藍(lán)牙v4.0與以前的版本有根本區(qū)別，因?yàn)樗詢蓚€(gè)協(xié)議為基礎(chǔ)，而非一個(gè)協(xié)議。 這帶來了一些需要藍(lán)牙Smart品牌解決的問題”Svein-Egil Nielsen解釋說。

雖然藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（SIG）在很多事情上都備受指責(zé)，但是在消費(fèi)者中成功樹立藍(lán)牙品牌卻無可非議。早在2008年進(jìn)行的一項(xiàng)獨(dú)立調(diào)查發(fā)現(xiàn)，85%的消費(fèi)者“認(rèn)識(shí)了無線技術(shù)”， 今天這個(gè)數(shù)字很可能會(huì)更高。

隨著藍(lán)牙v4.0的推出，技術(shù)聯(lián)盟面臨著一個(gè)新的挑戰(zhàn)，就是準(zhǔn)確解釋這項(xiàng)技術(shù)是什么。 跟以往版本不一樣，藍(lán)牙v4.0架構(gòu)采用了兩類不同的無線電技術(shù)和協(xié)議。一種類型可以與以往版本通信，而另一種則不可以。

從用戶所關(guān)注的互操性到工程人員所需，技術(shù)聯(lián)盟的答案是，新品牌可幫助消費(fèi)者在市場(chǎng)上找到所需產(chǎn)品。藍(lán)牙Smart和藍(lán)牙Smart Ready品牌背后所采用的藍(lán)牙v4.0技術(shù)正在被廣泛應(yīng)用。

藍(lán)牙4.0BLE介紹

藍(lán)牙4.0支持的角色有：

廣播者（BroadCaster）——廣告發(fā)送者，不是可連接的設(shè)備

觀察者（Observer）——掃描廣告，不能夠啟動(dòng)連接

外圍設(shè)備（Peripheral）——廣告發(fā)送者，是可連接的設(shè)備，在單一鏈路層連接時(shí)作為一個(gè)從機(jī)

中央設(shè)備（Center）——掃描廣告啟動(dòng)連接，在單一或者多鏈路層連接時(shí)作為主機(jī)，支持三個(gè)同時(shí)連接

廣播者跟觀察者配對(duì)使用不能建立連接。應(yīng)用：溫度傳感器跟溫度顯示器。

中央設(shè)備跟外圍設(shè)備可以進(jìn)行連接、配對(duì)、數(shù)據(jù)通信。應(yīng)用：手表跟手機(jī)。

BLE連接的過程：

1、外圍設(shè)備發(fā)送具體的廣告數(shù)據(jù)讓任何中央設(shè)備知道他是一個(gè)可連接的設(shè)備，廣告內(nèi)容包含設(shè)備地址，還可以包含一些額外的額數(shù)據(jù)，比如設(shè)備名稱、服務(wù)ID等。

2、中央設(shè)備（Center）接收到廣告后發(fā)送一個(gè)搜索請(qǐng)求給外圍設(shè)備（Peripheral），外圍設(shè)備（Peripheral）返回掃描響應(yīng)給中央設(shè)備（Center）。這樣中央設(shè)備就知道這是一個(gè)可連接的設(shè)備。

3、中央設(shè)備可以發(fā)送一個(gè)建立連接的請(qǐng)求給外圍設(shè)備。進(jìn)行配對(duì)連接，必要時(shí)進(jìn)行綁定操作（連接可以被從機(jī)或者主機(jī)任一方終止）。

配對(duì)（Pairing）：建立連接，配對(duì)完成后可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

綁定（Banding）： 將配對(duì)信息記錄下來，如設(shè)備地址，這樣下次連接時(shí)就不需要再次配對(duì)的過程（快速連接）。

藍(lán)牙低功耗：

低耗能藍(lán)牙技只用 3 個(gè) 信道做廣播信道，允許毫秒級(jí)快速建立連接，效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)藍(lán)牙的 32 個(gè)信道方式。

少的數(shù)據(jù)頻道和寬頻道間隔：傳統(tǒng)藍(lán)牙有 79 個(gè)數(shù)據(jù)信道，頻道間隔 是 1MHz；低耗能藍(lán)牙有 40 個(gè)數(shù)據(jù)信道，頻 道間隔是 2MHz。

