低功耗蓝牙（BLE）你入门了吗

前言

        蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy，或称Bluetooth LE、BLE，旧商标Bluetooth Smart），用于医疗保健、运动健身、安防、工业控制、家庭娱乐等领域。在如今的物联网时代下大放异彩，扮演者重要一环，是无线通信的主流技术之一（常见的无线通信技术有NFC、GPRS、Zigbee、WiFi等），2021 年 7 月蓝牙技术联盟（Bluetooth SIG） 发布了蓝牙 5.3 版本，也是截止目前的最新版本。

1. BLE的前世今生 

蓝牙（BT）最早诞生于1999年，第一代蓝牙是单工传输的、通信易受干扰，难以区分主从设备、传输速率才几百kbps；

一路发展，直到蓝牙4.0版本，才有了低功耗蓝牙BLE的诞生，它包括经典蓝牙（泛指支持蓝牙协议在4.0以下的模块，一般用于数据量比较大的传输）和低功耗蓝牙协议，达到了低成本、低时延，低功耗，设备可多连、传输距离有个质的飞跃，还增强了安全性，就是这个版本开始才让它真正的在物联网等领域大放异彩；

蓝牙5.0加强了数据处理、音频的传输能力，进一步推动了蓝牙耳机的发展，广播通信容量从31Byte升级成为255Byte；蓝牙5.1增加测向功能和厘米级的定位服务（AOA和AOD），可以实现室内精准定位（误差1m内）；蓝牙5.2支持主从一体角色下可同时连接7个从设备，并且可以作为从角色被另一个主角色设备连接（多主多从），增加了增强型ATT协议，LE功耗控制和LE同步信道等功能，被广泛应用于电子设备、智能手机、可穿戴产品、智能家居等领域；蓝牙5.3在传输速率、稳定性、安全性等方面都有明显的提升，功能更强，应用也越多。

蓝牙发展史

2. 蓝牙分类

2.1  按协议类型区分

2.1.1  经典蓝牙

经典蓝牙泛指支持蓝牙协议4.0以下的蓝牙，它又可以按速率细分为：传统蓝牙模块（3.0以下的）和高速蓝牙模块（3.x）；经典蓝牙一般用于连续流式传输音频和数据量比较大的传输，例如音乐、语音、打印机等。

2.1.2 低功耗蓝牙

低功耗蓝牙ble指支持蓝牙协议4.0或更高的版本，它不向后兼容4.0之前的经典蓝牙协议，主打低功耗（使用一个纽扣电池最起码都能工作好几个月），低延迟（几毫秒级别的响应）；应用于实时性要求比较高，但是低速率，低功耗的场景，如鼠标键盘、智能家居、智能穿戴这类不需要大数据量交互的场景中，非常适合物联网应用。

2.2  按对协议的支持区分

2.2.1  单模蓝牙

具有Bluetooth Smart标识的设备仅支持低功耗蓝牙，可以与“Bluetooth Smart Ready”或“Bluetooth Smart”设备通信，单双模的区分是从BLE出来后才有的。

2.2.2  双模蓝牙

有Bluetooth Smart Ready标识的设备兼容经典蓝牙与低功耗蓝牙，可以运行两套协议堆栈，低功耗蓝牙与经典蓝牙使用相同2.4GHz无线电频率，因此双模设备可以共享同一个天线；一般应用于具有稳定电源供电的设备，如手机，PC 等基本是双模的蓝牙芯片。

2.3  按应用功能区分

2.3.1  蓝牙数据

通常指BLE蓝牙，应用于那些距离近、数据量不大、功耗要求较严格的场景。

2.3.2  蓝牙音频

通常指经典蓝牙，应用于较大码流的数据传输、对功耗要求没这么严格，例如娱乐设备等。

3. BLE特性、协议标准

3.1  BLE基本特性

• 低功耗：设备大部分时间处于休眠状态，当事件发生需要工作时，才由休眠态唤醒进入工作态，工作完成后又进入休眠态，因此它功耗低；
• 低延迟：连接速度很快，毫秒级的连接速度；
• 远距离：长达数百米的通信距离；
• 低成本：由于其工作在2.4GHz的ISM频段，使用该频段无需向各国的无线电资源管理部门申请许可证，省下了一笔费用；
• 抗干扰能力强：工作在2.4GHz的ISM频段的设备有很多，当周围处在该频段的设备多了，就会互相造成干扰，因此蓝牙采用了跳频方式来扩展频谱。

