WICED Smart 蓝牙BLE.docx

蓝牙4.0简介说起蓝牙，可能很多人的思维还停留在传统蓝牙的模式上，蓝牙 4.0 不仅仅是版本号的增加，更是一场革命。很多人对传统蓝牙（蓝牙 4.0 之前的蓝牙）的印象只有三个：耗时、耗电、距离短。但是通过蓝牙之间直接传输 MP3 比起接多个电脑还是方便很多。下面是引用百度百科对蓝牙 4.0 的描述：蓝牙4.0是2012年最新蓝牙版本，是3.0的升级版本；较3.0版本更省电、成本低、3毫秒低延迟、超长有效连接距离、AES-128加密等；通常用在蓝牙耳机、蓝牙音箱等设备上蓝牙 4.0 最重要的特性是省电科技，极低的运行和待机功耗可以使一粒纽扣电池连续工作数年。此外，低成本和跨厂商互操作性，3 毫秒低延迟、100 米以上超长距离、AES-128 加密等诸多特色，可以用亍计步器、心待监视器、智能仦表、传感器物联网等众多领域，大大扩展蓝牙技术的应用范围。蓝牙 4.0 依旧向下兼容，包含经典蓝牙技术规范和最高速度 24Mbps 癿蓝牙高速技术规范。三种技术规范可单独使用，也可同时运行。蓝牙 4.0 里的两个标准百度词条针对的普通读者，但是作为开发者的我们，需要分析的更透彻才行，最新版的蓝牙4.0 分为独立为两个商标Bluetooth Smart ReadyBluetooth Smart蓝牙 4.0 里的两种无线技术双模设备1： BasicRate （BR） 2： Bluetooth Low Energy （BLE），同时支持 BR 和 BLE 的设备为 dual-mode（双模）设备，也就是这里讨论的 Smart Ready。Smart Ready 是蓝牙 4.0 里的主体，一般具有稳定电源供电的设备，如手机，PC 等采用的均是双模的蓝牙芯片。很多 android 手机都表明支持蓝牙 4.0，其实很大部分只支持 Smart Ready 里的 BR，而软件里不支持 LE。目前 Android4.3 系统才开始全面支持 BLE。iOS 设备对蓝牙 4.0 支持的最好，叧要硬件上是 iPhone4S 和以后的设备系统上是IOS7.0以上均完美完全支持蓝牙 4.0单模设备那么 Smart 又是什么呢，Smart 是蓝牙 4.0 里的低功耗蓝牙的商标，也就是 Bluetooth Low Energy，缩写为 LE 戒者 BLE，网上关于蓝牙 4.0 一节纽扣电池能够使用一年均是针对 BLE 而言。Smart Ready 功耗还是很大的，需要有稳定的电源供电，像手机、PC 等设备，而 Smart 由于功耗低，一般使用电池、纽扣电池供电。Ti 的 CC2540 /41、博通的BCM20732等便是 BLE 设备。Smart 的最主要特点是低功耗和低速率蓝牙 4.0 与传统蓝牙之间的关系下表是经典蓝牙与低功耗蓝牙的一些区别技术规范经典蓝牙（2.1 &3.0）低功耗蓝牙（4.0）无线电频率2.4GHz2.4GHz距离10米/100米30米数据速率1-3Mbps1Mbps应用吞吐量0.7-2.1Mbps0.2Mbps发送数据的总时间100ms6ms耗电量10.01至0.5最大操作电流30mA15mA（最高运行时为15 mA）主要用途手机，游戏机，耳机，立体声音频流，汽车和PC手机，游戏机，PC，表，体育和健身，医疗保健，汽车，家用电子，自动化和工业那么 Smart Ready 和 Smart 以及传统蓝牙之间是什么关系呢，请看下图：Smart Ready 可以和 Smart Ready、传统蓝牙，以及 Smart 之间相亏连接和通信。传统蓝牙可以和 Smart Ready、传统蓝牙之间连接和通信Smart 可以和 Smart、Smart Ready 之间连接和通信很多开发者都比较关注 蓝牙4.0芯片 是否向下兼容，看了上图就应该明白，答案是否定的，蓝牙4.0芯片一般 是BLE 单模芯片，属于 Smart，所以只能和 Smart Ready 或者 Smart 之间连接和通信，是不兼容传统蓝牙的。低功耗蓝牙与其他蓝牙兼容性示意BLE（低功耗蓝牙）的用途应用特点：小包传输，手机扩展，低功耗 2.4G 蓝牙低功耗系统 消费类电子产品 移动电话外围扩展设备 运动和休闲设备 健康医疗用品 (血压计，体温计 ) 汽车电子设备 人机接口设备 (键盘，鼠标，遥控器 ) USB Dongle蓝牙4.0中的一些关键概念那么，蓝牙核心规范4.0有什么特别之处呢？蓝牙核心规范4.0的模块如下图所示：图2蓝牙核心规范4.0的模块由图可知，蓝牙核心规范4.0的模块增加了以下几个蓝牙低功耗组件。 GATT表示服务器属性和客户端属性，描述了属性服务器中使用的服务层次，特点和属性。BLE设备使用它作为蓝牙低功耗应用规范的服务发现。 ATT实现了属性客户端和服务器之间的点对点协议。