的工作原理与流程。整个体系主要分为应用层app、主机层Host，控制器层Controller，每个层里面又包含了不同的层次结构，整个协议栈的组织框架，如下图所示。

从整个协议栈的框架来看，开发者接触得最多的是应用层，开发者也是在应用层进行代码编写开发。对于主机层和控制器层，Nordic官方把这两个层封装好，并以.hex文件提供出来。因此，要开发蓝牙相关的应用程序时，芯片除了要烧录开发者自己编写的应用程序之外，还要烧录Nordic官方提供的.hex协议栈文件。

接下来，从上而下简单描述一下各层的功能与概念。

（1）应用层APP，主要包括三种类型：配置文件Profile，服务Service，特征值Characteristic。这三者的关系，如下图所示。

配置文件Profile，通常用来体现一个或多个设备，比如一个配置文件可以用来表示一个手环设备。配置文件描述了这个设备是如何进行发现和连接。对于设备被定义为客户端角色的时候，配置文件也可以用于发现服务和特性。一个配置文件通常包含一个或多个服务。

服务Service，顾名思义，是用来定义服务器端的行为和特性的，用来提供给客户端进行获取的某些数据的集合。比如：手环上的心率服务，用来提供心率数值。电池电量服务，用来提供电池电量数值。这些服务之间包含了主要和次要服务，取决于开发者如何进行定义。正是因为这些服务，用户才可以清楚了解这个设备是做什么用途的。一个服务通常包含多个特征值。

特征值Characteristic，是用一个固定的格式，并且以UUID作为唯一句柄的一个小数据块，被包含在服务里面。这个特征值主要在蓝牙数据相互通信时使用。比如心率计的心率值可以用一个特征值表示，电池电压值可以用一个特征值表示。这些数值在蓝牙通信交互的时候，都是以特征值作为数据块进行传输的。

特征值里面还包含属性attribute和描述符descriptor这两个概念，一个特征值至少包含两个属性，一个属性用于声明这个特征值是做什么用的，一个属性用于存放特征值的具体数值。描述符不是必须的，它可以归类为一个额外的属性。

关于服务Service，特征值Characteristic，属性attribute，这三者之间的包含关系，如下图所示。

 

（2）主机层Host，主要包括了通用访问配置文件GAP，通用属性配置文件GATT，属性协议ATT，安全管理器SM，逻辑链路控制和适配协议L2CAP。

通用访问配置文件GAP，主要负责处理设备的连接方式以及连接过程，以及实现连接链路的建立，结束，还有是否需要进行配对绑定。在GAP层，主要定义了两种角色，分别是中央设备Central和外围设备Peripheral。中央设备的功能主要有扫描，请求连接，断开连接，等等。外围设备的功能主要有广播，接收连接请求，断开连接，等等。

通用属性配置文件GATT，这个层是在ATT层上进行工作的，简单地说，GATT层赋予了ATT层数据的具体含义和组织逻辑，没有GATT层，ATT层的数据将毫无意义。在GATT层，主要定义了两种概念，服务端Server和客户端Client。例如，我们通过手机读取手环信息。在这两个设备的关系里面，手环是提供各种数据服务的，是服务端角色。而手机是向手环请求数据的，手机是客户端角色。

属性协议ATT，主要是蓝牙通信时的一系列数据和命令，这些数据和命令都在这个层进行了打包，ATT层是开发者分析蓝牙数据的最上层，蓝牙通信过程的原始数据都可以在这个层进行分析。

安全管理器SM，这个层主要是负责蓝牙配对的管理工作的，提供蓝牙连接时的配对和秘钥分发。

逻辑链路控制和适配协议L2CAP，主要是为以上的层提供一个统一的数据封装服务。这个层提供了一个可以复用的，面向连接或者无连接的数据服务。

 

（3）控制器层Controller，主要包括主机控制器接口HCI，链路层LL，物理层PHY。

主机控制器接口HCI，主要为主机层Host和控制器层Controller提供一个标准化接口。控制器层通过HCI接口发送数据和事件给主机层，主机层通过HCI接口发送命令和数据给控制器层。

链路层LL，主要负责管理设备的五种状态，分别是：就绪态，广播态，扫描态，发起态，连接态。在链路层定义了两个角色，主机和从机。主机具有就绪态，扫描态，发起态，连接态这四种状态。从机具有就绪态，广播态，连接态这三种状态。

