蓝牙技术原理、开发与应用
摘要
蓝牙是一种无线技术标准，用于在短距离内交换数据，建立个人局域网，它自1994年由爱立信公司发明以来，已经发展成为一个庞大的技术家族，深刻地影响了消费电子、物联网、工业自动化等多个领域，本文将从蓝牙的核心原理出发，介绍其技术演进，探讨开发实践,并列举其广泛的应用。
（图片来源网络，侵删）
第一部分：蓝牙技术原理
要理解蓝牙，首先要明白它如何工作,其原理可以概括为以下几个核心方面：
核心概念：Piconet（微微网）
蓝牙网络的基本单元是 Piconet（微微网），一个Piconet由一个 主设备 和最多7个 从设备 组成。
- 主设备：负责发起连接、同步时钟、决定通信时隙,一个Piconet中只能有一个主设备。
- 从设备：被主设备连接，只能与主设备通信，不能直接与其他从设备通信（除非进入Sniff模式等特殊状态）。
- 点对点：最简单的Piconet,只包含一个主设备和一个从设备。
- Scatternet（散射网）：一个蓝牙设备可以同时作为多个Piconet的主设备或从设备，从而将这些Piconet连接起来，形成一个更大范围的Scatternet，但这在实现上较为复杂,实际应用较少。
工作频段与调制方式
- 频段：蓝牙工作在 4 GHz ISM（工业、科学、医疗） 频段，这是一个全球通用的免费频段，但也意味着充满了Wi-Fi、微波炉等其他设备的干扰。
- 调制方式：为了在嘈杂的2.4GHz环境中可靠通信，蓝牙采用了独特的 跳频扩频 技术。
关键技术：跳频扩频
这是蓝牙抗干扰能力的核心。
- 原理：蓝牙设备不是固定在一个频率上通信，而是在79个指定的信道（每个信道间隔1MHz）上以极快的速度（1600次/秒）进行切换。
- 过程：
- 主设备和从设备在建立连接时，会约定一个“跳频序列”。
- 通信时,双方按照这个序列同步地切换到下一个信道。
- 即使某个信道被Wi-Fi或其他信号干扰，通信也只是短暂中断，下一个跳频周期会自动切换到干净的信道,从而保证了整体的通信稳定性。
- GFSK：早期蓝牙版本（如BR）使用高斯频移键控进行调制,数据率为1Mbps或2Mbps。
通信方式：BR/EDR 与 BLE
蓝牙技术主要分为两大技术路线,这也是理解蓝牙原理的关键。
（图片来源网络，侵删）
A. 蓝牙基本速率/增强数据率
这是传统蓝牙，我们常用于连接耳机、音箱、鼠标等。
- 特点：
- 连接稳定：基于电路交换，连接一旦建立,延迟较低且稳定。
- 高吞吐量：支持较高的数据传输速率（BR: 1-3 Mbps, EDR: 2-3 Mbps）。
- 高功耗：为了维持稳定连接和传输数据,功耗相对较高。
- 应用：音频传输（A2DP协议）、文件传输（OBEX协议）、人机交互设备（HID协议）。
B. 蓝牙低功耗
这是现代物联网的基石,是蓝牙技术的革命性演进。
- 特点：
- 极低功耗：通过“连接-断开”的广播模式和不连续的接收/发送来省电,一个纽扣电池可以让BLE设备工作数月甚至数年。
- 低速率：数据传输速率较低（理论最高约2 Mbps）,但对于传感器数据等小包数据完全足够。
- 快速连接：设备可以快速进入和离开连接状态,非常适合需要频繁唤醒的场景。
- 核心概念：
- 广播：设备可以周期性地发送广播包，不建立连接，让周围设备知道自己的存在和提供的服务,这是BLE设备被发现的唯一方式。
- GATT：通用属性协议，BLE设备间的所有通信都基于GATT，一个设备作为 GATT Server（数据提供方），另一个作为 GATT Client（数据读取方）。
- 服务与特征：GATT Server的数据以“服务”和“特征”的形式组织。
- 服务：相关特征的集合，电池服务”、“心率服务”。
- 特征：一个数据项，包含一个值、描述符和属性（可读、可写、可通知等），心率值本身就是一个特征,可以被客户端读取或订阅。
协议栈
蓝牙的通信是一层协议的堆叠,每一层都有其特定功能。
- L2CAP (逻辑链路控制和适配协议层)：在底层链路之上,为上层协议提供数据分段和重组服务。
- ATT (属性协议)：BLE核心协议，定义了Client如何读写Server的属性（即服务和特征）。
- GATT (通用属性协议)：建立在ATT之上，定义了数据应如何组织成服务和特征，并定义了发现、读、写、通知等操作。
- 应用层协议：在GATT之上，定义了具体的应用场景，如 HID（人机接口设备）、GAP（通用访问协议，负责设备发现、连接等）、A2DP（音频传输协议）等。
第二部分：蓝牙技术开发
开发蓝牙应用，无论是作为主设备还是从设备，都需要遵循其协议栈，下面以最主流的 BLE开发 为例进行说明。
（图片来源网络，侵删）
开发环境与硬件
- 硬件平台：
- 主设备：智能手机（iOS/Android）、电脑、开发板（如Raspberry Pi、ESP32）。
- 从设备：各种微控制器，如 Nordic nRF52系列、TI CC254x/CC2640、ESP32,这些芯片都集成了BLE控制器和射频收发器。
- 开发环境：
- 主端开发：使用原生语言。
- Android: Java/Kotlin + Android Bluetooth API
- iOS: Swift/Objective-C + Core Bluetooth Framework
- 从端开发：使用C/C++在微控制器上开发，通常需要厂商提供的SDK。
- Nordic: nRF Connect SDK / Zephyr RTOS
- TI: SimpleLink CC13xx/CC26xx SDK
- ESP-IDF: Espressif官方开发框架
- 主端开发：使用原生语言。
BLE 开发核心流程（以从设备为例）
开发一个BLE从设备，主要工作就是定义和实现自己的 GATT服务。
步骤1：定义服务和特征 这是开发的第一步，也是最重要的一步,你需要设计你的设备能提供什么数据。
- 示例：制作一个温湿度传感器
- 服务：环境感知服务
- UUID:
0x181A(标准服务,或自定义一个UUID)
- UUID:
- 特征1：温度
- UUID:
0x2A6E(标准特征) - 属性：可读 + 可通知
- 数据格式：一个16位整数，单位为0.1摄氏度 (25.5°C 存储为 255)
- UUID:
- 特征2：湿度
- UUID:
0x2A6F(标准特征) - 属性：可读 + 可写
- 数据格式：一个16位整数，单位为0.1% (60.5% 存储为 605)
- UUID:
- 服务：环境感知服务
步骤2：实现固件逻辑 使用SDK提供的API,将上述定义实现到代码中。
- 初始化BLE栈：启动蓝牙,设置设备名称。
- 添加GATT服务：将你定义的服务和特征注册到BLE协议栈中。
- 实现回调函数：当主设备进行特定操作时，BLE栈会调用你的回调函数。
- 读回调：当主设备读取温度特征时，此函数被调用,你需要返回当前的温度值。
- 写回调：当主设备写入湿度特征时，此函数被调用，你可以处理写入的数据（设置一个目标湿度）。
- 通知/指示回调：当主设备订阅了温度通知后，你需要主动调用发送通知的函数,将最新的温度数据推送给主设备。
- 处理广播：设置广播包的内容，至少包含设备名称，还可以包含一些服务UUID，方便主