ATT客户端给ATT服务器发送请命令。ATT服务器向ATT客户端发送回复和通知。 SMP用于生成对等协议的加密密钥和身份密钥。SMP管理加密密钥和身份密钥的存储，它通过生成和解析设备的地址来识别蓝牙设备。蓝牙应用规范蓝牙SIG根据不同的应用场景定义了不同的蓝牙应用规范，截止到现在，发布了40个蓝牙应用规范。本节介绍2个蓝牙4.0比较实用的应用规范。Heart Rate ProfileHRP（心率规范）定位与和医疗/健康相关的应用场景中，它使得蓝牙设备能与心率传感器交互。相关场景如图所示：由上图可知： 左图是HRP定义的角色关系。HRP中有两个角色：心率感应器和收集器。心率感应器是GATT服务器，是测量心率的设备，它包含心率服务和设备信息服务，心率服务导出心率测量数据；收集器是GATT客户端，是从心率感应器接收心率测量数据和其它数据的设备。 右图是HRP的应用场景。心率规范用于让设备获得心率传感器的心率测量和其它数据。例如，护士或医生可以用心率传感器测量病人的心率，并把心率数据传到笔记本或手持设备上。随着人口老龄化，医疗设备和医护人员资源不足，可以运用蓝牙健康规范实现远程医疗。和HRP相关的健康规范有Glucose Profile（GLP，血糖规范），Blood Pressure Profile（BLP，血压规范BLP），Health Thermometer Profile（HTP，健康体温计规范）。Cycling Speed and Cadence ProfileCSCP（自行车速度和步调规范）让人们在骑自行车锻炼时跟踪速度和节奏。CSCP也基于GATT的规范。自行车速度和步调规范的角色关系和应用场景如图所示：由图可知： 左图是CSCP的角色关系。CSCP定义了两个角色：自行车速度和步调感应器和收集器。CSC感应器是GATT服务器，向收集器报告车轮转速数据或轴转速数据。CSC感应器包含CSC服务和设备信息服务；收集器是GATT客户端，从CSC感应器接收自行车的速度和步调数据。 右图是CSCP的应用场景。传感器测量被广泛应用于运动和健身，通过传感器来监视和控制训练强调，以及在多个训练中衡量进展情况。自行车速度传感器和自行车踏频传感器是用户测量车轮速度或蹬踏节奏的设备。任何设备实现CSC规范可以与CSC传感器连接并接收数据。和CSCP相关的规范有Running Speed and Cadence Profile（RSCS，跑步速度和步调规范）。蓝牙4.0关键词解释Generic Attribute Profile (GATT)通过BLE连接，读写属性类小数据的Profile通用规范。现在所有的BLE应用Profile都是基于GATT的。Attribute Protocol (ATT)GATT是基于ATT Protocol的。ATT针对BLE设备做了专门的优化，具体就是在传输过程中使用尽量少的数据。每个属性都有一个唯一的UUID，属性将以characteristicsandservices的形式传输。CharacteristicCharacteristic可以理解为一个数据类型，它包括一个value和0至多个对次value的描述（Descriptor）。Descriptor对Characteristic的描述，例如范围、计量单位等。ServiceCharacteristic的集合。例如一个service叫做“Heart Rate Monitor”，它可能包含多个Characteristics，其中可能包含一个叫做“heart rate measurement的Characteristic。蓝牙4.0中各协议的角色和职责中心设备和外围设备（Central vs. peripheral）；GATT server vs. GATT client.Central vs. peripheral:中心设备和外围设备的概念针对的是BLE连接本身。Central角色负责scan advertisement。而peripheral角色负责make advertisement。GATT server vs. GATT client:这两种角色取决于BLE连接成功后，两个设备间通信的方式。举例说明：现有一个活动追踪的BLE设备和一个支持BLE的Android设备。Android设备支持Central角色，而BLE设备支持peripheral角色。创建一个BLE连接需要这两个角色都存在，都仅支持Central角色或者都仅支持peripheral角色则无法建立连接。当连接建立后，它们之间就需要传输GATT数据。谁做server，谁做client，则取决于具体数据传输的情况。