摘要

本文深入介紹了低功耗藍(lán)牙(BLE)協(xié)議棧架構(gòu)，并探討了如何運(yùn)用現(xiàn)有的BLE應(yīng)用，充分發(fā)揮低功耗無(wú)線通信的潛力。為了能夠高效可靠地開展設(shè)計(jì)、解決問(wèn)題和優(yōu)化應(yīng)用，這些知識(shí)必不可少。

引言

低功耗藍(lán)牙(BLE)是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)生態(tài)系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。BLE最初是作為一種無(wú)線協(xié)議開發(fā)的，用于取代鍵盤、鼠標(biāo)和耳機(jī)等消費(fèi)電子產(chǎn)品中的線纜，但時(shí)至今日，它的功能已經(jīng)大大拓展，不再僅僅是線纜的替代方案。目前，它在醫(yī)療、零售、汽車等多個(gè)行業(yè)及位置標(biāo)簽、儀器控制等工業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。

根據(jù)《2023年藍(lán)牙市場(chǎng)更新報(bào)告》(2023 Bluetooth Market Update)，從2023年到2027年，支持藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)的設(shè)備出貨量的復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)為9%。1 在這種增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)下，預(yù)計(jì)到2027年，BLE設(shè)備出貨量將翻一番以上，并且在所有支持藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)備中，97%會(huì)采用BLE。1

BLE是一種無(wú)線技術(shù)，于2010年7月隨藍(lán)牙4.0規(guī)范推出。BLE前稱為Bluetooth Smart（藍(lán)牙智能），專為超低功耗設(shè)備而設(shè)計(jì)。

我們熟悉的傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)主要用于將智能手機(jī)與耳機(jī)配對(duì)、傳輸音樂(lè)和照片等大量數(shù)據(jù)，而BLE則有著不同的用途。傳統(tǒng)藍(lán)牙雖然能夠處理大量數(shù)據(jù)傳輸，但會(huì)因此而消耗更多的電池電量。相比之下，BLE針對(duì)不需要大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，因而成為各種功耗敏感應(yīng)用的理想選擇。傳統(tǒng)藍(lán)牙即使在不使用時(shí)，仍會(huì)保持活動(dòng)狀態(tài)并消耗電量，而BLE大部分時(shí)間處于休眠模式，僅在建立連接時(shí)才會(huì)喚醒，并且連接時(shí)間通常僅維持幾毫秒。這種高效的電源管理，結(jié)合最高1 Mbps（BLE 5.0中達(dá)到2 Mbps）的數(shù)據(jù)速率，使得BLE設(shè)備能夠以極低的功耗運(yùn)行。

圖1.(a)經(jīng)典藍(lán)牙和(b)低功耗藍(lán)牙規(guī)范要點(diǎn)2

圖2.(a)經(jīng)典藍(lán)牙和(b)低功耗藍(lán)牙的應(yīng)用2

藍(lán)牙規(guī)范

如圖1和圖2所示：

經(jīng)典藍(lán)牙：代表藍(lán)牙的最早版本，具有較高的數(shù)據(jù)速率能力，適用于流媒體、高帶寬文件傳輸和耳機(jī)。它有79個(gè)RF信道，其中32個(gè)廣播信道，以便其他設(shè)備可以發(fā)現(xiàn)和連接。

低功耗藍(lán)牙：針對(duì)數(shù)據(jù)傳輸不頻繁的低功耗應(yīng)用，例如傳感器和其他低帶寬傳輸。它有40個(gè)RF信道，其中3個(gè)信道用于設(shè)備發(fā)現(xiàn)。

BLE應(yīng)用概述

典型的BLE應(yīng)用由兩個(gè)設(shè)備組成：外圍設(shè)備和中心設(shè)備。在建立連接之前，外圍設(shè)備會(huì)通過(guò)一個(gè)稱為BLE廣播的過(guò)程對(duì)外宣告自身的存在。中心設(shè)備會(huì)掃描可用的外圍設(shè)備。一旦中心設(shè)備找到所需的外圍設(shè)備，兩者之間就會(huì)建立連接。然后，每個(gè)設(shè)備中的應(yīng)用可以通過(guò)BLE協(xié)議棧的不同層傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)相互通信。參見圖3。

