ESP32学习笔记_Bluetooth(1)——蓝牙技术与 BLE 通信机制简介

摘要(From AI):
这篇笔记详细讲解了蓝牙技术的分类、核心架构和通信流程，重点介绍了低功耗蓝牙（BLE）的协议栈、角色划分及连接机制，结合拓扑示例清晰阐述了蓝牙网络配置和操作过程

前言：本文档是本人在《ESP32-C3 物联网工程开发实战（乐鑫科技著）》进行学习时所做的学习笔记，可能存在疏漏和错误，如有发现，敬请指正。

参考资料：
《ESP32-C3 物联网工程开发实战（乐鑫科技著）》

Brief Introduction

蓝牙是一种支持设备短距离通信的无线通信技术，能够实现在短距离范围内实现信息的自由分享和传输，具有安全性高、自由连接等特性，工作在 2.4GHz ISM（工业、科学、医学） 频段
蓝牙可分为经典蓝牙和低功耗蓝牙

The classification of Bluetooth

Classic Bluetooth
经典蓝牙(BR/EDR)泛指支持蓝牙协议在 4.0 以下的模块，一般用于大数据量的传输（如语音、音乐），其协议包含个人局域网的各种规范，如：

• Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) 适用于音频
• Hands-Free Profiles/Hand-Set Profiles (HFP/HSP) 适用于免提设备
• Serial Port Profiles (SPP) 使用于文本串口透传（可用于蓝牙调试）
• HFP/HSP、HID 等

Bluetooth Low Energy
一种超低功耗无线通信技术，主要针对低成本、低复杂度的无线体域网和无线各域网设计

Bluetooth terminology

Core Architecture

蓝牙的核心系统

• Host 主机 实现各种业务场景需求，大部分的开发工作基于此
• Controller 控制器 用于蓝牙报文的收发、蓝牙物理连接等功能，由芯片厂商负责实现
• Host Controller Interface(HCI) 主机控制接口 Host 和 Controller 通过 HIC 进行通信

BLE 协议栈

Controller

• Physical Layer(PHY) 物理层 指定低功耗蓝牙所用的无线频段、调制解调方式等
• Link Layer(LL) 链路层 负责数据发送和接收，但不负责数据解析，是蓝牙协议栈的核心

Host Controller Interface(HCI) 主机控制接口 Host 和 Controller 之间的通信接口，可以是物理形式的（UART、USB 等，常见于双芯片架构），也可以用 API 实现（常见于单芯片架构）

Host

• Logical Link Control and Adaptation Protocol(L2CAP) 逻辑链路控制和适配协议 向上层协议（协议复用、分段、重组操作）提供连接导向和无连接的数据服务，并按通道进行流量控制和重传
• Attribute Protocol(ATT) 属性协议 用来定义用户命令以及命令操作的数据（如读取或写入）；BLE 协议栈引入了 Attribute 概念，用于描述一条条的数据。ATT 除了定义数据，也定义该数据可以使用的 ATT 命令
• Security Manager Protocol(SMP) 安全管理器协议 负责管理 BLE 连接的加密和安全，在保证连接安全的同时不影响用户的体验
• Generic Attribute Profile(GATT) 通用属性配置文件 规范 Attribute 中的数据内容，并运用分组(Group)的概念对 Attribute 进行分类管理
• Generic Access Profile(GAP) 通用访问配置文件 对 LL 的有效数据包进行了一些规范和定义，是解析 LL 负载数据最简单的一种方式，一次 GAP 的功能及其有限，主要用来进行广播、扫描和发起连接等

Bluetooth Roles

蓝牙的角色有以下几种：

• Advertise 广播者
• Scanner 扫描者
• Initiator 发起者

蓝牙通信是指两个或多个蓝牙设备之间的通信，通信双方必须一个是主机，另一个是从机，从机和从机之间不能直接通信，其中：

• Master 主机（主设备）从 Scanner 和 Initiator 转化而来
• Slave 从机（从设备）从 Advertise 转换而来

Master 工作在 Master 模式的设备，可以与一个 Slave 进行连接，在此模式下可以对周围的设备进行搜索并选择需要的 Slave 进行连接

• 一个具备蓝牙通信功能的设备，可以在 Master 和 Slave 之间进行切换，平时工作在 Slave 模式，等待其他 Master 的连接；在有需要时可以转换为 Master，向其他设备发起呼叫
• 一个设备以 Master 发起呼叫时，需要知道对方的蓝牙地址(Bluetooth Address(BD_ADDR))、配对密码(Pairing PIN)等信息，配对完成后可直接发起呼叫

Slave Slave 模式下的设备只能被 Master 搜索，不能主动搜索

Bluetooth Network Configuration

根据拓扑结构，蓝牙网络可分为：

• Piconet 微微网
• Scatternet 散射网
• Mesh

Piconet 微微网
每次简历的蓝牙无线链路，都处于微微网中，一个微微网由两个或更多占用相同物理信道的设备组成（表示这些设备是按照共用时钟和跳频序列进行同步的），其拓扑结构如下：

                                  从机3//   //从机1 -------------------- 主机\\\\从机2

拓扑结构（Topology Structure）是指系统中各个节点及其连接关系的组织方式或布局。它广泛应用于网络、工程、数学等领域，用来描述元素之间的连接模式，而不关注实际的物理位置或距离

