Bluetooth low energy介绍

1. 介绍

Bluetooth low energy，也称BLE(低功耗蓝牙)，在4.0规范中提出

BLE分为两种设备

- 单模(single-mode): Logo为「Bluetooth?Smart」
- 双模(dual-mode):   Logo为「Bluetooth?Smart Ready」

.csharpcode, .csharpcode pre
{
font-size: small;
color: black;
font-family: consolas, "Courier New", courier, monospace;
background-color: #ffffff;
/*white-space: pre;*/
}
.csharpcode pre { margin: 0em; }
.csharpcode .rem { color: #008000; }
.csharpcode .kwrd { color: #0000ff; }
.csharpcode .str { color: #006080; }
.csharpcode .op { color: #0000c0; }
.csharpcode .preproc { color: #cc6633; }
.csharpcode .asp { background-color: #ffff00; }
.csharpcode .html { color: #800000; }
.csharpcode .attr { color: #ff0000; }
.csharpcode .alt
{
background-color: #f4f4f4;
width: 100%;
margin: 0em;
}
.csharpcode .lnum { color: #606060; }

tip: 传统蓝牙的Logo为「Bluetooth?」

BLE与传统蓝牙的兼容性如下图所示

可以看出他们之间的通信规则如下(Bluetooth指代传统蓝牙,下同):

Smart Ready: Smart Ready、Bluetooth、Smart
Bluetooth:   Smart Ready、Bluetooth
Smart:       Smart Ready、Smart

.csharpcode, .csharpcode pre
{
font-size: small;
color: black;
font-family: consolas, "Courier New", courier, monospace;
background-color: #ffffff;
/*white-space: pre;*/
}
.csharpcode pre { margin: 0em; }
.csharpcode .rem { color: #008000; }
.csharpcode .kwrd { color: #0000ff; }
.csharpcode .str { color: #006080; }
.csharpcode .op { color: #0000c0; }
.csharpcode .preproc { color: #cc6633; }
.csharpcode .asp { background-color: #ffff00; }
.csharpcode .html { color: #800000; }
.csharpcode .attr { color: #ff0000; }
.csharpcode .alt
{
background-color: #f4f4f4;
width: 100%;
margin: 0em;
}
.csharpcode .lnum { color: #606060; }

2. 协议栈

BLE协议栈如下图所示

BLE协议栈由Controller和Host两部分组成

Profile和Service基于GAP和GATT

应用协议定义其使用的服务，说明是传感器端还是接收端

定义GATT的角色(Server/Client)和GAP的角色(Peripheral/Central)

单芯片方案中，Controller和Host、Profile及应用都在同一芯片中

网络控制器模式中，COntroller和Host运行在设备中，但是Profile和应用则在其他设备上，比如PC或者其他微控制器，可以通过UART、USB进行操作

双芯片模式中，Controller运行在一个控制器，而Host、Profile和应用运行在另一个控制器上

1 - PHY: 1Mbps自适应跳频GFSK，运行在2.4GHz频段。

2 - LL:  RF控制器，控制设备处于准备（standby）、广播（Advertising）、监听/扫描（scanning）、初始化（initiating）、连接（connected）这5中状态中的一种

3 - HCI: 为接口层，向上为主机提供软件应用程序接口（API），对外为外部硬件控制接口，可以通过串口、SPI、USB来实现设备控制

4 - L2CAP: 为上层提供数据封装服务，允许逻辑上的端到端数据通信

5 - SM: 提供配对和密钥分发服务，实现安全连接和数据交换

6 - GAP: 直接与应用程序或配置文件（Profiles）通信的接口，处理设备发现和连接相关服务。另外还处理安全特性的初始化

7 - ATT: 导出特定的数据（称为属性）到其他设备

8 - GATT: 定义了使用ATT的服务框架和配置文件（profiles）的结构。BLE中所有的数据通信都需要经过GATT

3. 链路层(LL)

3.1 链路状态机

链路层操作可以描述为链路状态机(The Link Layer State Machine)

链路状态机有如下五种状态

- Standby State:      准备,不传输或接受数据包
- Advertising State:  广播, advertiser,发送advertising channel packets,接受来自scanner的响应
- Scanning State:     监听/扫描, scanner,监听来自advertiser的advertising channel packets
- Initiating State:   初始化, initiator, 监听来自特殊设备的advertising channel packets,并进行初始化连接
- Connection State:   连接, 有两种角色: Master Role(从initiator进入)/Slave Role(从advertiser进入).csharpcode, .csharpcode pre
{
	font-size: small;
	color: black;
	font-family: consolas, "Courier New", courier, monospace;
	background-color: #ffffff;
	/*white-space: pre;*/
}
.csharpcode pre { margin: 0em; }
.csharpcode .rem { color: #008000; }
.csharpcode .kwrd { color: #0000ff; }
.csharpcode .str { color: #006080; }
.csharpcode .op { color: #0000c0; }
.csharpcode .preproc { color: #cc6633; }
.csharpcode .asp { background-color: #ffff00; }
.csharpcode .html { color: #800000; }
.csharpcode .attr { color: #ff0000; }
.csharpcode .alt
{
	background-color: #f4f4f4;
	width: 100%;
	margin: 0em;
}
.csharpcode .lnum { color: #606060; }

链路状态机只允许处于五种状态之一

链路层可以有多个链路状态机，但至少有一个支持Advertising/Scanning State

处于Master Role的设备可以和多个Slave Role分时通信

处于Slave Role的设备只能和处于Master Role的设备通信

下图展示了允许和禁止的链路状态机和角色的组合

3.2 比特序(Bit Ordering)

在链路层规范中规定PDU比特序为Little Endian format

3.3 设备地址(Device Address)

设备地址可以是公共地址或者随机地址，长度为48 bits

- 公共地址: 采用IEEE 802-2001 standard的48-bit universal LAN MAC addresses

- 随机地址: 详细要求可参考规范

3.4 物理信道(Physical Channel)

BLE RF信道被定义为两种: advertising and data

- advertising信道: 使用3个RF信道用来发现设备，初始化连接和广播数据
- data信道:        则使用多达37个RF信道用于两个连接设备间通信

.csharpcode, .csharpcode pre
{
font-size: small;
color: black;
font-family: consolas, "Courier New", courier, monospace;
background-color: #ffffff;
/*white-space: pre;*/
}
.csharpcode pre { margin: 0em; }
.csharpcode .rem { color: #008000; }
.csharpcode .kwrd { color: #0000ff; }
.csharpcode .str { color: #006080; }
.csharpcode .op { color: #0000c0; }
.csharpcode .preproc { color: #cc6633; }
.csharpcode .asp { background-color: #ffff00; }
.csharpcode .html { color: #800000; }
.csharpcode .attr { color: #ff0000; }
.csharpcode .alt
{
background-color: #f4f4f4;
width: 100%;
margin: 0em;
}
.csharpcode .lnum { color: #606060; }

RF Channel和Advertising/Data channel Index对应关系如下图

时间： 2024-08-07 00:42:43

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