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。
目录
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。
3 BLE通信过程
前文介绍了低功耗蓝牙的基本知识,本节我们介绍低功耗蓝牙的基本行为状态和使用过程,为后面的低功耗蓝牙协议的学习准备好感官基础。
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。
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。