例如，智能手機(jī)可以充當(dāng)中心設(shè)備，而健身追蹤器可以充當(dāng)外圍設(shè)備。健身追蹤器作為服務(wù)器，收集心率、血壓、ECG、步數(shù)甚至睡眠模式等數(shù)據(jù)。健身追蹤器向附近設(shè)備廣播自身的存在，包括作為客戶端的智能手機(jī)。智能手機(jī)從健身追蹤器中檢索這些數(shù)據(jù)，并顯示在用戶易于理解的應(yīng)用程序上。這只是BLE支持實(shí)現(xiàn)的眾多應(yīng)用中的一個(gè)例子，我們將在文章的后半部分討論更多應(yīng)用。

圖3.外圍設(shè)備和中心設(shè)備的各層

BLE協(xié)議棧架構(gòu)

BLE協(xié)議棧架構(gòu)（如圖4所示）是實(shí)現(xiàn)BLE設(shè)備之間通信的結(jié)構(gòu)化軟件框架。它定義了必要的層級(jí)和協(xié)議，用于建立、維持和終止藍(lán)牙連接，方便設(shè)備間交換數(shù)據(jù)。

BLE協(xié)議棧架構(gòu)通常分為三個(gè)主要層級(jí)：應(yīng)用層、主機(jī)層和控制器層。應(yīng)用層是協(xié)議棧的最頂層。BLE設(shè)備上運(yùn)行的應(yīng)用程序在這一層利用和處理實(shí)際數(shù)據(jù)。主機(jī)層位于協(xié)議棧中的應(yīng)用層和控制器層之間，實(shí)現(xiàn)了BLE通信所需的所有較高級(jí)別協(xié)議和配置文件。此外，它還提供高級(jí)應(yīng)用程序編程接口(API)，使得應(yīng)用程序能夠與協(xié)議棧的較低層交互?？刂破鲗邮荁LE協(xié)議棧的硬件部分，負(fù)責(zé)藍(lán)牙信號(hào)的發(fā)送和接收?？刂破鲗犹幚硇盘?hào)的跳頻、調(diào)制和解調(diào)等任務(wù)。上述層級(jí)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)BLE設(shè)備之間高效可靠的通信。

圖4.BLE協(xié)議棧架構(gòu)

應(yīng)用

應(yīng)用層用于實(shí)現(xiàn)BLE設(shè)備具體應(yīng)用需求。應(yīng)用層通過(guò)GATT(通用屬性規(guī)范)與協(xié)議棧下層進(jìn)行交互，基于GATT定義的服務(wù)、特征和相應(yīng)數(shù)據(jù)。

設(shè)備的特性和行為在應(yīng)用層設(shè)計(jì)。其中包括定義服務(wù)和特征，指定數(shù)據(jù)交換方式，實(shí)現(xiàn)連接、斷開連接、數(shù)據(jù)更新等事件處理邏輯。應(yīng)用層的主要作用是根據(jù)設(shè)備及其預(yù)期使用場(chǎng)景的具體需求來(lái)定制BLE協(xié)議棧。

主機(jī)

主機(jī)層包含BLE協(xié)議棧的其余上層協(xié)議，具體包括邏輯鏈路控制與適配協(xié)議(L2CAP)、安全管理器協(xié)議(SMP)、屬性協(xié)議(ATT)、通用屬性規(guī)范(GATT)和通用訪問(wèn)規(guī)范(GAP)。L2CAP作為上下層協(xié)議之間的通道接口，負(fù)責(zé)應(yīng)用數(shù)據(jù)的分割和封裝，并使用ACL鏈接傳輸數(shù)據(jù)包。L2CAP通過(guò)通道標(biāo)識(shí)符(CID)和通道復(fù)用來(lái)正確定位設(shè)備上的端點(diǎn)。參見圖5。

圖5.L2CAP數(shù)據(jù)包

L2CAP信號(hào)

在BLE協(xié)議棧中，命令以請(qǐng)求和響應(yīng)的形式在設(shè)備之間交換。以下是有關(guān)命令的一些要點(diǎn)：

命令以請(qǐng)求和響應(yīng)的形式發(fā)送。

每個(gè)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)可以發(fā)送一個(gè)命令。

包含L2CAP信令消息的PDU稱為C幀（控制幀），而數(shù)據(jù)幀則分為B幀（基本信息幀）和LE幀（低功耗信息幀）。參見圖6。

圖6.L2CAP幀格式

?Command Reject（命令被拒絕）

?命令代碼無(wú)法識(shí)別或命令長(zhǎng)度不正確時(shí)發(fā)送的響應(yīng)