3.2  协议标准

蓝牙技术联盟（SIG）沿用经典蓝牙的规范内容，为蓝牙低功耗定义了一些profile，一台设备可以使用多个profile，这些profile定义了一个设备在特定应用情景下如何工作，制造商应通过在实现中遵循特定的profile以确保兼容性。对于协议规范要有个大概了解。

3.2.1  健康护理规范

• BLP（Blood Pressure Profile）———用于血压测量。

• HTP（Health Thermometer Profile）————用于医疗温度测量设备。

• GLP（Glucose Profile）————用于血糖监测。

• CGMP（Continuous Glucose Monitor Profile）。

3.2.2  运动和健身规范

• BCS（Body Composition Service）————身体监测服务

• CSCP（Cycling Speed and Cadence Profile）———— 用于连接到自行车或健身单车传感器，测量节奏和轮速

• CPP（Cycling Power Profile）

• HRP（心率规范）

• LNP（位置和导航规范）

• RSCP（Running Speed and Cadence Profile）

• WSP（Weight Scale Profile）

3.2.3 其它

• IPSP（互联网协议支持规范）

• ESP（环境感应规范）

• UDS（用户数据服务）

• HFP（Hands-Free）蓝牙免提协议

• A2DP（Advanced Audio Distribution）蓝牙音乐协议

• IAP：苹果的特有协议，用于carplay等

• HID（HUMAN INTERFACE DEVICE）：人机接口协议，用于蓝牙鼠标、键盘、手柄等

• Battery Service（电池服务）报告“电池状态”和设备中单个电池或电池组的电量级别。

蓝牙协议标准有很多，只要遵守协议规范，就可以实现不同厂商的设备进行互联，低功耗蓝牙还可以自定义Profile。

4. BLE协议栈

4.1 BLE协议栈层次框图

BLE的协议可分为Bluetooth Application和Bluetooth Core两大部分，Bluetooth Core又包含BLE Controller和BLE Host两部分。Bluetooth Application主要调用API实现上层功能，本质上来说不属于协议层，另外软件开发工程师需要重点了解GAP、ATT、Link Layer，其它有个简单认识即可。

 4.2 PHY Layer

physical layer物理层：物理通信介质，负责调制方案、频带、信道的使用、发射器和接收器特性，PHY层设计的不好直接影响到BLE的功耗和灵敏度等，射频工程师的主要工作就是调试好PHY层。

频率范围是2.400-2.4835 GHz，将整个频带分为40份（各通道分布如下图，并非顺序分布），每通道的带宽为2MHz，称作RF Channel（射频信道）。

广播通道37：2.402Ghz；广播通道38：2.426Ghz；广播通道39：2.480Ghz；其它的都是数据通道。

4.3 Link Layer

Link layer链路层：链路管理，是整个协议栈的核心，定义了空中接口数据包格式、比特流处理程序（例如错误检查）、状态机以及用于无线通信和链路控制的协议；主要负责信道管理、广播和扫描、创建和保持连接、收发空中包和加密链路。

4.3.1  数据包格式

数据包格式

有两种数据包格式（一个为LE未编码的PHY数据格式，一种为LE编码的PHY数据格式），通常为第一种；

格式：前导序列 + 访问地址 + PDU报头 + PDU长度 + PDU数据 + CRC

（PDU：Protocol Data Unit；  octets：8位byte）

前导序列：是一个01010101（0x55）或者10101010(0xAA)的8bit交替序列。如果接入地址的最高位是0，前导序列则是01010101，否则是10101010，这样的设计是为了保证报文的前9位都是交替的。 

访问地址：一个32位的地址，官方文档描述如下图所示，访问地址用来排除噪音和其它链路数据包的干扰。它可以分为

① 广播访问地址：是一个固定值（0x8E89BED6），扫描到数据包后验证确认是广播访问地址后才把它认定为广播包，否则认为是噪音或者无效包；

② 数据访问地址：是一个随机值，不同的连接对应不同的值；当主机扫描到广播后，发送连接请求，这个请求会包含一个连接访问地址（断开重连后此地址不同，随机生成），连接上后数据包都是用这个地址。