傳統(tǒng)藍(lán)牙的工作峰值電流一般是 35mA，睡眠狀態(tài)電流是 0.01mA。

而低耗能藍(lán)牙的工作峰值電流是小于 15mA，睡眠狀態(tài)電流是 0.004mA

還可以軟件設(shè)置以下三個(gè)參數(shù)來降低功耗。

連接間隔：當(dāng)設(shè)備建立連接時(shí)，即使沒有數(shù)據(jù)的收發(fā)，兩設(shè)備仍然會(huì)通過交換鏈路層數(shù)據(jù)來維持連接，連接間隔就是兩個(gè)連接事件之間的時(shí)間間隔。設(shè)置范圍（7.5ms - 4s）。

從機(jī)延遲： 從機(jī)可以跳過若干連接事件繼續(xù)休眠節(jié)省功耗。

管理超時(shí)：兩個(gè)成功連接事件之間最大的允許間隔。如果超出這個(gè)時(shí)間就認(rèn)為設(shè)備斷開連接。設(shè)置范圍（100ms--32s）

藍(lán)牙4.0BLE協(xié)議與協(xié)議棧的關(guān)系

協(xié)議定義的是一系列的通信標(biāo)準(zhǔn)，通信雙方需要共同按照這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)收發(fā)。

協(xié)議棧是協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)形式，通俗的理解為用代碼實(shí)現(xiàn)的函數(shù)庫，以便于開發(fā)人員調(diào)用。

藍(lán)牙4.0BLE協(xié)議棧就是將各個(gè)層定義的協(xié)議都集合在一起，以函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn)，并提供一些應(yīng)用層API，供用戶調(diào)用。

注意：雖然協(xié)議是統(tǒng)一的，但是協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)形式是變化的，即不同廠商提供的協(xié)議棧是有區(qū)別的，例如：函數(shù)名稱和參數(shù)列表可能有區(qū)別，選擇協(xié)議棧以后，需要學(xué)習(xí)具體的例子，查看廠商提供的Demo演示程序、說明文檔（通常，實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧的廠商會(huì)提供一些API手冊(cè)供用戶查詢）來學(xué)習(xí)各個(gè)函數(shù)的使用方式，進(jìn)而快速地使用協(xié)議棧進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)工作。

如何使用藍(lán)牙4.0BLE協(xié)議棧

既然藍(lán)牙4.0BLE協(xié)議棧已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙4.0BLE協(xié)議，那么用戶就可以使用協(xié)議棧提供的API進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)，在開發(fā)過程中不必過多的關(guān)注藍(lán)牙4.0BLE協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，只需要關(guān)注一個(gè)核心的問題：應(yīng)用程序數(shù)據(jù)從哪里來到哪里去。

至于調(diào)用協(xié)議棧中函數(shù)后，如何初始化應(yīng)用進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送等工作，藍(lán)牙4.0BLE協(xié)議棧已經(jīng)完成了所需要的初始化。

如果開發(fā)過程中確實(shí)需要或者是想要了解藍(lán)牙4.0BLE協(xié)議，可以查看SIG提供的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)范。

深入理解藍(lán)牙4.0BLE協(xié)議棧

協(xié)議棧概述

我們以TI的CC254X系列BLE芯片為例來深入了解下藍(lán)牙4.0BLE協(xié)議棧。TI的藍(lán)牙4.0BLE協(xié)議棧包含兩部分：主機(jī)和控制器。主機(jī)和控制器的分離要追溯到藍(lán)牙BR/EDR設(shè)備時(shí)期，控制器和主機(jī)通常會(huì)分開實(shí)現(xiàn)。

協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)方式采用分層的思想，控制器部分包括：物理層、鏈路層、主機(jī)控制接口層；主機(jī)部分包括：邏輯鏈路控制及自適應(yīng)協(xié)議層、安全管理層、屬性協(xié)議層、通用訪問配置文件層、通用屬性配置文件層；上層可以調(diào)用下層提供的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)需要的功能。

協(xié)議棧基礎(chǔ)

