BLE技术揭秘

BLE是低功耗蓝牙的英文缩写（Bluetooth Low Energy），是蓝牙4.0版本起开始支持的新的、低功耗版本的蓝牙技术规范。

蓝牙技术联盟（Bluetooth SIG）在2010年发布了跨时代的蓝牙4.0，它并不是蓝牙3.0的简单升级版本，而是全新的技术架构，蓝牙4.0版本分两种模式：单模蓝牙和双模蓝牙。

常见的蓝牙音箱，是典型的双模蓝牙，它需要传输大量的音频数据。而小米手环，蓝牙温度计则属于单模蓝牙。行业里一般不讲单模蓝牙，而是统一称为低功耗蓝牙。

如今，蓝牙5.0已经发布和应用，4倍通信速度、2倍的通信距离以及Mesh组网特性，将使蓝牙成为物联网领域的重要的技术之一。本文我们将全方位的揭秘BLE（低功耗蓝牙）技术。

1 蓝牙简介

蓝牙是一种近距离无线通信技术，运行在2.4GHz免费频段，目前已大量应用于各种移动终端，物联网，健康医疗，智能家居等行业。蓝牙4.0以后的版本分为两种模式，单模蓝牙和双模蓝牙。

• 单模蓝牙，即低功耗蓝牙模式，是蓝牙4.0中的重点技术，低功耗，快连接，长距离。
• 双模蓝牙，支持低功耗蓝牙的同时还兼容经典蓝牙，经典蓝牙的特点是大数据高速率，例如音频、视频等数据传输。

如下图所示，双模蓝牙具有下图所有的特点，而单模蓝牙仅如图右侧所示。

经典蓝牙支持音频（HFP/HSP, A2DP）和数据（SPP, HID等）两大类协议，在音箱，耳机，汽车电子及传统数传行业，由于苹果对经典蓝牙数据传输接口有限制（需要过MFI认证），加上功耗偏大，因此在目前移动互联应用中慢慢地被边缘化。因此低功耗蓝牙顺势而出，由于可支持苹果4S以上及安卓4.3系统以上的数据传输，且功耗极低，目前正在被越来越多的移动互联设备所采用，但低功耗蓝牙不支持音频协议，并且受数据传输速度限制，其应用也被限制在小数据传输行业。而蓝牙双模则是综合了两者的优缺点，既可以支持音频传输，同样可支持数据传输，并且兼容性也是两者之和，在对功耗要求不苛刻的情况下，是比较理想的选择。

2 BLE特点

低功耗蓝牙瞄准多个市场，特别是移动智能终端，智能家居，互联设备等领域，主要特点包括：

• 低功耗，使用纽扣电池就可以运行数月至数年。
• 快连接，毫秒级的连接速度，传统蓝牙甚至长达数分钟。
• 远距离，长达数百米的通信距离，而传统蓝牙通常10米左右。

蓝牙联盟沿用经典蓝牙的规范内容，为低功耗蓝牙定义了一些标准Profile，Profile理解为规范，只要遵守该规范，任意厂家的蓝牙设备，均可以相互连接与通信，例如无线蓝牙键盘鼠标，无论是安卓或是iOS还是Windows，均是即插即用，这便是“标准”的力量。低功耗蓝牙支持的标准Profile有：

• HID，用于无线鼠标，键盘或其他遥控设备。
• BatteryServices，电池状态服务，用于告知电池电量状态。
• HRP，心率计Profile，用于心率采集。等等。

另外，低功耗蓝牙还可以自定义Profile，伴随着智能手机的发展和普及，低功耗蓝牙的这个特性得到了发扬光大，同时也拓宽了低功耗蓝牙的应用领域。例如，可以自定义一个开关量的Profile，数据01表示开灯，数据00表示关灯，然后手机发送数据01和00就可以控制灯的亮和灭。类似的应用案例有很多，下面总结应用特点

• 支持自定义Profile，可以收发任意格式的数据，如01和00
• 支持自定义设备，支持任意设备的连接和通信，例如智能蓝牙插座等。

提示：低功耗蓝牙的Profile均基于GATT（通用属性规范，后面会详解）之上，如HID over GATT。也就是说，经典蓝牙中的HID规范与低功耗蓝牙中的HID规范用的是两个不同的通道。

3 BLE工作流程

本节我们介绍低功耗蓝牙的基本行为状态和主从机交互过程，为后面的低功耗蓝牙协议的学习准备基础。

3.1 角色

BLE设备角色主要分为两种角色，主机（Master或Central）和从机（Peripheral），当主机和从机建立连接之后才能相互收发数据

• 主机，主机可以发起对从机的扫描连接。例如手机，通常作为BLE的主机设备
• 从机，从机只能广播并等待主机的连接。例如智能手环，是作为BLE的从机设备

另外还有观察者（Observer）和广播者（Broadcaster），这两种角色不常使用，但也十分有用，例如iBeacon，就可以使用广播者角色来做，只需要广播特定内容即可。

• 观察者，观察者角色监听空中的广播事件，和主机唯一的区别是不能发起连接，只能持续扫描从机。
• 广播者，广播者可以持续广播信息，和从机的唯一区别是不能被主机连接，只能广播数据

蓝牙协议栈没有限制设备的角色范围，同一个BLE设备，可以作为主机，也可以作为从机，我们称之为主从一体，主从一体的好处是，每个BLE设备都是对等的，可以发起连接，也可以被别人连接，更加实用。

3.2 广播

广播是指从机每经过一个时间间隔发送一次广播数据包，这个时间间隔称为广播间隔，只有当从机处于广播状态时，主机才能发现该从机。

广播时间间隔的范围是从20ms到10.24s，广播间隔影响建立连接的时间。

广播数据包最多能携带31个字节的数据，一般包含可读的设备名称，设备是否可连接等信息。

当主机收到从机广播的数据包后，它可以再发送获取更多数据包的请求，这个时候从机将广播扫描回应数据包，扫描回应数据包和广播包一样，可以携带31个字节的数据。

提示：蓝牙4.x，广播有效载荷最多是31个字节。而在蓝牙5.0中，通过添加额外的广播信道和新的广播PDU，将有效载荷增加到了255个字节

3.3 扫描

扫描是主机监听从机广播数据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。

扫描动作有两个比较重要的时间参数：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。

3.4 连接

在BLE连接中，使用跳频方案，两个设备在特定时间、特定频道上彼此发送和接收数据。这些设备稍后在新的通道（协议栈的链路层处理通道切换）上通过这个约定的时间相遇。这次用于收发数据的相遇称为连接事件。如果没有要发送或接收的应用数据，则交换链路层数据来维护连接。两个连接事件之间的时间跨度称为连接间隔，是以1.25 ms为单位，范围从最小值7.5 ms到最大值4.0 s

3.5 通信

读写特征值，以及通知。

内容待完善。

3.6 断开

主机或从机都可以发起断开连接请求，对方会收到该请求，然后断开连接恢复连接前的状态。

3.7 总结

我们总结一下BLE的工作流程，使用两个虚拟的BLE硬件来模拟主从机的交互过程。

假设有两个BLE设备，使用的是BLE261低功耗蓝牙模块，一个是主机，名称为：BleCentral，另一个是从机，名称为：BlePeripheral，如下图所示，

图片1

图片2

4 BLE协议栈

BLE协议栈一般是指芯片厂家，依据 Bluetooth SIG 发布的 Bluetooth Core Specification 核心协议的代码实现，可由MCU程序调用，可实现上节BLE工作流程等相关功能。

常见的协议栈有德州仪器 TI 的 ble-stack 和 Nordic 的 SoftDevice。