PDU报头：

① 广播包报头

类型有：

ADV_IND ：可连接的非定向广播，表示当前设备可以接受任何设备的连接请求；

ADV_DIRECT_IND：可连接的定向广播，设备不能被主动扫描；

ADV_NONCONN_IND：不可连接的非定向广播，仅发送广播数据，而不被连接；

ADV_SCAN_IND：可扫描的非定向广播，设备可以被发现，既可以发送广播数据，也可以响应扫描发送扫描回应数据，但不能建立连接；

SCAN_REQ：主动扫描请求；

SCAN_RSP ：主动扫描回复；

CONNECT_REQ ：连接请求；

② 数据包报头

PDU长度：表示PDU数据的长度；

PDU数据：需要发送的数据；

CRC：3字节的校验码。

4.3.2  链路层状态机

Standby：待机状态；
Advertising: 发送广播包；
Scaning：主动或被动扫描；
Initiating：初始化连接设备；
Connection：连接上，可通信状态。

4.4 HCI

HCI(Host controller Interface)主机接口规范：主机和控制器之间的接口，允许主机和控制器间互相传送数据，该层可以由软件API实现或者使用硬件接口 UART、SPI、USB、SDIO来控制。

4.5 L2CAP

L2CAP(Logical Link Control and Adaption Protocol)链路控制和适配协议：对LL进行了一次简单封装，LL只关心传输的数据本身，L2CAP就要区分是加密通道还是普通通道，同时还要对连接间隔进行管理。

4.6 SMP

SMP(Security Manager  Protocol)安全管理协议：它支持执行安全相关程序，例如配对、绑定和密钥分发。安全管理器组件为其他层的安全功能提供了⼀个加密处理，并定义了配对算法。

4.7 ATT

ATT(Attribute Protocol)配置属性协议：用于发现、读取和写入对端设备上的属性的规范；ATT也是软件开发中接触最多的。

它分为两个角色：Server和Client，通常从机为服务端，主机为客户端；服务端提供拥有关联值的属性集 ，客户端发现、读、写这些属性，服务端也可以主动通知客户端。

• 属性类型：用UUID(16bit or 128 bit)的形式来表现；
• 属性句柄：用于标识一个属性，服务器上的所有属性都会分配一个唯一非零的属性句柄；
• 属性权限：使用许可、认证许可、授权许可；
• 属性值    ：0-512 byte。

方法类型：
– 请求(客户端到服务端)
– 应答(服务端到客户端，是对请求的回应)
– 命令(客户端到服务端，不需要应答)
– 通知(服务端到客户端，不要确认)
– 指示(服务端到客户端)
– 确认(客户端到服务端，是对指示的回应)。

4.8 GATT

GATT(Generic Attribute profile)通用属性协议：定义了服务的流程、格式及其所包含的特征，包含特征的发现、读取、写入、通知、指示；主要用来规范attribute中的数据内容，并将不同attribute进行分组分类。

从机中可以有多个服务（service），一个服务中可以有多个特征值（Characteristic），每个特征值又有自己的属（property），属性的取值有读、写、通知（Notify）。每个服务和特征值都有唯一的UUID标识（标准UUID为128位，协议栈中一般为16位）。

为应用提供属性支持：
– 发现所有服务、特征及特征描述符
– 客户端发起过程(writing values)
– 服务端发起过程(notifications, indications)

4.9 GAP

GAP(Generic Access Profile)通用访问协议：GAP 是所有的蓝牙设备均需实现的Profile，主要用于描述device discovery（设备发现）、connection（连接）、security requirement（安全要求）和authentication（认证） 的行为和方法。

4.9.1 GAP的四种设备角色

① Master/Central：主机；扫描广播，发起对从机的连接；

② Peripheral：从机；发送广播包，允许被主机连接；

③ Observer：观察者；不能发起连接，只能持续扫描广播包；

④ Broadcaster：广播者；不能被主机连接，只能广播数据。

5. BLE工作流程

5.1  Advertising(广播)

从机在37、38、39信道上依次发送同一个广播包，信道顺序不定，三个信道都发送完成后，就称为一个广播事件；

相邻两个广播事件的时间间隔就为广播间隔，必须是“0.625ms”的整数倍，时间范围是从20ms到10.24s，广播间隔越大，连接的时间越长。

BLE链路层会在两个广播事件之间添加一个0~10ms的随机延时，保证多个设备广播时，不会一直发生广播碰撞；例如，软件设置广播间隔为62.5ms，则实际的时间间隔为62.5~72.5ms之间。