藍(lán)牙4.0BLE協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)圖如下：

詳細(xì)介紹如下：

1.物理層（Physical Layer，簡寫 PHY）：

是1Mbps自適應(yīng)跳頻的GFSK射頻，工作于免許可證的2.4GHz ISM（工業(yè)、科學(xué)與醫(yī)療）頻段。

2.鏈路層（Link Layer，簡寫 LL）：

用于控制設(shè)備的射頻狀態(tài)，設(shè)備將處于五種狀態(tài)之一：等待、廣告、掃描、初始化、連接。廣播設(shè)備不需要建立連接就可以發(fā)送數(shù)據(jù)，而掃描設(shè)備接收廣播設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)；發(fā)起連接的設(shè)備通過發(fā)送連接請(qǐng)求來回應(yīng)廣播設(shè)備，如果廣播設(shè)備接受連接請(qǐng)求，那么廣播設(shè)備與發(fā)起連接的設(shè)備將會(huì)進(jìn)入連接狀態(tài)。發(fā)起連接的設(shè)備稱為主機(jī)，接受連接請(qǐng)求的設(shè)備稱為從機(jī)。

3.主機(jī)控制接口層（Host Controller Interface，簡寫 HCI）：

為主機(jī)和控制器之間提供標(biāo)準(zhǔn)通信接口。這一層可以是軟件或者硬件接口，如UART、SPI、USB等。

4.邏輯鏈路控制及自適應(yīng)協(xié)議層（Logical Link Control and Adaptation Protocol，簡寫 L2CAP）：

為上層提供數(shù)據(jù)封裝服務(wù)，允許邏輯上的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信。

5.安全管理層（Security Manager，簡寫 SM）：

定義了配對(duì)和秘鑰分配方式，并為協(xié)議棧其他層與另一個(gè)設(shè)備之間的安全連接和數(shù)據(jù)交換提供服務(wù)。

6.屬性協(xié)議層（Attribute protocol，簡寫 ATT）：

允許設(shè)備向另外一個(gè)設(shè)備展示一塊特定的數(shù)據(jù)，稱之為“屬性”。在ATT環(huán)境中，展示“屬性”的設(shè)備稱為服務(wù)器，與之配對(duì)的設(shè)備稱為客戶端。鏈路層狀態(tài)（主機(jī)和從機(jī)）與設(shè)備的ATT角色是相互獨(dú)立的。例如：主機(jī)設(shè)備既可以是ATT服務(wù)器，也可以是ATT客戶端；從機(jī)設(shè)備既可以是ATT服務(wù)器，也可以是ATT客戶端。

7.通用屬性配置文件層（Generic Attribute profile，簡寫 GATT）：

定義了使用ATT的服務(wù)框架。GATT規(guī)定配置文件（profile）的結(jié)構(gòu)。在BLE中，所有被profile或者服務(wù)用到的數(shù)據(jù)塊稱為“特性”，兩個(gè)建立連接的設(shè)備之間的所有數(shù)據(jù)通信都是通過GATT子程序處理。GATT層用于已連接的藍(lán)牙設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，應(yīng)用程序和profile直接使用GATT層。

當(dāng)兩個(gè)設(shè)備建立連接之后，它們就處于下面兩種角色之一：

GATT服務(wù)器：為GATT客戶端提供數(shù)據(jù)服務(wù)的設(shè)備。

GATT客戶端：從GATT服務(wù)器讀寫應(yīng)用數(shù)據(jù)的設(shè)備。

注意：GATT角色中的客戶端和服務(wù)器的概念與鏈路層的主機(jī)和從機(jī)的概念完全獨(dú)立，與GAP層角色中的外設(shè)和集中器的概念也是完全獨(dú)立。 主機(jī)既可以是GATT客戶端也可以是GATT服務(wù)器；從機(jī)既可以是GATT客戶端也可以是GATT服務(wù)器。

一個(gè)GATT服務(wù)器中可包含一個(gè)或多個(gè)GATT服務(wù)，GATT服務(wù)是完成特定功能的一系列數(shù)據(jù)的集合。每一個(gè)應(yīng)用工程大致包含下列三種服務(wù)：

