蓝牙 ble的介绍，蓝牙BLE是什么

很多朋友对蓝牙 ble的介绍，蓝牙BLE是什么不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

什么是蓝牙？蓝牙是一种短距离无线通信技术，可以实现固定设备和移动设备之间的数据交换。一般蓝牙3.0之前的BR/EDR蓝牙称为传统蓝牙，蓝牙4.0规范下的乐蓝牙称为低功耗蓝牙。

很多人对蓝牙的认识还局限在手机领域。其实蓝牙的应用远不止这些。在过去的几年里，蓝牙的增长达到了80%。当然，低功耗蓝牙的出现也起到了关键作用。我相信未来蓝牙会创造一个物物互动的世界。标准分类

蓝牙4.0标准包括传统蓝牙模块和低功耗蓝牙模块，是双模标准。低功耗蓝牙也是在传统蓝牙的基础上发展起来的，与传统模块有所不同。它最大的特点是成本和功耗降低，对应用实时性要求高。BLE(Bluetooth Low Energy)蓝牙低能耗技术是一种短距离、低成本和可互操作的无线技术，它使用许多智能手段来最大限度地降低功耗。

BLE技术的工作模式非常适合从微型无线传感器(每半秒交换一次数据)或其他外设(如使用完全异步通信的遥控器)传输数据。这些设备发送的数据很少(通常是几个字节)，次数也很少(比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、协议由两部分组成：控制器和主机2、概要文件和应用程序始终基于GAP和GATT。

3、在单芯片方案中，控制器和主机、配置文件以及应用层都在同一个芯片中4、在网络控制器模式中，主机和控制器一起运行，但是应用程序和配置文件在另一个设备上，例如PC或其他微控制器，它们可以通过UART访问。USB操作5、双芯片模式下，控制器运行在一个控制器上，应用层、profiles、Host是运行在另一个控制器上的BLE设备连接状态的流程图。

具有BLE协议栈各层功能机制的低功耗蓝牙架构

如上图所示，要实现一个BLE应用，首先需要一个支持BLE射频的芯片，然后需要提供一个与这个芯片匹配的BLE协议栈，最后在协议栈上开发自己的应用。可见，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。

BLE协议栈包含哪些功能？简单来说，BLE协议栈主要是把你的应用数据一层一层的封装起来，生成一个符合BLE协议的空中数据包，也就是把应用数据封装在一系列的帧头和帧尾中。具体来说，BLE协议栈主要由以下几部分组成：

PHY层(物理层)。PHY层用于指定BLE使用的无线频带、调制和解调方法。PHY层做得好不好直接决定了整个BLE芯片的功耗、灵敏度和选择性。

LL层(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这样的BLE协议栈可以同时支持20条链路，这是LL层的功劳。LL层有很多事情要做，比如选择哪个射频信道进行通信，如何识别空中数据包，何时发送数据包，如何保证数据的完整性，如何接收ACK，如何重传，如何管理和控制链路。

LL层只负责发送或检索数据，如何分析数据就交给上面的GAP或ATT了。

主机控制器接口.HCI是可选的。HCI主要用于两个芯片实现BLE协议栈时，用来规范它们之间的通信协议和通信命令。间隙层(通用访问配置文件)。GAP是分析LL层有效载荷的两种方法之一，也是最简单的一种。GAP简单定义了LL有效载荷，所以功能极其有限。GAP目前主要用于广播、扫描和发起连接。

L2CAP层(逻辑链路控制和适配协议)。L2CAP只是封装了LL，LL只关心传输的数据本身。L2CAP应区分加密信道和普通信道，同时管理连接间隔。安全管理协议.SMP用于管理BLE连接的加密和安全，如何在不影响用户体验的情况下保证连接的安全性，是SMP要考虑的所有工作。

ATT(属性协议).简单来说，ATT层用于定义用户命令和命令操作的数据，例如读取或写入某些数据。在BLE协议栈中，ATT是开发者接触最多的。BLE引入了属性的概念，用来描述一段数据。属性不仅定义了数据，还定义了数据可以使用的ATT命令，所以这一层称为ATT层。

通用属性配置文件.GATT用于规范属性中的数据内容，并使用组的概念对属性进行分类和管理。没有GATT，BLE协议栈可以运行，但是互联互通会有问题。正是因为有了GATT和各种应用profile，BLE才摆脱了ZigBee等无线保真的兼容困境，成为出货量最大的2.4G无线通信产品。BLE蓝牙模块主要应用领域1、手机扩展设备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、地下定位等。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协议栈概述。

所谓协议，就是将指定的字节按照一定的顺序进行排列，以便其他人在使用自己的设备时，可以通过这个协议与其他设备进行通信。协议的第一个特点是它有固定的帧格式，通过它接收方可以通过解释帧格式得到新的内容；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 PDU00b: Reserved01b: 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。

以上知识分享希望能够帮助到大家！