第6章 蓝牙技术

物联网武奇生第六章蓝牙技术本章内容：6.1蓝牙技术概述6.2蓝牙技术体系结构6.3蓝牙片上系统（SoC）6.4本章小结6.1蓝牙技术概述蓝牙（Bluetooth）是一种短距离无线通信的技术规范

。工作频段为全球统一开放的2.4GHz工业、科学和医学频段。蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据通道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。

根据蓝牙设备在网络中的角色，可分为主设备（Master）与从设备（Slave）。主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备，而连接响应方则为从设备。

6.1.1蓝牙的基本概念和特点

图6-1、6-2蓝牙微微网结构（左）和散射网结构（右）1）全球范围适用：蓝牙工作在2.4GHz的ISM频段，全球大多数国家ISM频段的范围是2.4GHz～2.4835GHz，使用该频段无须向各国的无线电资源管理部门申请许可证。2）同时传输语音和数据：蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据通道、三路语音信道以及一部数据与同步语音同时传输的信道。3）可以建立临时性的对等连接（Ad-HocConnection）：根据蓝牙设备在网络中的角色，可分为主设备（Master）与从设备（Slave）。4）具有很好的抗干扰能力：蓝牙设备在某个频点发送数据之后，在跳到另一个频点发送，而频点的排列顺序则是伪随机的，每秒钟频率改变1600次，每个频率持续625μs。5）蓝牙模块体积很小，可以方便地继承到各种设备中。

低功耗：蓝牙设备在通信连接状态下，有四种工作模式，即激活（Active）模式、呼吸（Sniff）模式、保持（Hold）模式和休眠（Park）模式。蓝牙具有开放的接口标准。

蓝牙产品的成本低。6.1.2蓝牙技术的发展截止2014年，蓝牙共有八个版本:V1.1、V1.2、V2.0、V2.1、V3.0、V4.0、V4.1、V4.2

、V5.0、V5.1和V5.2以通讯距离来区分的话，可分为ClassA和ClassB两类。ClassA是用在大功率/远距离的蓝牙产品上，成本高和耗电量大，通讯距离大约在80~100m距离之间。ClassB是目前最流行的制式，通讯距离大约在8~30m之间，多用于个人通讯产品上，耗电量和体积均较小，方便携带。蓝牙V1.1的传输速率约在748~810kb/s，且容易受到同频率的产品的干扰。蓝牙V1.2在V1.1的基础上增加了抗干扰的跳频功能。蓝牙V2.0对蓝牙V1.2进行了改良提升，传输率约在1.8Mb/s~2.1Mb/s，可以有双工的工作方式。蓝牙V2.1+EDR（增强速率版本）：针对蓝牙设备配置流程复杂和功耗较大的问题，改善了蓝牙装置的配对流程，自动采用数字密码来进行配对与连接（举例来说，只要在手机选项中选择连接特定装置，在确定之后，手机会自动列出目前环境中可使用的设备，并且自动进行连结）；加入了减速呼吸（SniffSubrating）功能，即通过设定在两个装置之间互相确认讯号的发送间隔来达到节省功耗的目的。蓝牙V3.0根据IEEE802.11适配层协议应用了Wi-Fi技术，传输速度提高到了大约24Mbps。这样，蓝牙3.0设备将能通过Wi-Fi连接到其它设备进行数据传输。功耗方面，通过蓝牙3.0高速传送大量数据自然会消耗更多能量。蓝牙V4.0规范包括经典蓝牙、高速蓝牙和蓝牙低功耗协议。高速蓝牙基于Wi-Fi，经典蓝牙则包括旧有蓝牙协议。蓝牙V4.0是V3.0的升级版本，它较V3.0更省电、成本更低、更低延迟（3毫秒延迟）、更长的有效连接距离，同时加入了AES-128位加密机制。

