BLE低功耗蓝牙技术详解

BLE是低功耗蓝牙的英文缩写（Bluetooth Low Energy），是蓝牙4.0版本起开始支持的新的、低功耗版本的蓝牙技术规范。

蓝牙技术联盟（Bluetooth SIG）在2010年发布了跨时代的蓝牙4.0，它并不是蓝牙3.0的简单升级版本，而是全新的技术架构，蓝牙4.0版本分两种模式：单模蓝牙和双模蓝牙。

常见的蓝牙音箱，是典型的双模蓝牙，它需要传输大量的音频数据。而小米手环，蓝牙温度计则属于单模蓝牙。行业里一般不讲单模蓝牙，而是统一称为低功耗蓝牙。

如今，蓝牙5.0已经发布和应用，4倍通信速度、2倍的通信距离以及Mesh组网特性，将使蓝牙成为物联网领域的重要的技术之一。

本文我们将由表及里，由浅入深，全方位的揭秘低功耗蓝牙技术。

蓝牙是一种近距离无线通信技术，运行在2.4GHz免费频段，目前已大量应用于各种移动终端，物联网，健康医疗，智能家居等行业。蓝牙4.0以后的版本分为两种模式，单模蓝牙和双模蓝牙。

如下图所示，双模蓝牙具有下图所有的特点，而单模蓝牙仅如图右侧所示。

经典蓝牙支持音频（HFP/HSP, A2DP）和数据（SPP, HID等）两大类协议，在音箱，耳机，汽车电子及传统数传行业，由于苹果对经典蓝牙数据传输接口有限制（需要过MFI认证），加上功耗偏大，因此在目前移动互联应用中慢慢地被边缘化。因此低功耗蓝牙顺势而出，由于可支持苹果4S以上及安卓4.3系统以上的数据传输，且功耗极低，目前正在被越来越多的移动互联设备所采用，但低功耗蓝牙不支持音频协议，并且受数据传输速度限制，其应用也被限制在小数据传输行业。而蓝牙双模则是综合了两者的优缺点，既可以支持音频传输，同样可支持数据传输，并且兼容性也是两者之和，在对功耗要求不苛刻的情况下，是比较理想的选择。

低功耗蓝牙瞄准多个市场，特别是移动智能终端，智能家居，互联设备等领域，主要特点包括：

蓝牙联盟沿用经典蓝牙的规范内容，为低功耗蓝牙定义了一些标准Profile，Profile理解为数据规范，只要遵守该规范，任意厂家的蓝牙设备，均可以相互连接与通信，例如无线蓝牙键盘鼠标，无论是安卓或是iOS还是Windows，均是即插即用，这便是“标准”的力量。低功耗蓝牙支持的标准Profile有：

另外，低功耗蓝牙还可以自定义Profile，伴随着智能手机的发展和普及，低功耗蓝牙的这个特性得到了发扬光大，同时也拓宽了低功耗蓝牙的应用领域。例如，可以自定义一个开关量的Profile，数据01表示开灯，数据00表示关灯，然后手机发送数据01和00就可以控制灯的亮和灭。类似的应用案例有很多，下面总结应用特点

本节我们介绍低功耗蓝牙的基本行为状态和主从机交互过程，为后面的低功耗蓝牙协议的学习准备基础。

BLE设备角色主要分为两种角色，主机（Master或Central）和从机（Peripheral），当主机和从机建立连接之后才能相互收发数据

另外还有观察者（Observer）和广播者（Broadcaster），这两种角色不常使用，但也十分有用，例如iBeacon，就可以使用广播者角色来做，只需要广播特定内容即可。

蓝牙协议栈没有限制设备的角色范围，同一个BLE设备，可以作为主机，也可以作为从机，我们称之为主从一体，主从一体的好处是，每个BLE设备都是对等的，可以发起连接，也可以被别人连接，更加实用。

广播是指从机每经过一个时间间隔发送一次广播数据包，这个时间间隔称为广播间隔，这个广播动作叫做广播事件，只有当从机处于广播状态时，主机才能发现该从机。

在每个广播事件中，广播包会分别在37,38和39三个信道上依次广播，如下图所示。

广播时间间隔的范围是从20ms到10.24s，广播间隔影响建立连接的时间。广播间隔越大，连接的时间越长。

另外BLE链路层会在两个广播事件之间添加一个0~10ms的随机延时，保证多个设备广播时，不会一直碰撞广播。也就是说，设置100ms的广播间隔，实际上两次广播事件的时间间隔可能是100~110ms之间的任意时间。

广播数据包最多能携带31个字节的数据，一般包含可读的设备名称，设备是否可连接等信息。

当主机收到从机广播的数据包后，它可以再发送获取更多数据包的请求，这个时候从机将广播扫描回应数据包，扫描回应数据包和广播包一样，可以携带31个字节的数据。

扫描是主机监听从机广播数据包和发送扫描请求的过程，主机通过扫描，可以获取到从机的广播包以及扫描回应数据包，主机可以对已扫描到的从机设备发起连接请求，从而连接从机设备并通信。

扫描动作有两个比较重要的时间参数：扫描窗口和扫描间隔，如果扫描窗口等于扫描间隔，那么主机将一直处于扫描状态之中，持续监听从机广播包。

所以，主动扫描比被动扫描，可以多收到扫描回应数据包。

在BLE连接中，使用跳频方案，两个设备在特定时间、特定频道上彼此发送和接收数据。这些设备稍后在新的通道（协议栈的链路层处理通道切换）上通过这个约定的时间相遇。这次用于收发数据的相遇称为连接事件。如果没有要发送或接收的应用数据，则交换链路层数据来维护连接。两个连接事件之间的时间跨度称为连接间隔，是以1.25 ms为单位，范围从最小值7.5 ms到最大值4.0 s

Connection Interval连接间隔，两次连接事件之间的时间间隔称为连接间隔。1.25 ms为单位，范围从最小值7.5 ms到最大值4.0 s

Slave Latency从机延迟，如果从机没有要发送的数据，则可以跳过连接事件，继续保持睡眠节省电量。

Supervision Time-out监控超时，是两次成功连接事件之间的最长时间。如果在此时间内没有成功的连接事件，设备将终止连接并返回到未连接状态。该参数值以10 ms为单位，监控超时值可以从最小值10（100 ms）到3200（32.0 s）。超时必须大于有效的连接间隔。

连接参数由主机发起连接的时候提供，如果从机对连接参数有自己的要求，例如要求更低的功耗，或者更高的通信速率等，从机可以向主机发送连接参数更新请求。

从机可以在连接后的任何时候发起连接参数更新请求，但最好不要在主从建立连接后立刻发起，建议延迟5s左右再发送请求。

连接参数更新请求可以修改：Connection Interval连接间隔，Slave Latency从机延迟，Supervision Time-out监控超时。

Effective Connection Interval有效连接间隔等于两个连接事件之间的时间跨度，假设从机跳过最大数量的连接事件，且允许从机延迟（如果从机延迟设置为0，则有效连接间隔等于实际连接间隔，）。

从机延迟表示可以跳过的最大事件数。该数字的范围可以从最小值0（意味着不能跳过连接事件）到最大值499。最大值不能使有效连接间隔（见下列公式）大于16秒。间隔可以使用以下公式计算：

Effective Connection Interval = (Connection Interval) × (1 + [Slave Latency])

Consider the following example:

当没有数据从从机发送到主机时，从机每500ms一个连接事件交互一次。

不同的平台对有连接间隔有着不同的要求，例如iOS系统对ble的连接间隔有着如下的要求。