Scatternet 散射网
如果多个网存在重叠的区域，就可以构成散射网。其中各个 Piconet仍然具有自己的主机，但一个 Piconet 的主机可以同时是另一个 Piconet 的从机，这样该设备就具有双重身份
如下图，此时左侧的主机同时也是右侧的从机

                     从机1.3              从机2.1/                 //                 //                 //                 /
从机1.1 ---------- 主机/从机 ---------- 主机\                   \\                   \\                   \\                   \从机1.2             从机2.2

Mesh
蓝牙 4.0 之后诞生了蓝牙 Mesh，用于建立多对多设备通信的低能耗蓝牙网络，允许创建基于多个设备的大型网络，可以包含数十台、数百台甚至数千台蓝牙 Mesh 设备，设备之间可以相互进行数据传输

Bluetooth Connection Process

蓝牙首先需要通过广播或扫描发现周围设备，其次创建连接，最终组建网络传输数据

1. 从机端广播
在大部分情况下，外围设备 (Peripheral，从机) 通过广播自己来让中心设备 (Central，主机) 发现自己，并建立 GATT （通用属性配置文件）连接，从而进行更多的消息交换

也有些情况是不需要连接的，只需要外围设备（外设）广播自己的信息即可，这种方式的主要目的是让外设把自己的消息发送给多个中心设备

• Peripheral 在进行广播时不断发送广播包，每发送一次广播包称为广播事件；每一次发送之间有长度为 t 的广播间隔，也称为广播事件间隔，每次广播事件都会持续一段时间，只有在此期间蓝牙芯片才会打开射频模块发送广播包，功耗较高，其余时间都处于空闲待机状态
• 当广播事件时，每一个事件包含三个广播包，分别在 37、38、39 三个信道同事广播相同的消息

2. 主机端扫描
扫描是在一定范围内用来寻址其他 BLE 设备的过程，扫描者在扫描过程中会使用广播信道，但扫描并没有严格的时间定义和信道规则，其过程按照主机设定的扫描定时参数进行

• 被动扫描 扫描者仅仅监听广播包，而不向广播者发送任何数据
  • 在扫描过程中，如果控制器接收到符合过滤策略或其他规则的的广播包, 则向主机发送一个报告时间，其中包括广播者的设备地址、、广播包中的数据、信号接收强度
• 主动扫描 Central 在扫描捕获广播包的同时捕获扫描响应包，并作出区分

广播包和扫描响应包
广播包：主要用于设备发现和提供基本信息，适合所有设备接收
扫描响应包：用于增强广播包，满足需要获取更多信息的主动扫描设备需求

3. 主机端连接
连接过程如下
Peripheral（外设，外围设备）开始广播，在发送完一个广播包的T_IFS内，开启射频窗口接收来自中心设备的数据包
↓
Central 接收到广播，在接收后的 T_IFS 内如果开启了 Central 的扫描回复，则 Central 将向 Peripheral 发送回复
↓
Peripheral 收到中心设备的回复后，做好接收准备并返回 ACK 包
↓
如果 Peripheral 发送的 ACK 没有被中心设备接收到，则 Central 将一直发送回复知道超时为止，在此期间内只要外设返回过一次 ACK 就算连接成功
↓
开始建立通信，Central 以接收到外设广播的时间为原点，以连接间隔为周期向 Peripheral 数据包，数据包用于同步两个设备的时钟和建立主从模式的通信，其过程如下：

• 同步两个设备的时钟 Peripheral 每收到 Central 发送的一个数据包，就会重新设置自己的书序原点，以便于 Central 同步
• BLE 通信在建立成功后变成主从模式，Central 变成主机模式，Peripheral 变成从机，从机只能在 Central 向它发送一个数据包后才能在规定时间内把自己的数据回传给 Central
• 连接建立成功
• 外设自动停止广播，其他设备无法再查找到此外设
• 在中心设备发送数据包的间隔内，外设可以发送多个数据包

T_ISF 、 ACK 和同步时钟
T_ISF：Inter Frame Space 同一信道上连续传输包之间的时间间隔


ACK
ACK在通信中是接收方对发送方的反馈，用于确认数据包已成功接收。如果没有ACK，发送方无法知道数据是否到达目标，从而无法保障通信的可靠性。ACK机制还可检测数据错误并触发重传，确保数据传输完整无误


同步时钟
同步时钟在通信中用来协调双方的时间基准，确保数据的发送与接收按预期时序进行。如果没有同步时钟，数据可能因时序错乱而丢失或解析错误。在 BLE 中，同步时钟还能优化设备能耗，让设备在需要时准确唤醒，保持高效运行

断开连接

• 在需要断开连接时，只要 Central 停止连接（停止发送数据包）即可

重新连接

• 中心设备可以将外设的 MAC 地址写入 Flash 或是 SRAM 等存储器件，并保持监听此 MAC 地址，当再次收到 Peripheral 发送的广播包时就可以建立通信
• 从机为了省电，当一段时间没有数据要发送时，可以不在发送广播包，双方就会因为连接超时(Connection Timeout)而断开，此时需要 Central 启动监听

MAC地址（Media Access Control Address）是一个设备的唯一硬件地址，用于标识蓝牙设备。每个蓝牙设备在出厂时都会分配一个全球唯一的MAC地址，一个48位（6字节）的数字，通常用16进制表示，格式为 XX:XX:XX:XX:XX:XX，例如 A1:B2:C3:D4:E5:F6