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。

本文我们将由表及里，由浅入深，全方位的揭秘低功耗蓝牙技术。

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理解为数据规范，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

低功耗蓝牙协议里，引用了服务 Service 和 特征值 Characteristic 的概念。每个服务和特征值都有自己的唯一标识 UUID，芯片中采用两个字节的UUID。

一个从机设备包括一个或者多个服务；一个服务中又可以包括一条或者多条特征值，每个特征值都有自己的属性 Property，属性的取值有：可读 Read，可写 Write 以及 通知 Notify。

可读可写的字面意思容易理解，表示该特征值可以被主机读取和写入数据，而通知则表示从机可以主动向主机发送通知数据。这便是主从机之间两个典型的通信方式。

下图是一个典型的从机设备，该从机包含有一个Profile，两个个Service和五个Characteristic。我们先来介绍这些特征值的作用，然后介绍如何通过特征值通信。

服务0x180A

180A是蓝牙协议里标准的服务UUID，用来描述设备信息 Device Information，可以通过该服务，来提供从机设备的相关说明，例如硬件版本，软件版本，序列号等信息。这样，主机就可以获取从机的设备信息。上图中我们添加了三个提供具体设备信息的特征值，他们分别是：

• 特征值0x2A24，描述产品型号 Model Number String，例如某智能锁的产品型号为：“DSL-C07”。
• 特征值0x2A25，描述产品序列号 Serial Number String，例如某智能锁的产品序列号为：“lkjl0016190502552269”
• 特征值0x2A26，描述产品固件版本号 Firmaware Revision String，例如某智能锁的固件号为：“2.7.2.0”

上述特征值仅有Read属性，因此主机只能读，不能执行写操作。

服务0xFFF0

FFF0是我们自定义的服务UUID，它包含两个特征值，用来发送和接收数据。

• 特征值0xFFF1，自定义的数据发送通道，具有Read和Write属性，主机可以通过该特征值，向从机发送数据，至于发送的数据最大长度，可以在Profile中配置。
• 特征值0xFFF2，自定义的数据接收通道，具有Notify属性，从机可以通过该特征值，主动向主机发送数据。

假设主机写特征值的协议栈函数原型为 int GATT_WriteCharValue(uuid_t UUID, uint8 *pValue, uint8 len)

假设从机发送通知的协议栈函数原型为 int GATT_Notification(uuid_t UUID, uint8 *pValue, uint8 len)

那么主机向从机发送Hello，可以这样调用协议栈的函数：GATT_WriteCharValue(0xFFF1,"Hello",5)

那么从机向主机发送1234，可以这样调用协议栈的函数：GATT_Notification(0xFFF2,"1234",4)

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 过程演示

现在我们总结一下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（假设已经下载了用于交互演示的功能固件），一个是主机，名称为：BleCentral，另一个是从机，名称为：BlePeripheral，如下图所示。

3.7.1 步骤1：上电初始化

主机、从机上电后（不分先后顺序），首先进行协议栈初始化和相关功能调用，如下图所示。

• 主机设备，主机初始化时，需要设置设备类型，设置用于扫描的相关参数，初始化GATT等协议相关的参数。（下一章节详细介绍何为GATT）
• 从机设备，从机初始化时，需要设置设备名称，广播相关参数，从机Profile等。从机一般会立即开启广播，也可以等待一个事件来触发广播，例如按键触发。

