Bluetooth Low Energy 介绍

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1.简介

　　BLE(Bluetooth Low Energy，低功耗蓝牙)是对传统蓝牙BR/EDR技术的补充。尽管BLE和传统蓝牙都称之为蓝牙标准，且共享射频，但是，BLE是一个完全不一样的技术。BLE不具备和传统蓝牙BR/EDR的兼容性。它是专为小数据率、离散传输的应用而设计的。通信距离上也有改变，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。

2.低功耗蓝牙(BLE)

　　低功耗蓝牙分为单模（Bluetooth Smart）和双模（Bluetooth Smart Ready）两种设备。BLE和蓝牙BR/EDR的区分，让我们有三种方式将蓝牙技术集成到具体设备中。下表中示意了两个蓝牙设备之间的通信方式。因为不再是所有现有的蓝牙设备可以和另一个蓝牙设备进行互联，所以，准确描述产品中蓝牙的版本非常地重要。

2.1 单模蓝牙

　　单模蓝牙设备被称为Bluetooth Smart设备，并且有专用的logo：

　　诸如手表、运动传感器等这样小型的设备会基于单模蓝牙低功耗。为了实现极低的功耗，硬件和软件上都做了优化。这样的设备只能支持BLE。单模蓝牙芯片往往是一个带有单模蓝牙协议栈的产品，这个协议栈是芯片商免费提供的。

2.2 双模蓝牙

　　双模蓝牙设备被称为Bluetooth Smart Ready设备，并且有专用的logo：

　　双模设备支持蓝牙BR/EDR和BLE。在双模设备中，这两个技术使用同一个射频前端和天线。典型的双模设备有智能手机、平板电脑、PC和Gateway。这些设备可以收到通过BLE或者蓝牙BR/EDR设备发送过来的数据，这些设备往往都有足够的供电能力。双模设备和BLE设备通信的功耗低于双模设备和蓝牙BR/EDR设备通信的功耗。双模解决方案需要一个外部处理器才足以实现蓝牙协议栈。

3.应用

BLE适合用于电池驱动的小型设备，有以下五个主要的市场。

3.1医疗和健康

那些用于监测重要的生理数据的医疗设备是BLE在医疗健康市场中应用的对象。典型的设备有血糖仪、血压计和血氧计。BLE被康体佳健康联盟（Continua Health Alliance）选定为终端产品通信的兼容传输技术。

3.2运动和健身

在运动和健身领域，BLE适合用于定位，同时也上传一些重要的监测数据。典型的设备有心率监测仪、体温计、计步器、节拍器、测高仪、定位器和通过手表显示来自传感器的信息。

3.3工业

在自动化应用领域中，BLE主要用于传输I/O信号。BLE可以用于监测和控制马达、制动器、参数和整个过程。

3.4娱乐

在娱乐领域，BLE已经被众多的设备采用，比如机顶盒、游戏机等。预计BLE会是的在TV / DVD / STB / Media播放器、遥控、游戏控制手柄及无线键鼠等设备中的蓝牙应用不断扩大。

3.5智能家居

BLE可以提供灯光控制、温度控制、湿度控制、安全锁控制、门窗控制的低功耗、高安全性解决方案。在智能仪表中的应用也是一个方向。

4.协议

BLE不在支持传统蓝牙BR/EDR的协议，如传统蓝牙中的SPP协议在BLE中就不复存在。作为替代，在BLE中所有的协议或者服务都是基于GATT(Generic Attribute Profile)的。尽管有些传统蓝牙中的协议，如HID被移植到了BLE中，但是在BLE的应用中，你必须区分清楚协议和服务。

服务描述了特点（及他们的UUID）。服务描述自身有什么特点和形式，并且描述清楚如何应用这些特点以及需要什么安全机制。

应用协议定义其使用的服务，说明是传感器端还是接收端，定义GATT的角色（Server/Client）和GAP的角色（Peripheral/Central）。

相较于蓝牙BR/EDR的协议，基于GATT的应用协议非常简单，因为所有的功能都是集成在GATT终端，这些基于其上的应用协议只是对GATT提供的功能的使用。

下表列出了现有的基于GATT的协议/服务（07/2013）:

5.技术特点

BLE的低功耗并非通过优化空中的无线射频传输实现，而是通过改变协议的设计来实现。一般来说，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。与传统蓝牙BR\EDR相比，BLE有这三大特性，从而实现低功耗：缩短无线开启时间、快速建立连接、降低收发峰值功耗（具体由芯片决定）。

缩短无线开启时间的第一个技巧是只用3个“广告”信道，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。

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。

单模设备可以作为Master或者Slave，但是不能同时充当两种角色。这意味着BLE只能建立简单的星状拓扑，不能实现散射网。

BLE的无线电规范中定义了低功耗蓝牙的最高数据率为305kbps，但是，这只是理论数据。在实际应用中，数据的吞吐量取决于上层协议栈。而UART的速度、处理器的能力和主设备都会影响数据吞吐能力。

高的数据吞吐能力的BLE只有通过私有方案或者基于ATT notification才能实现。事实上，如果是高数据率或高数据量的应用，蓝牙BR/EDR通常显得更加省电。

5.1 应用实例和优势

BLE通常应用在传感器和智能手机或者平板的通信中。到目前为止，只有很少的智能机和平板支持BLE，如：iPhone 4S以后的苹果手机，Motorola Razr和 the new iPad 及其以后的iPad。安卓手机也逐渐支持BLE，安卓的BLE标准在2013年7月24日刚发布。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。

在苹果设备上使用BLE传输，尤其有其明显的优势。相比于蓝牙BR/EDR，再也不需要使用经过苹果授权的加密芯片，就不需要在加入MFi项目中去。

5.2 对比BLE和传统蓝牙BR/EDR技术

5.3 双模协议栈

下图是斯图曼双模协议栈BlueCode+SR的架构。在这个图中，包含了SPP、HDP和GATT所需要的所有部分。

5.4 单模协议栈

下图是单模协议栈的一种典型协议栈设计。在这样的协议栈中一般不会包含具体协议，所以需要在具体的应用程序中实现每一个具体应用对应的协议。这和传统蓝牙有非常大的区别，传统蓝牙会在协议栈中实现每个具体应用相关的协议，如SPP、HDP等。

对比双模协议栈，BLE无需一个主处理器来实现它的协议栈，所以极低功耗的集成成为可能。大多数的单模芯片或者模块都是自带协议栈的。

由于BLE单模产品（芯片或者模块）中的协议栈只是实现了GATT层，所以通常需要将具体应用对应的协议集成到该单模产品之中。甚至芯片商都开始提供带有具体协议和sample code的SDK。但是，仍然没有真正能拿到手的解决方案。

6．集成方式

尽管有单模和双模方案的区别，但是在您的设备中集成蓝牙技术仍有多种方式。

6.1 模块

最简单和快速的方式是使用一个嵌入式模块。这样的模块包含了天线、嵌入了协议栈并提供多种不同的接口：UART、USB、SPI和I²C，可以通过这些接口和您的处理器连接。模块会提供一种简单的接口来控制蓝牙的功能。很多的模块公司都会提供带CE、FCC和IC认证的产品。这样的模块可以只是蓝牙BR/EDR的，双模式的或者单模式的。

如果是蓝牙BR/EDR和双模的方案，还可以采用HCI模块。HCI模块只是不带蓝牙协议栈，其他的和上述的模块是一样的。所以，这样的模块会更便宜。HCI模块只是提供了硬件接口，在这样的方案中，蓝牙协议栈需要第三方提供。这样的第三方协议栈需要能在主设备的处理器中运行，如斯图曼提供的BlueCode+SR。使用HCI模块需要将软件移植到最终的硬件中。

理论上来说，提供单模的HCI模块也是可以的。然而，所有的芯片公司都已经将GATT集成到他们的芯片中，所以市面上不会有HCI单模模块出现（见5.4章节）。

6.2 芯片

通过芯片来集成BLE是从物料角度最低成本的方式，但是，这需要很多的前期工作和花费大量的时间。虽然在软件上只需要将协议栈移植到目标平台之中即可，但是，硬件方面则需要对RF的layout和天线的设计非常有经验。这些公司提供BLE芯片：Broadcom、CSR、EM Microelectronic、Nordic和TI。

Bluetooth Low Energy 介绍

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