April 6, 2017

Bluetooth Low Energy Introduction

文 · Mark

关于BLE

BLE，即Bluetooth Low Energy，也被称作Bluetooth Smart。相对于传统经典蓝牙，BLE是一个轻量级子集，在标准蓝牙协议4.0版本被引入。虽然和经典蓝牙协议有很多相似之处，但是实际上BLE和经典蓝牙的血统完全不同，BLE由Nokia进行研发，研发代号“Wibree”，而后来才被Bluetooth SIG所接受认可。

目前，有很多无线通信协议供工程师和产品设计师选择，但是能够轻松与众多移动平台（包括iOS、Android、Windows Phone等）连接并相互通信，才是BLE这么有趣的真正原因。尤其是你不用大费周折，申请各种认证，使你的产品支持苹果设备。

以下说明文档会快速为大家提供关于BLE的速览，例如低功耗蓝牙通信数据结构，蓝牙设备如何广播当前连接状态，以供连接并开始数据通信。

BLE平台支持

以下主流平台支持Bluetooth 4.0以及BLE：

  • iOS 5+ （iOS7.0以上版本是首选版本）
  • Android 4.3+ （相对来说Android 4.4会更稳定，所以首选4.4）
  • Apple OS X 10.6+
  • Windows 8 (XP, Vista, Windows 7只支持蓝牙2.1协议，注意！)
  • GNU / Linux Vanilla BlueZ 4.93+

GAP

这不是你经常买的那个衣服牌子。

GAP是Generic Access Profile协议，它用来控制BLE设备广播和连接。GAP让你的设备被外界可见，也就是可以被搜索到，也决定连接后的两个设备如何进行交互，同时也定义了设备的角色。例如，iBeacon设备只进行信息广播，是不能进行连接的，而野兽智能设备可以为外界所知，可以被手机平台连接。

设备角色

GAP定义了很多种设备角色，关键两个是Central和Peripheral

  • Central

    中心设备，通常是移动设备，包括手机、平板等，中心设备可以连接附属设备，内存及处理能力也比附属设备强大的多。

  • Peripheral

    从属设备，一般常见的都体积较小，低功耗，自由比较有限（内存，处理能力等），这个角色的设备可以被其他一些处理能力更强大的设备所连接。

广播与扫描数据

通过GAP可以使用两种方式将广播数据广播出来，一种是广播数据Advertising Data Payload，另一种是扫描应答数据Scan Response Payload；

两种方式最大可携带数据量为31字节，但是广播数据是必选的，因为无论如何，你必须让外界知道你的设备的存在。扫描应答数据是可选的，这部分应答数据一般用于需要在广播、扫描阶段进行简短的数据通信，例如，中心设备需要从属设备应答一部分设备信息，例如设备名、ID、验证码等信息。

广播流程

下面图片可以很好的说明设备广播的流程，以及广播中的两种Payload，即Advertising Data Payload和Scan Response Payload是如何工作的。

2017040660712microcontrollers_Advertising2.png

广播数据可以设置发送间隔，即ADVERTISING INTERVAL，间隔越长越省电，越短被发现的越慢。

如果扫描设备需要Scan Response Payload，那该设备可以请求SCAN RESPONSE Data，即发送Scan Response Request，从属设备会将Scan Response Payload数据回复给监听设备。

BLE广播拓扑模型

一旦从属设备发起广播，并允许连接时，从属设备与中心设备会建立连接，广播拓扑模型如下：

201704066897microcontrollers_BroadcastTopology.png

这里的广播是BLE中的一对多数据传输，Apple的iBeacon原理与此类似。一旦Peripheral和Central设备建立连接，广播数据就会停止。

注意，此时GATT开始要登场了。

GATT

BLE蓝牙连接都建立在GATT（Generic Attribute Profile）协议栈之上。关于GATT，官方的介绍如下：

GATT is an acronym for the Generic Attribute Profile, and it defines the way that two Bluetooth Low Energy devices transfer data back and forth using concepts called Services and Characteristics. It makes use of a generic data protocol called the Attribute Protocol (ATT), which is used to store Services, Characteristics and related data in a simple lookup table using 16-bit IDs for each entry in the table.