技术规范经典的蓝牙低功耗蓝牙无线电频率2.4GHz2.4GHz距离10米10米空中数据速率1-3Mb/s1Mb/s应用吞吐量0.7-2.1Mb/s0.2Mb/s安全64/128-bit及用户自定义的应用层128-bit高级加密标准（AES）及用户自定义的应用层鲁棒性自动适应快速跳频，FEC快速ACK自动适应快速跳频发送数据的总时间100m/s<6m/s认证机构BluetoothSIGBluetoothSIG语音能力有没有网络拓扑分散网Star-bus主要用途手机，游戏机，耳机，立体声音频数据流，汽车和PC等手机，游戏机，PC，表，体育和健身，医疗保健，汽车，家用电子，自动化和工业等表6-3经典蓝牙和低功耗蓝牙的性能对比蓝牙4.1版本是对蓝牙4.0版本的软件更新：当蓝牙信号与LTE无线电信号之间同时传输数据，那么蓝牙V4.1可以采用自动协调机制减少其它信号对蓝牙4.1的干扰；减少了设备之间重新连接的时间，当用户离开并再次回到蓝牙信号范围内的时间不长，那么设备将自动连接；提高了传输效率，能够及时实现多部可穿戴设备之间的信息传递；为开发人员增加了更多的灵活性，能够支持同时连接多部设备。蓝牙V4.2改善了数据传输速度和隐私保护程度：数据传输速度提高了2.5倍；连接或者追踪用户设备必须经过用户许可；支持灵活的互联网连接选项（IPv6/6LoWPAN或BluetoothSmart网关），实现物联网。蓝牙5.0标准是由蓝牙技术联盟于2016年制定，低功耗模式传输速度上限为2Mbps，是之前V4.2LE版本的两倍；它针对低功耗设备的数据传输速度有相应提升和优化，它结合WiFi对室内位置进行辅助定位，可以实现精度小于1米的室内定位。有效工作距离可达300米，是之前4.2LE版本的4倍。相比蓝牙5.0标准，于2019年制定的蓝牙V5.1标准加入了测向功能和厘米级的定位服务。最新的蓝牙5.2标准于2020年制定，主要的特性是增强属性协议协议、功耗控制和信号同步，连接更快，更稳定，抗干扰性更好。6.2蓝牙技术的体系结构蓝牙体系结构分成三个基本部分：控制器、主机和应用程序。控制器通常是一个物理设备，它能够发送和接收无线电信号，并可以将这些信号翻译成携带信息的数据包。主机通常是一个软件栈，管理两台或多台设备间如何通信以及如何利用无线电同时提供几种不同的服务。应用程序则使用软件栈，进而使控制器来实现用户实例。在控制器内既有物理层和链路层，又有直接测试模式和主机控制器接口（HCI）层的下半部分。在主机内包含三个协议：逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）、属性协议（AttributeProtocol）和安全管理器协议（SecurityManagerProtocol），此外还包括通用属性规范（GATT）、通用访问规范（GAP）。

图6.4蓝牙体系结构6.2.1控制器蓝牙控制器由同时包含了数字和模拟部分射频器件和负责收发数据包的硬件组成。控制器与外界通过天线相连，与主机通过主机控制接口（HCI）相连。物理层

物理层是采用频率为2.4GHz的无线电波，完成数据的传输和接收。在低功耗蓝牙中，采用高斯频移键控（GFSK）的调制方式改变无线电的频率，传输0或1的信息。传输无线电信号时，从中心频率出发超过185KHz的正向偏移代表值为1的比特；超过185KHz的负向偏移代表值为0的比特。

为使物理层能够工作，尤其是应对同一区域有大量无线电同时传输的情形，2.4GHz频段被划分为40个RF信道，各个信道宽度为2MHz。直接测试模式

直接测试模式允许测试者让控制器的物理层发送一系列测试数据包或接收一系列数据包。测试者随后可以分析收到的数据包，或者根据接收的数据包数量判断物理层是否遵循RF规范。直接测试模式不仅能量化测试，还能用于执行线性测试和校准无线电。链路层链路层负责广播、扫描、建立和维护链路，以及确保数据包按照正确的方式组织、正确的计算校验值以及加密序列等。

