蓝牙学习系列（一）：从零认识蓝牙技术体系

目录一、什么是蓝牙Bluetooth二、蓝牙的发展版本三、Classic Bluetooth 与 BLE3.1 Classic Bluetooth经典蓝牙3.2 BLEBluetooth Low Energy四、蓝牙设备角色4.1 Classic Bluetooth4.2 BLE 角色五、蓝牙通信方式5.1 广播公开喊话5.2 连接私人热线六、BLE 的数据结构核心概念6.1 Service服务6.2 Characteristic特征6.3 Descriptor描述符七、蓝牙 UUID八、BLE 通信流程典型流程8.1 设备广播8.2 Central 扫描8.3 建立连接8.4 服务发现8.5 数据通信九、蓝牙协议栈结构十、本系列后续内容十一、结语一、什么是蓝牙Bluetooth蓝牙Bluetooth是一种短距离无线通信技术主要用于设备之间的数据交换。其特点包括工作在2.4GHz ISM 频段支持设备自动发现与连接支持点对点和广播通信蓝牙最初的设计目标是替代短距离有线连接例如用无线耳机替代有线耳机用无线鼠标替代 USB 鼠标手机与设备之间无线传输数据二、蓝牙的发展版本蓝牙技术经历了多次版本升级不同版本带来了不同能力。版本发布时间主要特点Bluetooth 1.01999最早版本Bluetooth 2.02004引入 EDR提高数据速率Bluetooth 3.02009引入 HSHigh SpeedBluetooth 4.02010引入 BLE低功耗蓝牙Bluetooth 4.22014提升安全性和数据容量Bluetooth 5.02016提升距离、速度、广播能力Bluetooth 5.12019引入方向定位Bluetooth 5.22020引入 LE AudioBluetooth 5.32021改进低功耗通信综上无线通信的简单原理是什么工作在2.4G频段是什么意思你可以把无线通信想象成两个人之间“扔小球”你有数据比如一段音乐 → 转换成一种看不见的“波” → 发射出去对方设备接收到这个“波” → 重新转换成音乐蓝牙用的频段是2.4GHz​ 左右这数字你可能也在Wi-Fi、微波炉上见过。把空中传递的无线信号想象成一条“大马路”2.4GHz就像是城市里一条免费、大家都能用的公共道路。蓝牙在这条路上开车一辆车只占很小的车道带宽窄适合短距离、小数据量传输比如音频、鼠标移动信号。Wi-Fi 也走这条路但它的车大得多带宽宽一次能拉很多数据适合上网、看视频。微波炉 也“路过”这条路微波炉频率约2.45GHz但它不是来“通信”的而是用这个频段的波去震动水分子产生热量。正因为这条路是公共的所以有时候设备多了会“堵车”干扰。蓝牙的聪明之处在于它会在这条2.4G的大街上快速跳换车道跳频技术一会儿在这个小频点发一眨眼又换到另一个从而尽量避开拥堵稳定连接。这种“波”就是电磁波和收音机、Wi-Fi用的本质上是同一种东西只是频率、编码方式不同。三、Classic Bluetooth 与 BLE蓝牙技术主要分为两种模式3.1 Classic Bluetooth经典蓝牙经典蓝牙本篇不做过多阐述主要用于持续数据传输场景。例如蓝牙耳机A2DP蓝牙音箱蓝牙串口蓝牙键盘鼠标早期特点数据速率较高功耗相对较高连接保持时间长常见 ProfileA2DP音频HFP通话SPP串口3.2 BLEBluetooth Low EnergyBLE 是 Bluetooth 4.0 引入的一种低功耗通信技术。BLE 的设计目标是在保证通信能力的前提下大幅降低功耗。BLE 特点极低功耗睡眠状态下可达平均几uA电流支持广播模式数据量相对较小非常适合 IoT 设备典型应用智能手环蓝牙遥控器体温计心率设备Beacon目前绝大多数 IoT 设备都使用BLE。四、蓝牙设备角色在蓝牙通信中设备通常分为不同角色。4.1 Classic Bluetooth经典蓝牙通常采用Master主设备Slave从设备4.2 BLE 角色BLE 的角色更细化角色说明通俗比喻Broadcaster广播者只广播数据只说不听的“公告牌”Observer观察者只扫描广播只听不说的“侦察兵”Peripheral外围设备提供服务被动的“信息提供者”或“执行者”Central中心设备主动连接设备主动的“询问者”或“指挥官”中心设备智能手机是最常见的中心设备它主动扫描并连接你的耳机、手环等设备。外围设备像蓝牙耳机、智能手环这类产品就是外围设备它们广播自身并等待被手机连接和控制。广播者蓝牙防丢器或商场导航信标是典型的广播者它们只循环发送自己的位置信号不接受任何连接。观察者在商场里你手机上的导航App就充当观察者它只接收各个信标的广播信号来实现定位而不去连接它们。