BLE低功耗蓝牙关键技术解析与应用

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BLE低功耗蓝牙关键技术解析与应用 [复制链接]

1、传统蓝牙的传输距离几十米到几百米不等，BLE 则规定为 100 米（实际上没有那么远，50米以内比较稳定，和设备发射功率有关）


2、为了实现极低的功耗，BLE 协议设计为：在不必要射频的时候，彻底将空中射频关断（可以在需要的时候快速建立连接进行控制操作）。与传统蓝牙 BR\EDR 相比，BLE 有这三大特性，从而实现低功耗：缩短无线开启间、
快速建立连接、降低收发峰值功耗（具体由芯片决定）。


3、缩短无线开启时间的第一个技巧是只用 3 个“广告”信道（其余信道用于数据传输），第二个技巧是通过优化协议栈来降低工作周期。一个在广告的设备可以自动和一个在搜索的设备快速建立连接，所以可以在 3ms 内完成连接的建立和数据的传输。（实际上首次连接时并没有那么快，因为要进行一些初始化配置）


4、低功耗的设计会带来一些牺牲，例如：音频数据就无法通过 BLE 来进行传输。BLE 仍然是一种非常鲁棒的技术。它依然支持跳频（37 个数据信道），并且采用了一种改进的 GFSK调制方法来提高链路的稳定性。BLE 也仍是非常安全的技术，因为在芯片级提供了 128 bit AES加密（做应用层开发的安全性方面就省去了许多工作量）。


5、安卓的 BLE 标准在 2013 年 7 月 24 日发布，一般搭配Android 4.3 及以上系统的手机都是支持牙 4.0（BLE）的。智能机和平板会带双模蓝牙的基带和协议栈，协议栈中包括 GATT 及以下的所有部分，但是没有 GATT 之上的具体协议。所以，这些具体的协议需要在应用程序中实现，实现时需要基于各个 GATT API 集。这样有利于在智能机端简单地实现具体协议，也可以在智能机端简单地开发出一套基于 GATT 的私有协议。


6、BLE协议栈
PHY层：1Mbps自适应跳频GFSK（高斯频移键控），运行在免证的2.4GHz频段。
连接层 （LL） ） ： 控制设备的状态。设备可能有 5 种状态：就绪（standby），广播（advertising），搜索（scanning），初始化（initiating）和连接（connected）。一个处于连接状态的设备会有一个角色：
master 和 slave。初始化这个连接的为 master，接受这个连接请求的为 slave（一般手机或平板作为 master）。
主机控制层 （HCI） ）： 为 host 和 controller 之间通过一个标准接口进行通信提供了一些方法。这一层可以通过一个软件 API 或者是硬件接口如 UART，SPI 和 USB来实现设备控制。
逻辑链路控制与适配协议  L2CAP层：为上层提供数据封装服务，允许逻辑上的端到端数据通信。
安全管理层 SM：提供配对和密匙分发服务，实现安全连接和数据交换。
通用访问配置文 件GAP层：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。
属性协议层（ATT） ）：  ATT 协议允许一个设备去显示一些数据，对于其他设备称之为“Attribute属性”，在 ATT 中，那些显示这些属性的设备被称为 server，同等的另一个设备称为 client。LL 层的状态 master 和 slave 和 ATT 层的这两个状态无关。
通用属性配置文件 （GATT） ）： 是一个服务框架，定义了 ATT 应用的子程序。GATT 指定了profile的结构。在BLE中，由profile或者是服务所使用的所有类型的数据都称为characteristic。发生于两个设备间通过 BLE 连接进行交换的数据都需经过 GATT 子程序处理。因此，app 和
profile 会直接使用 GATT。


7、通用属性配置文件(GATT)
GATT 定义了两个角色：服务器和客户端。GATT 的角色并不一定与特定的 GAP 角色有关联，但可能由更高层级的配置文件指定。GATT 和 ATT 不是传输专用，也可以用于 BR/EDR 和低耗能。但是，由于 GATT 和 ATT 用作发现服务，故必须在低耗能技术中实施。


8、GATT 配置文件层级
该层级的最高层是配置文件。配置文件由实现用例所需的一个或多个服务组成。服务由特征或有关其它服务的引用组成。各项特征包括一个值，还可能包括有关该值的可选信息。服务、特征以及特征的组件（即值和描述符）包含配置文件数据，并全部存储在服务器的属性中。


9、设备角色划分
在 BLE 协议中，有两个角色，周边/外围（ Periphery ）和中央（ Central） ；周边是数据提供者，中央是数据使用/处理者；在 iOS SDK 里面，可以把一个 iOS 设备作为一个周边，也可以作为一个中央；但是在 Android SDK 里面，直到目前最新的 Android4.4.2，Android 手机只能作为中央来使用和处理数据。
一个中央可以同时连接多个周边，但是一个周边某一时刻只能连接一个中央 （Central）BluetoothGattServer 作为周边来提供数据；BluetoothGattServerCallback 返回周边的状态。BluetoothGatt 作为中央来使用和处理数据；BluetoothGattCallback 返回中央的状态和周边提供的数据。一个 Ble 设备某一时刻只能扮演一种角色。
每一个周边 BluetoothGattServer， 包含多个服务 Service， 每一个 Service 包含多个特征 Characteristic ，每一个 Characteristic 又包含多个Descriptor 。


10、为了获取中央 BluetoothGatt， 大致需要如下过程：


获取 BluetoothManager：mBluetoothManager =
(BluetoothManager) getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);


得到 BluetoothAdapter：mBluetoothAdapter =
mBluetoothManager.getAdapter();


扫描 Ble 设备： mBluetoothAdapter.startLeScan( BluetoothAdapter.
LeScanCallback);


从 LeScanCallback 中 得 到 BluetoothDevice ： public void
onLeScan(BluetoothDevice device, int rssi, byte[] scanRecord)
{.....}


用 BluetoothDevice 得 到 BluetoothGatt ： gatt  =
device.connectGatt(this, true, gattCallback);


获取到 BluetoothGatt， 通过调用 BluetoothGatt 的方法，就可以通过
BluetoothGattCallback 和周边 BluetoothGattServer 进行交互。