链路层信道分为两种：广播信道和数据信道。广播信道共有三个，这一数字考虑了低功耗和鲁棒性。在任意信道上发送的数据包（包括广播信号和数据信道）格式均相同。每个数据包含有最少80比特的地址、报头和校验信息。

图6.5链路层数据包结构8比特前导用来优化数据包的鲁棒性，实现同步计时和自动增益控制；32比特接入码在广播信道数据包中是固定值，而在数据信道数据包中是完全随机的私有值；8比特报头字段描述数据包的内容；另一个8比特长度的字段描述载荷的长度。紧接着是变长有效载荷字段，携带来自应用或主机设备的有用信息；不允许发送有效载荷长度超过37字节的数据包；最后是24比特的循环冗余校验（CRC）值，确保接收的报文是没有错误比特。可以发送的最短包围是空报文，时长为80μs；而满载时的最长报文时长为376μs。大部分广播报文只有128μs，而大部分数据报文时长为144μs。

主机/控制器接口（HCI）存在于控制和主机之内，位于控制器中的部分通常称为主机控制器接口的下层部分；位于主机中的部分通常称为主机控制器接口的上层部分。提供了一个与控制器通信的标准接口，允许主机将命令和数据发送到控制器，并且允许控制器将事件和数据发送到主机；由两个独立的部分组成：逻辑接口和物理接口。逻辑接口定义了命令和事件及其相关的行为。物理接口定义了命令、事件和数据如何通过不同的连接技术传输，包括通用串口总线（USB）、安全数字输入输出（SDIO）和两个通用异步收发传输器（UART）的变种。

6.2.2主机主机包括逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）、安全管理器（用于处理所有认证和安全连接等事物）以及属性协议（用于公开设备上的状态数据）。属性协议之上为通用属性规范和通用访问规范。逻辑链路控制和适配协议

是低功耗蓝牙的复用层，定义了两个基本概念：L2CAP信道和L2CAP信令。L2CAP信道是一个双向数据通道，通向对端设备上的某一特定的协议或规范。每个通道都是独立的，可以有自己的流量控制和与其关联的配置信息。低功耗蓝牙中只使用固定信道：一个用于信令信道，一个用于安全管理器，还有一个用于属性协议。低功耗蓝牙只有一种帧格式，即B帧，包含两个字节的长度字段和两个字节的信道识别符字段。

图6.6L2CAP报文结构

安全管理器协议

定义了一个简单的配对和密钥分发协议。配对是一个获取对方设备信任的过程，通常采取认证的方式实现。在密钥分发过程中从设备把秘密共享给主设备，当两台设备在未来的某个时候重连时，他们可以使用先前分发的共享秘密进行加密，从而迅速认证彼此的身份。安全管理器还提供了一个安全工具箱，负责生成数据的哈希值、确认值以及配对过程中使用的短期密钥。

属性协议

属性是被编址并打上标签的一小块数据。每个属性均包含一个用来标识该属性的唯一的句柄、一个用于标识存储数据的类型以及一个值。属性协议定义了访问对端设备上的数据的一组规则。数据存储在属性服务器的“属性”里，供属性客户端执行读写操作。客户端将请求发送至服务器，后者回复响应消息。客户端可以使用这些请求在服务器上找到所有的属性并且读写这些属性。属性协议定义了六种类型的信息：1）从客户端发送至服务器的请求；2）从服务器发送至客户端的回复请求的响应；3）从客户端发送至服务器的无需响应的命令；4）从服务器发送至客户端的无需确认的通知；5）从服务发送至客户端的指示；6）从客户端发送至服务器的回复指示的确认。通用属性规范