五、蓝牙通信方式蓝牙通信主要有两种方式。5.1 广播公开喊话是什么设备单向对外发声任何在接收范围内的设备都能听到但“听”不等于“聊”。两种模式可连接广播“我是耳机可以连我--- 连接成功后对应ble角色中的外围设备纯广播“我是信标位置在A1。”只发不收不连接---ble角色中的广播者特点一对多、单向。用途设备被发现、室内定位、简单信息发布。5.2 连接私人热线是什么两个设备在“喊话”认识后建立一条独占、稳定的双向通话通道。过程手机扫描到耳机的“可连接广播” → 发起配对 → 建立连接。特点一对一、双向、稳定可靠。用途传输音频、文件、实时操控等所有需要可靠交互的场景。六、BLE 的数据结构核心概念BLE 使用一种叫GATTGeneric Attribute Profile的数据模型。其层级结构如下Device└── Service└── Characteristic└── Descriptor下面逐个简单介绍后续会详细解释。6.1 Service服务Service 用来表示一个功能模块。例如电池服务心率服务设备信息服务每个 Service 都有一个UUID。示例Battery ServiceUUID: 0x180F6.2 Characteristic特征Characteristic 是实际的数据项。例如电池服务中有一个特征Battery Level数据内容电池电量百分比Characteristic 具有以下属性ReadWriteNotifyIndicate6.3 Descriptor描述符Descriptor 用于描述 Characteristic。例如Client Characteristic Configuration Descriptor (CCCD)它用于开启 Notify关闭 Notify七、蓝牙 UUID在 BLE 中每个对象都有一个UUIDUniversally Unique Identifier。例如标准服务Battery ServiceUUID 0x180F自定义服务通常使用128-bit UUID示例12345678-1234-5678-1234-56789abcdef0UUID 的作用是唯一标识服务和特征。记住服务和特征都有uuid八、BLE 通信流程典型流程一个典型 BLE简单通信流程如下8.1 设备广播Peripheral 周期性发送 Advertising。8.2 Central 扫描Central 设备扫描到广播。8.3 建立连接Central 发起连接请求。8.4 服务发现Central 读取设备的 Service / Characteristic。8.5 数据通信通过 Characteristic 进行ReadWriteNotify九、蓝牙协议栈结构蓝牙协议栈通常分为几层如图9-1所示。图9-1简单理解PHY物理层最底层负责在2.4GHz频段收发无线电波。Link Layer链路层管理广播、扫描、建立连接、跳频等空中接口时序。HCI主机控制器接口连接“控制器”PHYLL和“主机”以上所有层的通信桥梁。L2CAP逻辑链路控制与适配协议负责数据包的分片重组和多路复用。SMP安全管理协议— 负责配对、密钥分发和加密管理ATT属性协议定义数据如何被查找、读、写、通知的底层协议。GATT通用属性配置文件基于ATT定义数据如何组织成“服务”和“特征值”的结构。GAP通用访问配置文件定义设备角色、广播、扫描和连接过程的规范。Application应用层最上层开发者基于GATT和GAP实现的具体功能。在嵌入式开发中很多 SDK 已经实现了协议栈开发者通常只需要处理广播与扫描ServiceCharacteristic数据交互十、本系列后续内容本蓝牙系列文章将继续深入以下内容后续计划持续更新中1️⃣ BLE 协议栈详细解析2️⃣ BLE Advertising 机制详解3️⃣ BLE GATT / ATT 深入理解4️⃣ BLE Service 与 Characteristic 开发5️⃣ BLE Notify / Indicate 机制6️⃣ BLE 连接参数与功耗优化7️⃣ BLE 实际开发流程8️⃣ BLE 抓包分析Ellisys / nRF Sniffer十一、结语本篇从无线通信的基础“波”与2.4G频段讲起梳理了蓝牙的角色、通信方式、数据结构和协议栈分层希望能帮助你建立起对蓝牙技术的系统性认识。由于个人水平有限文中若有任何疏漏或表述不清之处欢迎在评论区指正与交流。后续更新预告我将持续更新ble系列的技术科普下一篇计划《BLE 协议栈详细解析》。如果本文对你有帮助欢迎点赞、收藏、关注这是对我最大的鼓励