3.7.2 步骤2：主机扫描从机

按键按下，触发主机扫描从机，此时，主机显示屏打印Scanning正在扫描。此刻的从机仍然处于广播状态。

3.7.3 步骤3：发现从机设备

当主机扫描到从机时，可以返回已扫描到的从机相关信息，例如可以提取到下图中的从机设备名称，从机MAC地址，从机的RSSI信号值等数据。

因此，有些应用在从机的广播包或者扫描回应包中添加自定义字段，这样就可以被主机通过扫描的方式拿到数据。

3.7.4 步骤4：发送连接请求

当主机扫描到从机后，通过MAC地址向从机发送连接请求。低功耗蓝牙的连接速度非常快，100ms左右即可成功连接上。如果从机的广播比较大，则会影响连接的速度。

从机在未收到连接请求之前仍然处于自由的广播状态。

3.7.5 步骤5：成功连接从机

当从机收到连接请求后，双方成功建立连接，此时双方的状态均变为已连接状态。

然后主机可以调用协议栈提供的接口函数来获取从机的服务。

3.7.6 步骤6：获取从机服务

获取从机服务通常是在连接成功后就立即执行的，因为只有获取从机的服务后，才能与其通信。下图是主机向从机发送获取服务的请求。

此刻，从机处于已连接状态。响应服务获取请求是在底层自动完成，上层无需理会。

3.7.7 步骤7：成功获取服务

如下图所示，主机成功获取到从机的服务，例如获取到UUID为0xFFF0的Services，该Service有两个特征值，分别是具有读写属性的0xFFF1，以及具有通知属性的0xFFF2。

读写属性是指主机可以读写该特征值的内容。而通知属性是指从机可以通过该特征值向主机发送数据。

3.7.8 步骤8：主机向从机发送数据

主机通过特征值0xFFF1，主动向从机发送自定义数据Hello，当数据成功发送后，主机状态变为：数据已发送。从机将收到主机发来的数据，从机状态变为收到数据。

3.7.9 步骤9：从机向主机发送数据

从机可以通过Norify的方式主动向主机发送数据，例如下图，从机通过特征值0xFFF2发送了一条Notify通知，数据内容为：1234

3.7.10 步骤10：发送断开请求

主机和从机任何一方均可以发起断开连接的请求，对方收到后，状态将变为已断开。

3.7.11 步骤11：成功断开连接

从机收到主机发来的断开请求，此刻状态变为已断开。

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 核心协议的实现的代码固件，并提供函数接口，由芯片内部程序调用，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。

4.1 功能框图

在本节中，我们列举两家典型的蓝牙芯片厂家：TI和Noridc，来深入了解低功耗蓝牙协议栈。

下图是TI的CC26系列芯片协议栈结构图，

下图是Nordic的nRF52系列芯片的协议栈结构图。

4.2 协议栈结构

从上节的两张协议栈功能框图中可以看出，无论是哪个芯片厂商实现的BLE协议栈，其结构都非常的相似，均三个部分：

1. 底层：Controller
2. 中层：Host
3. 顶层：Application

然后每一层又分成若干个子模块。我们现在由下而上，逐层介绍。

提示：我们将位于顶层的应用层Application也归到协议栈中描述，其实，应用层Application不属于协议栈，它是用来调用协议栈提供的接口，然后实现蓝牙的功能。

4.2.1 控制器Controller

• Physical Layer，简称：PHY，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。
• Link Layer，简称：LL，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
• Host Controller Interface，简称：HCI。协议栈应用开发中，我们会经常看到HCI的身影，它对上Host提供Controller的功能接口，所以称作Host Controller Interface。

4.2.2 主控Host

• Logical Link Control Adaptation Protocol，简称：L2CAP。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。
• Attribute Protocol，简称：ATT。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。
• Security Manager，简称：SM。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。
• Generic Access Profile，简称：GAP。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。
• Generic Attribute Profile，简称：GATT。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。

4.2.3 应用Application

应用层是用户开发具体代码的地方，没有标准的分层，只包含必要的协议栈参数设置和函数调用。我们分别从蓝牙从机和蓝牙主机两种设备来分析。

• 蓝牙从机
  1. 相关硬件和基础服务初始化
  2. 设置广播参数：广播数据，广播间隔，扫描回应等参数或者数据。
  3. 设置Profile：添加从机服务、特征是，还有设置回调函数用于接收主机数据等。
  4. 设置绑定管理参数（可选）
  5. 启动广播，开始运行。
• 蓝牙主机
  1. 相关硬件和基础服务初始化
  2. 设置扫描参数。
  3. 设置连接参数。
  4. 设置绑定管理参数（可选）
  5. 启动协议栈，开始运行。