定义了属性的类型及其使用方法。它引入了一些概念，包括“特性”、“服务”、服务之间的“包含”关系、特性“描述符”等。还定义了一些规程，用来发现服务、特性、服务之间的关系，以及用来读取和写入特性值

。服务是设备上若干原子行为的不可变封装。不可变意味着一旦服务发布就不能再改变。封装是指简洁地表达事物的功能。

行为是指事物响应特定情况或刺激的方式。就服务而言，行为意味着当你读取或写入某属性时都发生了些什么，或是什么原因导致了向客户端发送属性通知。服务分为两种类型：首要服务和次要服务。首要服务从用户角度公开设备的用途；次要服务被首要服务或另一个次要服务使用，使其能够提供完整的行为。通用访问规范

定义了设备如何发现、连接，以及为用户提供有用的信息；定义了设备之间如何建立长久的关系（称为绑定）。要启用此功能，规范定义了设备如何实现可发现、可连接和可绑定。还介绍了设备如何使用规程以发现其他设备、连接到其他设备、读取它们的设备名称并和它们进行绑定。隐私对于不断通告其存在以便其他设备能够发现并与之连接的设备而言是非常重要的。让收信人的设备能够判断对端是否就在附近并允许其连接，这就要求私有地址必须是可解析的。因此，通用访问规范不仅定义了如何解析私有地址，而且定义了如何与私有设备进行连接。6.2.3应用层

应用层定义了三种类型：特性（characteristic）、服务（service）和规范（profile）。特性是采用已知格式、以通用唯一识别码（UUID）作为标记的一小块数据。由于特性要求能够重复使用，因而设计时没有涉及行为。

服务是人类可读的一组特征及其相关的行为规范。一个服务可以包括其他服务。父服务只能定义自身包含的服务，它不能改变包含的服务的特性或者行为。但是，包含服务时应描述多个被包含服务之间如何彼此互动。

规范是用例或应用的最终体现。规范描述了如何发现并连接设备，从而为每台设备确定所需的拓扑结构。规范还描述了客户端行为，用于发现服务和服务特性，以及使用该服务实现用例或应用所要求的功能。

6.3蓝牙片上系统（SoC）以TI公司为例，目前已有23款性能优异无线蓝牙SoC产品，可根据应用需求选择不同的蓝牙标准、不同的芯片类型（带和不带MCU的蓝牙收发器）、不同性能的CPU内核、不同FLASH大小、不同的发射功耗电流等。表6-6列出了部分基于不同CPU核心的蓝牙芯片的关键特性，并进行了对比。型号描述蓝牙标准技术指标FlashCPU核心RAMCC2640R2L蓝牙5.1低功耗无线

MCU蓝牙5.0,蓝牙5.1蓝牙低功耗,无线2.4GHz128KBArmCortex-M328KBCC2642R-Q1符合汽车标准的蓝牙低功耗无线MCU蓝牙5.1蓝牙低功耗,无线2.4GHz352KBArmCortex-M4F80KBCC2652RB32-bit多协议2.4GHz无线MCUcrystal-less

BAWresonator蓝牙5.1蓝牙低功耗,多标准，无线2.4GHz，线程，支持Zigbee协议352KBArmCortex-M4F80KBCC1352P具有集成式功率放大器的多频带无线

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MCU蓝牙5.0,蓝牙5.1蓝牙低功耗,无线2.4GHz128KBArmCortex-M328KB表6-7部分基于不同CPU核心的蓝牙芯片下面以CC2640SoC系统为例详细介绍。CC2640器件是一款无线微控制器(MCU)，主要适用于Bluetooth®低功耗应用。它属于SimpleLink™CC26xx系列中的经济高效型超低功耗2.4GHzRF器件，具有极低的有源RF和MCU电流以及低功耗模式流耗，可确保卓越的电池使用寿命，适合小型纽扣电池供电以及在能源采集型应用中使用。

低功耗CC2640器件含有一个32位