蓝牙BLE是什么

 

什么是蓝牙？

蓝牙是一种短距的无线通讯技术，可实现固定设备、移动设备之间的数据交换。一般将蓝牙3.0之前的BR/EDR蓝牙称为传统蓝牙，而将蓝牙4.0规范下的LE蓝牙称为低功耗蓝牙。

很多人对蓝牙的认识还很局限于手机领域，其实蓝牙的应用已经远远不止于此。过去几年里，蓝牙的增长量就达到了80%，当然，低功耗蓝牙的出现也起到关键的作用，相信未来蓝牙会开创一个可交互的物联世界。

标准分类

蓝牙4.0标准包括传统蓝牙模块部分和低功耗蓝牙模块部分，是一个双模标准。低功耗蓝牙也是建立在传统蓝牙基础之上发展起来的，并区别于传统模块，最大的特点就是成本和功耗降低，应用于实时性要求比较高。

BLE（Bluetooh Low Energy）蓝牙低能耗技术是短距离、低成本、可互操作性的无线技术，它利用许多智能手段最大限度地降低功耗。

BLE技术的工作模式非常适合用于从微型无线传感器（每半秒交换一次数据）或使用完全异步通信的遥控器等其它外设传送数据。这些设备发送的数据量非常少（通常几个字节），而且发送次数也很少（例如每秒几次到每分钟一次，甚至更少）。

BLE协议栈的结构和配置

1、协议有两个部分组成：Controller和Host

2、Profiles和应用总是基于GAP和GATT之上

3、在单芯片方案中，Controller和Host，profiles，和应用层都在同一片芯片中

4、在网络控制器模式中，Host和Controller是在一起运行的，但是应用和profiles在另外一个器件上，比如PC或者其他微控制器，可以通过UART，USB进行操作

5、在双芯片模式中，Controller运行在一个控制器，而应用层，profiles和Host是运行在另外一个控制器上

BLE设备连接状态流程图

 

BLE协议栈各层功能机制

低功耗蓝牙体系结构

如上图所述，要实现一个BLE应用，首先需要一个支持BLE射频的芯片，然后还需要提供一个与此芯片配套的BLE协议栈，最后在协议栈上开发自己的应用。可以看出BLE协议栈是连接芯片和应用的桥梁，是实现整个BLE应用的关键。那BLE协议栈具体包含哪些功能呢？简单来说，BLE协议栈主要用来对你的应用数据进行层层封包，以生成一个满足BLE协议的空中数据包，也就是说，把应用数据包裹在一系列的帧头（header）和帧尾（tail）中。具体来说，BLE协议栈主要由如下几部分组成：

PHY层（Physical layer物理层）。PHY层用来指定BLE所用的无线频段，调制解调方式和方法等。PHY层做得好不好，直接决定整个BLE芯片的功耗，灵敏度以及selectivity等射频指标。

LL层（Link Layer链路层）。LL层是整个BLE协议栈的核心，也是BLE协议栈的难点和重点。像Nordic的BLE协议栈能同时支持20个link（连接），就是LL层的功劳。LL层要做的事情非常多，比如具体选择哪个射频通道进行通信，怎么识别空中数据包，具体在哪个时间点把数据包发送出去，怎么保证数据的完整性，ACK如何接收，如何进行重传，以及如何对链路进行管理和控制等等。LL层只负责把数据发出去或者收回来，对数据进行怎样的解析则交给上面的GAP或者ATT。

HCI（Host controller interface）。HCI是可选的，HCI主要用于2颗芯片实现BLE协议栈的场合，用来规范两者之间的通信协议和通信命令等。

GAP层（Generic access profile）。GAP是对LL层payload（有效数据包）如何进行解析的两种方式中的一种，而且是最简单的那一种。GAP简单的对LL payload进行一些规范和定义，因此GAP能实现的功能极其有限。GAP目前主要用来进行广播，扫描和发起连接等。

L2CAP层（Logic link control and adaptation protocol）。L2CAP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。

SMP（Secure manager protocol）。SMP用来管理BLE连接的加密和安全的，如何保证连接的安全性，同时不影响用户的体验，这些都是SMP要考虑的工作。

ATT（Attribute protocol）。简单来说，ATT层用来定义用户命令及命令操作的数据，比如读取某个数据或者写某个数据。BLE协议栈中，开发者接触最多的就是ATT。BLE引入了attribute概念，用来描述一条一条的数据。Attribute除了定义数据，同时定义该数据可以使用的ATT命令，因此这一层被称为ATT层。