?可能原因

?未知命令

?超出LCAP信令最大傳輸單元(MTU)

?請(qǐng)求中的CID無(wú)效

?Connection Parameter Update Request（連接參數(shù)更新請(qǐng)求）

?由LE節(jié)點(diǎn)向LE主節(jié)點(diǎn)發(fā)送，請(qǐng)求一組新的連接參數(shù)

?連接參數(shù)

?Interval min（最小間隔）

?Interval max（最大間隔）

?Node latency（節(jié)點(diǎn)延遲）

?Timeout multiplier（超時(shí)乘數(shù)）

?Connection Parameter Update Response（連接參數(shù)更新響應(yīng)）

?由LE主節(jié)點(diǎn)向LE節(jié)點(diǎn)發(fā)送，以響應(yīng)連接參數(shù)更新請(qǐng)求

SMP定義了BLE設(shè)備之間的配對(duì)、認(rèn)證和加密程序。SMP命令使用L2CAP服務(wù)執(zhí)行這些程序。SMP命令包由代碼字段和數(shù)據(jù)字段組成。代碼字段用于標(biāo)識(shí)命令的類型，而數(shù)據(jù)字段的長(zhǎng)度和格式取決于命令類型。所有SMP程序都實(shí)現(xiàn)了30秒超時(shí)，用于判斷程序是否失敗。參見表1。

表1.SMP命令代碼

ATT定義了訪問(wèn)設(shè)備屬性或數(shù)據(jù)的規(guī)則。它支持發(fā)現(xiàn)、讀取和寫入遠(yuǎn)程設(shè)備上的屬性。ATT遵循客戶端-服務(wù)器模型。服務(wù)器公開一組屬性，而客戶端可以發(fā)現(xiàn)、讀取和寫入這些屬性。ATT中的屬性結(jié)構(gòu)由句柄、類型、值和權(quán)限組成。屬性句柄是分配給服務(wù)器上每個(gè)屬性的唯一非零標(biāo)識(shí)符。屬性類型通過(guò)通用唯一標(biāo)識(shí)符(UUID)指定屬性的含義。UUID可以是由藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)分配的16位UUID，也可以是自定義的128位UUID。屬性值是屬性的實(shí)際數(shù)據(jù)值，而屬性權(quán)限決定了屬性允許的訪問(wèn)級(jí)別。參見圖7。

圖7.屬性結(jié)構(gòu)

ATT定義了六種協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）類型：請(qǐng)求、響應(yīng)、命令、確認(rèn)、通知和指示（圖8）。請(qǐng)求PDU由客戶端發(fā)送給服務(wù)器，請(qǐng)求回復(fù)。響應(yīng)PDU是請(qǐng)求回復(fù)時(shí)服務(wù)器對(duì)客戶端的回復(fù)。命令PDU由客戶端發(fā)送給服務(wù)器，無(wú)需回復(fù)。指示PDU由服務(wù)器發(fā)送給客戶端，需要回復(fù)。確認(rèn)PDU由客戶端發(fā)送給服務(wù)器，作為對(duì)指示的回復(fù)。通知PDU由服務(wù)器發(fā)送給客戶端，無(wú)需回復(fù)。通過(guò)這些PDU類型，客戶端和服務(wù)器可以在BLE協(xié)議棧的ATT層交換信息和進(jìn)行控制。

圖8.不同類型的屬性PDU

ATT PDU包由操作碼、屬性參數(shù)和身份驗(yàn)證簽名構(gòu)成（圖9）。操作碼字段用于標(biāo)識(shí)PDU的方法/類型，例如請(qǐng)求或響應(yīng)。它還包括一個(gè)命令標(biāo)志，用于指示PDU類型是否為命令；以及一個(gè)身份驗(yàn)證簽名標(biāo)志，用于指示數(shù)據(jù)包是否使用身份驗(yàn)證簽名。

圖9.ATT PDU包格式

圖10.BLE層數(shù)據(jù)包格式

圖10總結(jié)了BLE協(xié)議棧架構(gòu)中各層的數(shù)據(jù)包格式，并概要顯示了數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。