GATT连接拓扑模型

一个从属设备同时只能连接一个中心设备，中心设备可以同时连接多个从属设备。

2017040628845microcontrollers_ConnectedTopology.png

如果两个从属设备之间需要通信，通用的做法是Central设备用来做Mailbox系统，所有信息都会通过Central设备来进行中转。

一旦建立了连接，通信就变成双向的了，注意，广播数据是单向的数据通信。

GATT通信事务

一旦两个设备建立起了连接，GATT 就开始起作用了，这也意味着，你已经完成了履行前面的 GAP 协议。这里需要说明的是，GATT 连接，必需先经过 GAP 协议。实际上，我们在 Android 开发中，可以直接使用设备的 MAC 地址，发起连接，可以不经过扫描的步骤。这并不意味不需要经过 GAP，实际上在芯片级别已经给你做好了，蓝牙芯片发起连接，总是先扫描设备，扫描到了才会发起连接。

当连接简历完成之后，从属设备会主动发起确认一个**连接间隔‘Connection Interval’**的东西，这是一个GATT通信的连接间隔，这个间隔由从属设备建议，传输到中心设备，中心设备会按照这个时间不断查看从属设备中是否有新数据。当然，这个时间间隔由从属设备发起建议，中心设备可能也不会理会，会继续用自己的连接间隔做数据通信。

2017040615489microcontrollers_GattMasterSlaveTransactions.png

可以看到所有的数据通信请求每次都是由中心设备发起，从属设备进行应答。

GATT结构

GATT结构中主要有三个概念，如下

2017040689874microcontrollers_GattStructure.png

  • Profile

    Profile 并不是实际存在于 BLE 外设上的，它只是一个被 Bluetooth SIG 或者外设设计者预先定义的 Service 的集合。例如心率Profile（Heart Rate Profile）就是结合了 Heart Rate Service 和 Device Information Service。所有官方通过 GATT Profile 的列表可以从这里找到；

    一个设备中可以包含多个Profile；

  • Service

    Service把数据分成一个个的独立逻辑项，它包含一个或者多个 Characteristic。每个 Service 有一个 UUID 唯一标识。 UUID 有 16 bit 的，或者 128 bit 的。16 bit 的 UUID 是官方通过认证的，需要花钱购买，128 bit 是自定义的，这个就可以自己随便设置。

    官方预置的Service列表中，可以看到心率Service的UUID为0x180D，Cycling Speed and Cadence的UUID为0x1816，其他类似。

  • Characteristic

    Characteristic是GATT事务划分中最底层的逻辑单元，属于叶子节点。Characteristic从属于Service，一个Service可以包含多个Characteristic。每个Characteristic都有一个唯一的UUID作为标识符，16bit是Bluetooth SIG预置的（standard characteristics defined by the Bluetooth SIG），128bit可自定义.

    例如，心率Service中的Heart Rate Measurement characteristic是该Service强制要求必须要有的，UUID是0x2A37，其中的数据字段参考具体说明。

    骑行踏频及速度Characteristic官方说明供参考。

    我们在做蓝牙数据通信时，Characteristic是最经常用到的一个概念。不论是Peripheral还是Central中，都会涉及到Characteristic，用来传输数据，你可以从Characteristic读数据，也可以向Characteristic中写数据。

传输速度

每个Characteristic中的数据包最大长度是20字节，根据蓝牙BLE协议， 物理层physical layer的传输速率是1Mbps，相当于每秒125K字节。事实上，其只是基准传输速率，协议规定BLE不能连续不断地传输数据包，否则就不能称为低功耗蓝牙了。连续传输自然会带来高功耗。所以，蓝牙的最高传输速率并不由物理层的工作频率决定的。

在实际的操作过程中，如果主机连线不断地发送数据包，要么丢包严重要么连接出现异常而断开。

在BLE里面，传输速度受其连接参数所影响。连接参数定义如下：

  • 连接间隔，蓝牙基带是跳频工作的，主机和从机会商定多长时间进行跳频连接，连接上才能进行数据传输。这个连接和广播状态和连接状态的连接不是一样的意思。主机在从机广播时进行连接是应用层的主动软件行为。而跳频过程中的连接是蓝牙基带协议的规定，完全由硬件控制，对应用层透明。明显，如果这个连接间隔时间越短，那么传输的速度就增大。连接上传完数据后，蓝牙基带即进入休眠状态，保证低功耗。其是1.25毫秒一个单位。
  • 连接延迟 其是为了低功耗考虑，允许从机在跳频过程中不理会主机的跳频指令，继续睡眠一段时间。而主机不能因为从机睡眠而认为其断开连接了。其是1.25毫秒一个单位。明显，这个数值越小，传输速度也高。

蓝牙BLE协议规定连接参数最小是5，即7.25毫秒；而Android手机规定连接参数最小是8，即10毫秒。iOS规定是16，即20毫秒。

连接参数完全由主机决定，但从机可以发出更新参数申请，主机可以接受也可以拒绝。Android手机一部接受，而ios比较严格，拒绝的概率比较高。

​ 一般场景，连接参数设置16，即20毫秒，一般的传输速率是50* 20 = 1000字节/每秒。如果每个连接事件传输更多的包，可以获得更高的传输速率。

参考文献

Bluetooth SIG Resources

Adafruit Resources