（1）強(qiáng)制的GAP服務(wù)。這一服務(wù)包含了設(shè)備和訪問信息。例如，設(shè)備、設(shè)備供應(yīng)商和產(chǎn)品標(biāo)示。它是協(xié)議棧的一部分，是BLE規(guī)范對(duì)每一個(gè)BLE設(shè)備的強(qiáng)制要求。這部分沒有提供源代碼，而是直接編譯到協(xié)議棧庫文件中了。

（2）強(qiáng)制的GATT服務(wù)。這一服務(wù)包含了GATT服務(wù)器的信息，是協(xié)議棧的一部分，同樣也是BLE規(guī)范對(duì)每一個(gè)BLE設(shè)備的要求。這部分同樣沒有提供源代碼而是直接編譯到協(xié)議棧庫文件中了。

（3）自定義服務(wù)。這部分服務(wù)包含應(yīng)用數(shù)據(jù)的信息，與應(yīng)用數(shù)據(jù)的傳遞密切相關(guān)，我們可以按照特定的格式編寫自己的GATT服務(wù)。

“特性”（Characteristic）是服務(wù)用到的值，以及其內(nèi)容和配置信息。GATT定義了在BLE連接中發(fā)現(xiàn)、讀取和寫入屬性的子過程。GATT服務(wù)器上的特性值及其內(nèi)容和配置信息（稱為描述符）存儲(chǔ)于屬性表中。屬性表是一個(gè)數(shù)據(jù)庫，包含了成為屬性的小塊數(shù)據(jù)，除了值本身，每個(gè)屬性都包含下列屬性：

（1）句柄：屬性在表中的地址，每個(gè)屬性有唯一的句柄。

（2）類型：表示數(shù)據(jù)代表的事物，通常是藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟規(guī)定或用戶自定義的UUID（Universally Unique Identifier）。

（3）權(quán)限：規(guī)定了GATT客戶端設(shè)備對(duì)屬性的訪問權(quán)限，包括是否能訪問和怎樣訪問。

GATT定義了若干在GATT服務(wù)器和客戶端之間的通信的子過程：

（1）讀特性值：客戶端設(shè)備請(qǐng)求讀取句柄處的特性值，服務(wù)器將此值回應(yīng)給客戶端（假定屬性有讀權(quán)限）。

（2）使用特性的UUID讀：客戶端請(qǐng)求讀基于一個(gè)特定類型的所有特性值，服務(wù)器將所有與指定類型匹配的特性的句柄和值回應(yīng)給客戶端設(shè)備（假設(shè)屬性有讀權(quán)限）。

（3）讀多個(gè)特性值：客戶端一次請(qǐng)求中讀取幾個(gè)句柄的特性值，服務(wù)器將這些特性值回應(yīng)給客戶端（假設(shè)屬性有讀權(quán)限），客戶端需要知道如何解析這些不同的特性值數(shù)據(jù)。

（4）讀特性描述符：客戶端請(qǐng)求讀特定句柄處的特性描述符，服務(wù)器將特性描述符的值回應(yīng)給客戶端設(shè)備（假設(shè)屬性有讀權(quán)限）。

（5）使用UUID發(fā)現(xiàn)特性：客戶端通過發(fā)送“特性”的類型（UUID）來請(qǐng)求發(fā)現(xiàn)這個(gè)“特性”的句柄。服務(wù)器將這個(gè)”特性”的聲明回應(yīng)給客戶端設(shè)備，其中包括特性值的句柄以及“特性”的權(quán)限。

（6）寫特性值：客戶端設(shè)備請(qǐng)求向服務(wù)器特定的句柄處寫入特性值，服務(wù)器將數(shù)據(jù)是否寫入成功的信息反饋給客戶端（假設(shè)特性有寫權(quán)限，另外有一種特殊的寫類型是不需要服務(wù)器來反饋是否寫入成功的信息的，使用的時(shí)候根據(jù)具體應(yīng)用來具體分析使用）。

（7）寫特性描述符：客戶端設(shè)備請(qǐng)求向服務(wù)器特定的句柄處寫入特性描述符，服務(wù)器將特性描述符是否寫入成功的信息反饋給客戶端（假設(shè)特性描述有寫權(quán)限）。