沿著主機(jī)層往上，下一個(gè)更高的層級(jí)是GATT。通用屬性規(guī)范(GATT)負(fù)責(zé)定義數(shù)據(jù)或?qū)傩缘母袷交⒎庋b以及設(shè)備之間的交互規(guī)則。GATT程序包括屬性發(fā)現(xiàn)、讀取、寫入、通知和指示。它為管理BLE設(shè)備中的數(shù)據(jù)提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)框架。

一個(gè)BLE設(shè)備中可能存在多個(gè)GATT配置文件（圖11）。藍(lán)牙規(guī)范中定義了標(biāo)準(zhǔn)配置文件，以確保不同制造商生產(chǎn)的BLE設(shè)備能夠互操作。但是，基于特定應(yīng)用要求，也可以實(shí)現(xiàn)自定義配置文件。因此，了解GATT配置文件的結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

GATT配置文件由服務(wù)組成。服務(wù)指ATT協(xié)議中定義的一組相關(guān)屬性。在GATT中，“特征”一詞通常用于指代屬性，但特征可能包含本身即為屬性的描述符。特征是用戶數(shù)據(jù)的容器，而描述符提供有關(guān)用戶數(shù)據(jù)的說(shuō)明或附加信息。

圖11.GATT配置文件結(jié)構(gòu)

與ATT類似，GATT中也有兩個(gè)角色：GATT客戶端和GATT服務(wù)器。GATT客戶端是訪問(wèn)遠(yuǎn)程GATT服務(wù)器上數(shù)據(jù)的設(shè)備。GATT服務(wù)器是支持遠(yuǎn)程GATT客戶端訪問(wèn)數(shù)據(jù)的設(shè)備。在GATT中，一個(gè)設(shè)備的角色由數(shù)據(jù)訪問(wèn)的方向決定。

在BLE協(xié)議棧的主機(jī)層中，通用訪問(wèn)規(guī)范（GAP - Generic Access Profile） 是頂層協(xié)議，定義了藍(lán)牙設(shè)備如何相互訪問(wèn)和通信。GAP涵蓋了設(shè)備的工作模式、發(fā)現(xiàn)流程、連接建立和安全機(jī)制。所有支持藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)備都需要實(shí)現(xiàn)GAP，因?yàn)樗鼮锽LE設(shè)備的控制提供了標(biāo)準(zhǔn)框架。

GAP根據(jù)BLE設(shè)備的活動(dòng)狀態(tài)為其提供不同的角色。當(dāng)不需要連接時(shí)，BLE設(shè)備可以充當(dāng)廣播者或觀察者。廣播者是一種在鄰近范圍內(nèi)宣告自身存在的設(shè)備。它主要利用鏈路層的廣播者角色發(fā)送廣播。觀察者與廣播者相反，它利用鏈路層的掃描者角色掃描相關(guān)區(qū)域，以接收來(lái)自附近設(shè)備的廣播。在現(xiàn)實(shí)生活中，廣播者的例子有BLE信標(biāo)，而觀察者的例子有收集數(shù)據(jù)的BLE集線器。參見圖12。

圖12.廣播者向觀察者發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包

當(dāng)可以建立連接時(shí)，GAP為BLE設(shè)備提供兩個(gè)額外的角色：外圍設(shè)備和中心設(shè)備。外圍設(shè)備與廣播者類似，它會(huì)宣告自身的存在，并等待來(lái)自遠(yuǎn)程中心設(shè)備的連接請(qǐng)求。中心設(shè)備則充當(dāng)觀察者，掃描外圍設(shè)備，并向所需外圍設(shè)備發(fā)起連接請(qǐng)求。如前所述，外圍設(shè)備的例子有智能手表、健身追蹤器和家庭自動(dòng)化傳感器，而中心設(shè)備的例子有智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦。參見圖13。

圖13.中心設(shè)備/外圍設(shè)備 vs 廣播者/觀察者

根據(jù)藍(lán)牙規(guī)范的要求，在一個(gè)配置文件中GAP服務(wù)必須由GATT服務(wù)器實(shí)現(xiàn)。GAP服務(wù)涵蓋有關(guān)設(shè)備基本信息的各種特征，通常包括：設(shè)備名稱、設(shè)備外觀、外圍設(shè)備首選連接參數(shù)、中心設(shè)備地址解析，以及僅能通過(guò)解析獲得的私有地址。