5.2 Scanning(扫描)

扫描是主机监听从机广播包和发送扫描请求的过程，主机通过扫描，可以获取到从机的广播包以及扫描回应数据包，主机可以对已扫描到的从机设备发起连接请求，从而连接从机设备并通信。

扫描可以分为被动扫描（Passive Scanning）：主机监听广播信道的数据，当接收到广播包时，直接上报到Host端；

主动扫描（Active Scanning）：当接收到广播包时，向从机发送一个扫描请求，以获取更多从机信息，从机收到该请求时，会再次发送一个扫描回应包。

扫描的基本流程为：设置扫描参数 -> 扫描使能 -> controller向host上报扫描结果 -> 停止扫描。

 两个比较重要的扫描参数：扫描窗口和扫描间隔；如果扫描窗口等于扫描间隔，那么主机将一直处于扫描状态之中，持续监听从机广播包，导致ble无法执行其它操作，所以，通常设置扫描窗口小于扫描时间。

5.3 Connecting(连接)

5.3.1  连接参数

BLE连接涉及到三个重要的连接参数，通过修改这三个连接参数直接影响ble连接中的功耗和连接速度。

① Connection Interval（连接间隔）：BLE设备间的连接是采用了调频方案的，在特定的频道中相互收发数据，两个信道切换的间隔就称为连接间隔，连接间隔以1.25ms为一个单元，范围是6 ~ 3200既7.5ms ~ 4s之间，就算两设备间没有数据被发送和接收，仍然会交换链路层数据（空包 ）来维持连接。

② Slave Latency（从设备延迟）：从机可以在没有数据要发的情况下，跳过一定数目的连接事件，不需要回复主机的数据包，依次达到省电。该参数设置范围为0 ~ 499。

如下图所示，OFF表示值为0，ON表示值大于0。

Slave Latency = 0 时，对于每次连接事件从机必须要回复，不回复则认为是从机通讯故障；

Slave Latency = 3 时，如果从机没有要回复的数据包，则可以忽略3个事件，第四个事件到来再回复；如果从机有要回复的数据包，不管Slave Latency配置为多少都应立即回复。

③ Supervision Timeout（监控超时）：如果BLE在Timeout时间内没有发生通信，就会自动断开。配置范围是10 ~ 3200（一个单位为 10ms），即时间范围是100ms ~ 32s。

概述：增大Connection Interval值，会降低数据包吞吐量，降低功耗；降低Slave Latency值，则功耗增高。

5.3.2  更新连接参数

连接参数由主机发起连接的时候提供给从机，如果从机对连接参数有自己的要求，可以在连接后发起连接参数更新请求，更改连接参数值。

5.4  通信

BLE连接上后，主机（客户端）就会去获取从机（服务端）的服务（service）和特征值（Characteristic），通过它们相应的UUID值就可以进行设备间通信了。

例如，有个UUID为0x180a的service，service下有个UUID为0x2a24的Characteristic（属性为可读可写），那么客户端就可以通过特征值UUID对设备进行读写操作了。

参考博文连接

BLE技术揭秘

蓝牙技术总结

ble链路层简书

ble协议栈官方文档下载链接

其它......

总结

         从第一代蓝牙的诞生到现在已经20余年了，它的功能也在不断的完善和扩充，对协议栈的了解不是一朝一夕能搞懂的，也不是短短一篇文章就能诠释的。时代在进步、科技在发展，有些理论概念今天适用，明天可能它就发生了变化，因此，在学习的过程中我们要学会如何去获取资料，学会对鱼目混珠的文章保持自己的见解。

        此篇文章仅已我自己的见解记录ble的协议栈理论知识，有错误的地方烦请评论区指正（能附上链接最好不过）；如果阅读了这篇文章后对你有所帮助，那就点个小小的赞吧，这将是我持续更新的动力，谢谢~

                                                                                                                //一个苟且在技术区的博主.