GATT（Generic attribute profile ）。GATT用来规范attribute中的数据内容，并运用group（分组）的概念对attribute进行分类管理。没有GATT，BLE协议栈也能跑，但互联互通就会出问题，也正是因为有了GATT和各种各样的应用profile，BLE摆脱了ZigBee等无线协议的兼容性困境，成了出货量最大的2.4G无线通信产品。

 

BLE蓝牙模块主要应用领域

1、移动扩展设备

2、汽车电子设备

3、健康医疗用品：心跳带、血压计等

4、定位应用：室内定位、井下定位等

5、近距离数据采集：无线抄表、无线遥测等

6、数据传输：智能家居室内控制、蓝牙调光、打印机等

 

BLE协议栈详解

协议概述

所谓协议，即将指定的字节按照一定的顺序排列起来，以便他人使用自己的设备时，能通过该协议同其他设备进行通信。协议一特点，就是有固定的帧格式，通过该格式发送，接收者通过解读帧格式，进而得到新息内容；

BLE连接过程

一般通信协议，一类通信是直接发生数据，当设备接送到数据时，直接对数据进行解析，当接受到的数据合法时，即为有效数据，该类型的通信协议，主要用在有线通信协议中，比如Modbus，Can通常采用的即为该类型的通信方式。
另一类通信协议，则需要新建立连接，当双方连接建立成功了方可通信，例如TCP、BLE；BLE协议在需要进行通信时，即需要向外发送广播信号，告诉接收者，即将和它进行通信，接受者接收到广播内容后，确认是与自己通信，于是向广播者发送一响应信息，这样当广播者和接受者都有了对方的身份信息时，即表示双方连接成功。
因此，在连接过程中，必定有相应的广播帧格式。在BLE通信过程中，假设设备A需要连其他设备假设为B，则A需要不断地发送广播信号（此过程一般有一个时间间隔，在没发送广播数据时间内，芯片处于低功耗状态），每发送一次广播包，称之为一次广播事件。

广播帧格式

前导：
是一个8比特的交替序列
接入地址的第一个比特为0：01010101
接入地址的第一个比特为1：10101010
接入地址：广播帧为固定地址：0x8E89BED6（低字节在前）
广播报文的报头：
包含4bit广播报文类型、2bit保留位、1bit发送地址类型和1bit接收地址类型。
广播报文类型:

发送地址类型：
    0： 公共地址
    1：随机地址
长度：广播报文的长度域包含8个比特，有效值的范围是6~37
数据：广播者地址(6个字节)+广播数据（31个字节）
校验：3个字节，为CRC校验。
广播数据：分为有效数据和无效数据

有效数据部分：
包含N个AD Structure，每个AD Structure由Length，AD Type和AD Data组成。其中：
Length：AD Type和AD Data的长度。
ADType：指示AD Data数据的含义。详见https://www.bluetooth.com/specifications/assigned-numbers/generic-access-profile/

 

BLE连接建立过程

1. BLE广播与扫描

设备B不断发送广播信号给手机（Observer），如果手机不开启扫描窗口，手机是收不到设备B的广播的，如下图所示，不仅手机要开启射频接收窗口，而且只有手机的射频接收窗口跟广播发送的发射窗口匹配成功，而且广播射频通道和手机扫描射频通道是同一个通道，手机才能收到设备B的广播信号。也就是说，如果设备B在37通道发送广播包，而手机在扫描38通道，那么即使他们俩的射频窗口匹配，两者也是无法进行通信的。由于这种匹配成功是一个概率事件，因此手机扫到设备B也是一个概率事件，也就是说，手机有时会很快扫到设备B，比如只需要一个广播事件，手机有时又会很慢才能扫到设备B，比如需要10个广播事件甚至更多。
 

2. 建立连接（connection establishment）

根据蓝牙spec规定，advertiser发送完一个广播包之后150us（T_IFS），advertiser必须开启一段时间的射频Rx窗口，以接收来自observer的数据包。Observer就可以在这段时间里给advertiser发送连接请求。如下图所示，手机在第三个广播事件的时候扫到了设备B，并发出了连接请求CONN_REQ(CONN_REQ又称为CONNECT_IND)。

 