控制器

控制器包含兩層：鏈路層和物理層。物理層位于BLE協(xié)議棧的底層，負(fù)責(zé)無(wú)線信號(hào)的實(shí)際傳輸和接收。物理層工作在2.4 GHz ISM頻段，采用高斯頻移鍵控(GFSK)調(diào)制方案。這種調(diào)制方案通過(guò)改變載波信號(hào)的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸。

物理層由40個(gè)信道組成，每個(gè)信道彼此間隔2 MHz：

3個(gè)廣播信道用于廣播短數(shù)據(jù)包，以宣告廣播者的存在及其可用的服務(wù)或信息。

37個(gè)數(shù)據(jù)信道在中心設(shè)備與外圍設(shè)備建立連接后使用。

在藍(lán)牙5核心規(guī)范發(fā)布前，BLE僅使用3個(gè)固定廣播信道（37、38、39）。而藍(lán)牙5引入的擴(kuò)展廣播功能，允許將原本用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)?7個(gè)數(shù)據(jù)信道作為輔助廣播信道使用。此擴(kuò)展解鎖了藍(lán)牙5中的新特性，擴(kuò)展了物理層的編碼方案選擇。參見圖14。

圖14.BLE信道

藍(lán)牙5引入了三種不同的物理層（PHY）類型，支持三種調(diào)制方案和四種數(shù)據(jù)傳輸速率（表2）。默認(rèn)物理層（PHY）為L(zhǎng)E 1M,以每秒1兆符號(hào)率（1 Msym/s）的調(diào)制方案運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)和每秒1兆比特率（1 Mbps）的數(shù)據(jù)傳輸速率，無(wú)線傳輸距離可達(dá)100米。另一類型物理層(PHY)為L(zhǎng)E 2M，使用2 Msym/s調(diào)制方案，數(shù)據(jù)傳輸速率提升至2 Mbps。第三種物理層（PHY）為L(zhǎng)E Coded，支持125Kbps和500Kbps兩種數(shù)據(jù)傳輸速率。類似LE 1M模式，LE Coded采用1 Msym/s符號(hào)率調(diào)試方案。采用數(shù)據(jù)速率125Kbps的編碼，每1比特?cái)?shù)據(jù)擴(kuò)展為8個(gè)符號(hào)（S=8），而采用數(shù)據(jù)速率500Kbps的編碼，每1比特?cái)?shù)據(jù)擴(kuò)展為2個(gè)符號(hào)（S=2）。這種編碼方案使得LE Coded PHY用于長(zhǎng)距離模式應(yīng)用，在空曠空間中傳輸距離可達(dá)1000米。（支持前向糾錯(cuò)，降低誤碼率。）

表2.BLE中的不同PHY

物理層（PHY）的上一層為鏈路層，鏈路層負(fù)責(zé)管理設(shè)備間的掃描、廣播、連接建立、連接和鏈路的維護(hù)。鏈路層還管理這數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺老葥?，利用自適應(yīng)跳頻擴(kuò)頻來(lái)減少干擾。鏈路層狀態(tài)機(jī)定義了五種狀態(tài)：就緒態(tài)、廣播態(tài)、掃描態(tài)、發(fā)起態(tài)、連接態(tài)。（見圖15）

空閑時(shí)鏈路層處于準(zhǔn)備狀態(tài)，不傳輸或接收數(shù)據(jù)包。

在廣播狀態(tài)下，鏈路層（充當(dāng)廣播者）發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包，同時(shí)監(jiān)聽是否有設(shè)備請(qǐng)求額外信息。

在掃描狀態(tài)下，鏈路層（充當(dāng)掃描者）監(jiān)聽廣播者，并可主動(dòng)發(fā)送掃描請(qǐng)求獲取更多額外信息。

在發(fā)起狀態(tài)下，鏈路層（充當(dāng)發(fā)起者）監(jiān)聽來(lái)自廣播者的數(shù)據(jù)包，并響應(yīng)廣播包，向廣播者發(fā)起連接請(qǐng)求。