例如，如果活动追踪的BLE设备需要向Android设备传输sensor数据，则活动追踪器自然成为了server端；而如果活动追踪器需要从Android设备获取更新信息，则Android设备作为server端可能更合适。BLE蓝牙协议简绍BLE蓝牙协议栈结构分为两部分：控制器和主机。对于4.0以前的蓝牙，这两部分是分开的。所有profile（姑且称为剧本吧，用来定义设备或组件的角色）和应用都建构在GAP或GATT之上。下面由结构图的底层组件开始介绍。PHY层，工作车间，1Mbps自适应跳频GFSK（高斯频移键控），运行在免证的2.4GHzLL层为RF控制器，控制室，控制设备处于准备（standby）、广播、监听/扫描（scan）、初始化、连接，这五种状态中一种。五种状态切换描述为：未连接时，设备广播信息（向周围邻居讲“我来了”），另外一个设备一直监听或按需扫描（看看有没有街坊邻居家常里短可聊，打招呼“哈，你来啦”），两个设备连接初始化（搬几把椅子到院子），设备连接上了（开聊）。发起聊天的设备为主设备，接受聊天的设备为从设备，同一次聊天只能有一个意见领袖，即主设备和从设备不能切换。HCI层，为接口层，通信部，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。L2CAP层，物流部，行李打包盒拆封处，提供数据封装服务SM层，保卫处，提供配对和密匙分发，实现安全连接和数据交换ATT层，库房，负责数据检索GATT层，出纳/库房前台，出纳负责处理向上与应用打交道，而库房前台负责向下把检索任务子进程交给ATT库房去做，其关键工作是把为检索工作提供合适的profile结构，而profile由检索关键词（characteristics）组成。GAP层，秘书处，对上级，提供应用程序接口，对下级，管理各级职能部门，尤其是指示LL层控制室五种状态切换，指导保卫处做好机要工作。设备改造-HAL硬件抽象层如果实现软件和硬件的低耦合，使软件不经改动或很少改动即可应用在另外的硬件上，这样就方便硬件改造、升级、迁移后，软件的移植。HAL硬件抽象层正是用来抽象各种硬件的资源，告知给软件。其作用类似于嵌入式系统设备驱动的定义硬件资源的h头文件。其角色类似于现代工厂的设备管理部。BLE低功耗蓝牙系统架构BLE低功耗蓝牙软件有2个主要组成： OSAL操作系统抽象层和 HAL硬件抽象层，多个Task任务和事件在OSAL管理下工作，而每个任务和事件又包括3个组成：BLE 协议栈，profiles和应用程序。GAP和GATT讲解。GAP运行在如下四种角色的一种：Broadcaster 广播员我在，但只可远观，不可连接。Observer 观察员看看谁在，但我只远观，不连接。Peripheral 外设（从机）我在，谁要我就跟谁走，协议栈单层连接。Central 核心（主机）看看谁在，并且愿意跟我走我就带她/他走，协议栈单层或多层连接，目前最多支持3个同时连接。虽然指标显示BLE可以同时扮演多个角色，但是在TI提供的BLE实例应用中缺省只支持外设角色。每一种角色都由一个剧本（roleprofile）来定义。主从机连接过程一个典型的低功耗蓝牙系统同时包含外设和核心（主机），两者的连接过程如下：外设角色向外发送自己的信息（设备地址、名字等），主机收到外设广播信息后，发送扫描请求（scanrequest）给外设，外设响应主机的请求，连接建立完成。连接参数主要有通信间隙（connectioninterval）、外设鄙视(slavelatency)、最大耐心等待时间（supervisiontimeout）等，下面简单说明。通信间隙蓝牙通信是间断的、跳频的，每次连接都可能选择不同的子频带。跳频的好处是避免频道拥塞，间断连接的好处是节省功耗，通信间隙就是指两次连接之间的时间间隔。这个间隔以1.25ms为基本单位，最小6单位最大3200单位，间隙越小通信越及时，间隙越大功耗越低。外设鄙视外设与主机建立连接以后，没事的时候主机总会定期发送问候信息到外设，外设懒得搭理，这些主机发送的信息就浮云般飘过。可以忽略的连接事件个数从0到499个，最多不超过32秒。有效连接间隙= 连接间隙x （1+ 外设鄙视）.最大耐心等待时间指的是为了创建一个连接，主机允许的最大等候时间，在这个时间内，不停的尝试连接。范围是10个3200个通信间隙基本单位（1.25ms）。连接异常处理举例说明连接异常，如主机采用从机并不舒坦的参数来请求连接，有如主从机已经连接了，但从机有想法了，要改参数条约。通过“连接参数更新请求（ConnectionParameter Update Request）”来解决问题，交由L2CAP“收发室物流处”处理。加密处理利用配对实现，利用密匙来加密授权连接。典型的过程是：外设向主机请求口令一个（passkey）以便进行配对，待主机发送了正确的口令