物理层PHY，主要负责进行高斯频移键控，使设备工作在2.4GHz ISM频段，频率范围是从2.400GHz ~ 2.4835GHz，总共划分了40个RF信道，间隔为2MHz。其中3个固定的广播信道为37/38/39信道，对应中心频率为2402MHz，2426MHz，2480MHz。其余37个信道为自适应跳频的数据通信信道。

注意：以上概念描述了：服务端和客户端，中央设备和外围设备，主机和从机等角色。这些角色之间是完全独立的，它们只有在各自的层里才有意义。例如，在LL层里，是没有服务端和客户端的概念的。也就是说，在LL层里，一个设备被定义为主机，这个设备在GATT层里面，可以是服务端角色也可以是客户端角色。

 

4、低功耗蓝牙的广播，扫描和连接事件

广播，这个概念是针对LL层的从机角色而言的，从机以固定的广播间隔（间隔取值范围为：20ms ~ 10.24S）不断在广播信道发送广播数据。从机只有不断进行广播才能被主机扫描发现。广播主要分为通用广播，定向广播，不可连接广播，可发现广播。

扫描，这个概念是针对LL层的主机角色而言的，扫描主要涉及两个参数：扫描窗口和扫描间隔。扫描窗口是指进行一次扫描的时间宽度，扫描间隔是指隔多久启动一次扫描。扫描窗口和扫描间隔的时间不能大于10.24S。扫描窗口的值不能大于扫描间隔的值。如果扫描窗口的值与扫描间隔的值相等的话，说明主机一直进行扫描。关于扫描间隔与扫描窗口的时间关系，如下图所示。

连接事件，主设备和从设备之间的数据包交换，都需要基于连接事件进行。这些连接事件都是在通信信道（0信道 ~ 36信道）进行。当主设备和从设备连接成功后，无论是否有用户数据收发，连接事件都会依据初始化时的连接参数进行，直到任意一方停止响应。主从设备双方可以在一次连接事件里面进行多次数据传输。连接事件如下图所示。

连接事件是基于一定的连接参数进行的，连接事件主要涉及以下参数：

A、连接间隔参数：是指两个连接事件之间的时间间隔。这个时间必须是1.25ms的整数倍，取值范围是 6 ~ 3200，也就是连接间隔可以设置为 (6 * 1.25ms) ~ (3200 * 1.25ms)。连接间隔参数包括最小连接间隔和最大连接间隔。

B、从机延迟参数：为了使设备可以工作在最低功耗的状态，对于一些没有用户数据传输的连接事件，从机可以进行跳过。这个参数用来设置从机可以跳过连接事件的次数，表示从机在没有用户数据传输的时候，从机可以忽略这些连接事件的次数。

C、监督超时参数：这个参数是指两个成功连接事件之间的间隔最大值。在这个时间之内，如果还没有出现一次成功的连接事件，设备将会变为断开连接状态。这个参数是10ms的整数倍，取值范围是 10 ~ 3200，即100ms ~ 32s。

 

5、低功耗蓝牙连接建立过程

蓝牙设备需要在建立连接后才能进行可靠的数据通信，蓝牙的连接建立过程主要经历设备发现、建立连接、配对和绑定（非必须）这几个过程，如下图所示。

设备发现：在连接建立前，从设备不断发出广播信号（包括设备地址和设备名称之类的附加信息）；主设备收到此广告信号后，向从设备发出扫描请求；当从设备回应扫描时，就完成了设备发现过程。

建立连接：设备发现过程完成后，主设备继续向从设备发出连接请求（包括连接间隔参数、从机延迟参数、监督超时参数），从设备回应连接，就完成了建立连接过程。

配对绑定：为了安全起见，一些数据的访问需要认证，它的完成是这样的：一方（可以是主设备，也可以是从设备）向另一方索要6位数字的密码，之后，两个设备彼此交换安全密钥用于加密和认证，此过程称为配对。认证的过程比较繁琐，BLE协议支持两个设备保存认证的安全密钥（一般是非易失性存储器中），以便于两节点下次连接后快速认证，这就是绑定技术。 

 

6、如何开发低功耗蓝牙应用程序

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7、怎样高效学习nRF52系列芯片

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