當(dāng)鏈路層連接到另一個(gè)BLE設(shè)備的鏈路層，就處于已連接狀態(tài)。

圖15.鏈路層狀態(tài)轉(zhuǎn)換

除了不同的狀態(tài)之外，鏈路層還定義了如下事件：廣播事件和連接事件。廣播事件涉及使用廣播信道傳輸數(shù)據(jù)包，而連接事件涉及通過(guò)數(shù)據(jù)信道在已連接狀態(tài)下傳輸數(shù)據(jù)包。

鏈路層還定義了由物理層傳輸?shù)腂LE數(shù)據(jù)包的格式。數(shù)據(jù)包格式分為編碼PHY（Coded PHY）和未編碼PHY（Uncoded PHY）。

圖16.未編碼PHY的BLE數(shù)據(jù)包

如圖16所示，未編碼PHY的BLE數(shù)據(jù)包以前導(dǎo)碼開始，之后是訪問(wèn)地址、PDU和循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)。

如圖17所示，編碼PHY的BLE數(shù)據(jù)包由前導(dǎo)碼、前向糾錯(cuò)(FEC)塊1和FEC塊2組成。

前導(dǎo)碼是用于頻率同步的1和0交替序列。對(duì)于LE 1M，其長(zhǎng)度為1個(gè)字節(jié)；對(duì)于LE 2M，其長(zhǎng)度為2個(gè)字節(jié)。

訪問(wèn)地址用作關(guān)聯(lián)碼，供調(diào)諧到物理信道的設(shè)備使用；其長(zhǎng)度為4個(gè)字節(jié)。對(duì)于物理廣播信道，訪問(wèn)地址為固定值0x8E89BED6。

PDU包含來(lái)自BLE協(xié)議棧上層的有效載荷。它可以是廣播PDU或數(shù)據(jù)PDU，其中可能包含通信所需要的來(lái)自傳感器或其他設(shè)備的重要信息。更多信息將在下一節(jié)中討論。

CRC用于錯(cuò)誤校驗(yàn)。

圖17.編碼PHY的BLE數(shù)據(jù)包

恒音擴(kuò)展(CTE)由一串持續(xù)調(diào)制的非白化1序列組成，通常情況下是選擇性使用的。CTE對(duì)于BLE的測(cè)向特性非常重要。

FEC塊1包含訪問(wèn)地址、編碼指示符(CI)和塊終止符(TERM1)。CI指示FEC塊2使用的編碼方案，而TERM1是3位塊終止符。

FEC塊2包含PDU、CRC和TERM2，其編碼方案與FEC塊1中CI字段所示的編碼方案相同。

無(wú)論未編碼PHY還是編碼PHY，其使用的BLE數(shù)據(jù)包PDU都可以分為兩類：廣播信道PDU和數(shù)據(jù)信道PDU。參見圖18至圖21。

圖18.廣播物理信道PDU

圖19.廣播物理信道PDU標(biāo)頭

如圖19所示，廣播信道PDU用于廣播事件。它由2字節(jié)的標(biāo)頭和最多255字節(jié)的有效載荷組成。

標(biāo)頭包含以下字段：PDU類型、RFU（保留以備將來(lái)使用）位、ChSel、TxAdd、RxAdd和長(zhǎng)度。ChSel、TxAdd和RxAdd位的值取決于PDU類型，而長(zhǎng)度字段用于描述有效載荷的長(zhǎng)度（以字節(jié)為單位）。

圖20.數(shù)據(jù)物理信道PDU

圖21.數(shù)據(jù)物理信道PDU標(biāo)頭

如上圖所示，數(shù)據(jù)信道PDU由連接事件使用。它由2或3字節(jié)的標(biāo)頭、有效載荷以及用于加密鏈路的消息完整性校驗(yàn)(MIC)組成。

數(shù)據(jù)信道PDU標(biāo)頭包含以下字段：LLID、NESN、SN、MD、CP、長(zhǎng)度和CTEInfo。

LLID用于描述鏈路層數(shù)據(jù)PDU的類型

NESN（下一預(yù)期序列）用于標(biāo)識(shí)預(yù)期對(duì)等設(shè)備發(fā)送的下一個(gè)數(shù)據(jù)包

SN（序列號(hào)）用于標(biāo)識(shí)當(dāng)前數(shù)據(jù)包

CP（CTEInfo存在）用于表示存在額外的CTEInfo字段

長(zhǎng)度字段用于描述有效載荷的長(zhǎng)度（以字節(jié)為單位）

CTEInfo用于描述CTE的類型和長(zhǎng)度

主機(jī)控制器接口(HCI)