注：图中M代表手机，S代表设备B，M->S表示手机将数据包发给设备B，即手机开启Tx窗口，设备B开启Rx窗口；S->M正好相反，表示设备B将数据包发给手机，即设备B开启Tx窗口，手机开启Rx窗口。

如图所示，手机在收到A1广播包ADV_IND后，以此为初始锚点（这个锚点不是连接的锚点），T_IFS时间后给Advertiser发送一个connection request命令，即A2数据包，告诉advertiser我将要过来连你，请做好准备。Advertiser根据connect_req命令信息做好接收准备，connect_req包含如下关键信息：

Transmit window offset，定义如上图示

Transmit window size，定义如上图所示

connect_req数据包完整定义如下所示  

     connect_req其实是在告诉advertiser，手机将在Transmit Window期间发送第一个同步包（P1）给你，请在这段时间里把你的射频接收窗口打开。设备B收到P1后，T_IFS时间后将给手机回复数据包P2（ACK包）。一旦手机收到数据包P2，连接即可认为建立成功。当然，实际情况会比较复杂，手机有可能收不到P2，这个时候手机将持续发送同步包直到超时时间（supervision timeout）到，在此期间只要设备B回过一次ACK包，连接即算成功。所以一旦P1包发出，主机（手机）即认为连接成功，而不管有没有收到设备的ACK包。这也是为什么在Android或者iOS系统中，应用经常收到连接成功的回调事件（该回调事件就是基于P1包有没有发出，只要P1包发出，手机即认为连接成功，而不管有没有收到设备的ACK包），但实际上手机和设备并没有成功建立连接。后续手机将以P1为锚点（原点），Connection Interval为周期，周期性地给设备B发送数据包（Packet），Packet除了充当数据传送功能，它还有如下两个非常重要的功能：

同步手机和设备的时钟，也就是说，设备每收到手机发来的一个包，都会把自己的时序原点重新设置，以跟手机同步。

告诉设备你现在可以传数据给我了。连接成功后，BLE通信将变成主从模式，因此把连接发起者（手机）称为Master或者Central，把被连接者（之前的Advertiser）称为Slave或者Peripheral。BLE通信之所以为主从模式，是因为Slave不能“随性”给Master发信息，它只有等到Master给它发了一个packet后，然后才能在规定的时间把自己的数据回传给Master。

3. 连接失败

有如下几种典型的连接失败情况：

如步骤2图所示，如果slave在transmit window期间没有收到master发过来的P1，那么连接将会失败。此时应该排查master那边的问题，看看master为什么没有在约定的时间把P1发出来。

如果master在transmit window期间把P1发出来了，也就是说master按照connect_req约定的时序把P1发出来了，但slave没有把P2回过去或者没有在超时时间内把P2回过去，那么连接也会失败。此时应该排查slave这边的问题，看一看slave为什么没有把P2回过去

如果master把P1发出来了，slave也把P2回过去了，此时主机或者从机还是报连接失败，这种情况有可能是软件有问题，需要仔细排查master或者slave的软件。

还有一种比较常见的连接失败情况：空中射频干扰太大。此时应该找一个干净的环境，比如屏蔽室，排除干扰后再去测试连接是否正常。

 

 

数据帧格式

连接成功后，双方将可以互相发送数据，那么将涉及到其数据帧格式：

字段释义：
LLID：表示此包数据是 LL Date PDU 还是 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）：信息完整性检测。涉及到加密操作，上图中是用虚线表示的，并不是一定要有此项。
MD：这个标志位是用来通知对方设备自己还有其他数据准备发送。0 表示没有更多数据发送， 1 表示有更多数据准备发送。这样，只要还有数据需要发送，连接事件会自动扩展。一旦不再有数据发送，连接事件立即关闭。

Note：如何区分是确定包、新包还是重发包？
SN：只有一个 bit 位，所以值是在 0 和 1 之间进行切换。如果序列号与之前的一样，则为重传报文，如果序列号和之间的不同，则为新报文。
NESN：预期序列号，它是接收方希望接到的下一包的序列号，也就是数据包的确认标志。当设备接收到序列（SN）为 0 的报文后，在发送给对方的数据包中，应将 NESN 设为 1，这样对方接收到这个包后，会发送一个新的数据包过来，否则就会重发上一次序列号为 0 的包。这个标志可以用来判断数据包是否被正确接收还是需要重传。

 

责任编辑：xj

原文标题：“蓝牙”技术专题周2 - 蓝牙BLE详解

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