HCI充當(dāng)主機(jī)和控制器之間的中介。它提供了一組標(biāo)準(zhǔn)化的命令和事件，用于支持這兩層之間的通信。

HCI支持多種類型的傳輸層，包括UART、USB、SDIO和三線UART。每種傳輸層都有自己的規(guī)范和要求。本概述著重介紹UART傳輸層。

根據(jù)藍(lán)牙5.2規(guī)范，UART傳輸層支持五類數(shù)據(jù)包：命令、事件、異步無(wú)連接(ACL)數(shù)據(jù)、同步(SCO)數(shù)據(jù)和等時(shí)(ISO)數(shù)據(jù)。

主機(jī)使用命令數(shù)據(jù)包向控制器發(fā)送命令。這些命令指示控制器執(zhí)行特定的操作或配置。

控制器使用事件數(shù)據(jù)包將已發(fā)生的事件告知主機(jī)。事件可以包括連接狀態(tài)變化、數(shù)據(jù)接收或其他相關(guān)信息。

ACL數(shù)據(jù)包用于主機(jī)與控制器之間交換數(shù)據(jù)。它支持傳輸異步數(shù)據(jù)，例如來(lái)自傳感器或用戶輸入的信息。

SCO數(shù)據(jù)包用于主機(jī)與控制器之間交換同步數(shù)據(jù)。但需要注意的是，BLE不支持SCO數(shù)據(jù)包，SCO數(shù)據(jù)包主要用于經(jīng)典藍(lán)牙中的語(yǔ)音或音頻傳輸。

ISO數(shù)據(jù)包是新增的數(shù)據(jù)包類型，支持利用BLE在設(shè)備之間傳輸有時(shí)限要求的數(shù)據(jù)。等時(shí)數(shù)據(jù)包專為需要精準(zhǔn)時(shí)序的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，例如音頻流傳輸或?qū)崟r(shí)控制。

圖22.藍(lán)牙應(yīng)用

為何如此重要？

BLE廣泛應(yīng)用于從消費(fèi)類產(chǎn)品到工業(yè)環(huán)境的各種場(chǎng)景中，因此了解BLE及其重要性會(huì)大有裨益。BLE是一種不斷發(fā)展和升級(jí)的協(xié)議，為應(yīng)用開發(fā)提供了無(wú)限的可能性。

用例

BLE廣泛應(yīng)用于眾多行業(yè)，在不知不覺(jué)中影響著我們的日常生活（圖22）。熟悉BLE有助于人們?cè)诟鞣N應(yīng)用場(chǎng)景中理解并運(yùn)用BLE的優(yōu)勢(shì)。BLE為很多領(lǐng)域做出了巨大貢獻(xiàn)，推動(dòng)了現(xiàn)有流程的革新。以下是其中的一些領(lǐng)域：

BLE在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

BLE在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。BLE技術(shù)讓血糖儀、血壓監(jiān)測(cè)儀等設(shè)備得以使用，甚至像起搏器這樣要求超低功耗的植入式設(shè)備也能夠更好地發(fā)揮作用。這些設(shè)備可以收集數(shù)據(jù)，并向患者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)傳輸實(shí)時(shí)報(bào)告。BLE還能用于患者追蹤，定位房間或樓層號(hào)碼，向醫(yī)療響應(yīng)人員傳輸信息等。

BLE在定位追蹤中的應(yīng)用

借助BLE技術(shù)，先進(jìn)的追蹤器或智能標(biāo)簽可以附著在包、鑰匙甚至寵物上，以便追蹤所在位置。這些標(biāo)簽設(shè)計(jì)得非常小巧且節(jié)能，因此BLE的低能耗特性至關(guān)重要。很多行業(yè)也在利用BLE技術(shù)，例如倉(cāng)庫(kù)貨位監(jiān)控、雜貨店管理及室內(nèi)導(dǎo)航。

BLE在可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用

可穿戴設(shè)備對(duì)輕巧便攜和長(zhǎng)久續(xù)航的要求，使得BLE技術(shù)成為理想之選。智能手表、健身手環(huán)和智能眼鏡等設(shè)備普遍采用BLE來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接并降低能耗。

BLE在音頻流傳輸中的應(yīng)用

BLE在音頻流傳輸應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。隨著LE Audio的推出，BLE現(xiàn)在支持低延遲的音頻流傳輸，帶來(lái)更佳的音質(zhì)體驗(yàn)。LE Audio采用低復(fù)雜度通信編解碼器(LC3)，能夠在低數(shù)據(jù)速率下保證音頻質(zhì)量不受影響。這為無(wú)線音頻消費(fèi)開辟了新的可能性。

BLE在自動(dòng)化家居中的應(yīng)用

在自動(dòng)化家居領(lǐng)域，BLE是實(shí)現(xiàn)智能家居的基礎(chǔ)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)在智能家居中得到廣泛應(yīng)用，而BLE支持各種智能設(shè)備之間無(wú)縫連接。市面上有各種各樣支持BLE的智能設(shè)備可用于自動(dòng)化家居，例如鑰匙扣、家庭信標(biāo)、開關(guān)等。BLE讓用戶能夠控制和監(jiān)控家里的方方面面，例如智能照明、高效節(jié)能的家庭能源管理、智能門鎖、無(wú)線揚(yáng)聲器系統(tǒng)、家用機(jī)器人和安保系統(tǒng)。

結(jié)論

在BLE協(xié)議棧中，應(yīng)用數(shù)據(jù)需經(jīng)過(guò)多層協(xié)議處理，才能到達(dá)另一臺(tái)設(shè)備的遠(yuǎn)端應(yīng)用程序（該設(shè)備也擁有自身的BLE協(xié)議棧）。完整流程如下：

應(yīng)用層：應(yīng)用程序選擇適當(dāng)?shù)膶傩詠?lái)保存要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

ATT層：生成ATT層數(shù)據(jù)包，其中包含與遠(yuǎn)端設(shè)備目標(biāo)屬性對(duì)應(yīng)的信息。

L2CAP層：來(lái)自ATT層的數(shù)據(jù)包將經(jīng)由L2CAP層處理。若有需要，L2CAP執(zhí)行數(shù)據(jù)分段和重組。該層為每個(gè)L2CAP數(shù)據(jù)包添加L2CAP標(biāo)頭。

鏈路層：將L2CAP數(shù)據(jù)包傳遞至鏈路層，鏈路層將數(shù)據(jù)包傳遞到物理層進(jìn)行無(wú)線傳輸。給數(shù)據(jù)包添加鏈路層表頭，形成協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）。

物理層：在傳輸之前，物理層將必要的前導(dǎo)碼、訪問(wèn)地址和CRC添加到PDU中。數(shù)據(jù)包隨后通過(guò)無(wú)線方式傳輸。

在接收端，遠(yuǎn)程BLE設(shè)備接收數(shù)據(jù)包，并執(zhí)行逆過(guò)程來(lái)提取數(shù)據(jù)。

在不同應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)BLE時(shí)，選擇合適的硬件是實(shí)現(xiàn)最佳效率和優(yōu)化的關(guān)鍵。針對(duì)不同的要求和應(yīng)用，ADI公司提供了多種支持BLE的微控制器。

MAX32665/MAX32666/MAX32667/MAX32668DARWIN系列低功耗微控制器針對(duì)廣泛的實(shí)際應(yīng)用而設(shè)計(jì)。這些MCU支持藍(lán)牙5低功耗無(wú)線電連接，可以與多個(gè)設(shè)備進(jìn)行無(wú)線連接以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，同時(shí)仍維持盡可能低的活動(dòng)功耗和保持功耗3。DARWIN MCU還擁有同類產(chǎn)品中最大的嵌入式存儲(chǔ)器，支持更大規(guī)模的應(yīng)用和更多的協(xié)議棧。這種靈活性和能力為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和應(yīng)對(duì)各種挑戰(zhàn)提供了無(wú)限可能性，既夯實(shí)了現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)解決方案的基石，又為未來(lái)發(fā)展鋪平了道路。

參考文獻(xiàn)

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Bluetooth®文字標(biāo)記和徽標(biāo)是Bluetooth SIG, Inc.的注冊(cè)商標(biāo)，ADI公司已獲得許可使用此類標(biāo)記。其他商標(biāo)和商號(hào)均屬各自所有人所有。