（8）特性值通知：服務(wù)器將一個(gè)特性值通知給客戶端，客戶端設(shè)備不需要向服務(wù)器請(qǐng)求這個(gè)數(shù)據(jù)，客戶端收到這個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，不需要屬性協(xié)議層確認(rèn)特性值是否被成功接收。

（9）特性值指示：服務(wù)器將一個(gè)特性值指示給客戶端，客戶端設(shè)備同樣不需要向服務(wù)器請(qǐng)求這個(gè)數(shù)據(jù)，但是跟通知不一樣的是，客戶端收到這個(gè)數(shù)據(jù)之后，屬性協(xié)議層必須確認(rèn)特性值被成功接收。

通知與指示功能的流程如下：

何時(shí)發(fā)送通知或指示的條件可以在配置文件中設(shè)置，也可以通過應(yīng)用來設(shè)置。要想使能通知和指示功能，需要分別在相應(yīng)的句柄特性描述符寫入“0x0001”和“0x0002”，如下表所示：

每個(gè)Profile初始化其相應(yīng)的服務(wù)并內(nèi)在的通過設(shè)備的GATT服務(wù)器來注冊(cè)服務(wù)。GATT服務(wù)器將整個(gè)服務(wù)加到屬性表中，并為每個(gè)屬性分配唯一句柄。GATT屬性表中有一些特殊的屬性類型，其值由藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟定義：

（1）GATT_PRIMARY_SERVICE_UUID：表示新服務(wù)的起始和提供的服務(wù)類型。

（2）GATT_CHARACTER_UUID：稱為“特性聲明”，緊隨其后的是GATT特性值。

（3）GATT_CLIENT_CHAR_CFG_UUID：這一屬性代表特性描述符，它與屬性表中它前面最近的句柄處的特性值相關(guān)，它允許GATT客戶端設(shè)備使能特性值通知或者指示。

（4）GATT_CHAR_USER_DESC_UUID：這一屬性代表描述符，它與屬性表中它前面最近的句柄處的特性值相關(guān)，包含一個(gè)ASCII字符串，是對(duì)相關(guān)特性的描述。

8.通用訪問配置文件層（Generic Access Profile，簡寫 GAP）：

負(fù)責(zé)處理設(shè)備訪問模式和程序，包括設(shè)備發(fā)現(xiàn)、建立連接、終止連接、初始化安全特性和設(shè)備配置。

GAP層總是作為下面四種角色之一：

（1）廣播者：不可連接的廣播設(shè)備。

（2）觀察者：掃描設(shè)備，但不發(fā)起建立連接。

（3）外部設(shè)備：可連接的廣播設(shè)備，可以在單個(gè)鏈路層連接中作為從機(jī)。

（4）集中器：掃描廣播設(shè)備并發(fā)起連接，可以在單個(gè)鏈路層連接中作為主機(jī)。

外部設(shè)備廣播特定的數(shù)據(jù)使集中器知道它是一個(gè)可以連接的設(shè)備。廣播內(nèi)容包括設(shè)備地址以及一些額外的數(shù)據(jù)，如設(shè)備名等，當(dāng)然也可以是自定義的數(shù)據(jù)，只要滿足廣播數(shù)據(jù)中廣告的格式即可。集中器收到廣播數(shù)據(jù)后向外部設(shè)備發(fā)送掃描請(qǐng)求，然后外部設(shè)備將特定的數(shù)據(jù)回應(yīng)給集中器，稱為掃描回應(yīng)。集中器收到掃描回應(yīng)后便知道這是一個(gè)可以建立連接的外部設(shè)備。這就是設(shè)備發(fā)現(xiàn)的全過程。此時(shí)集中器可以向外部設(shè)備發(fā)起建立連接的請(qǐng)求。連接請(qǐng)求包括一些鏈接參數(shù)。

GAP層也處理BLE連接中安全特征的初始化。只有在已認(rèn)證的連接中特定的數(shù)據(jù)才能被讀寫，一旦連接建立，兩個(gè)設(shè)備進(jìn)行配對(duì)，當(dāng)配對(duì)完成后，形成加密鏈接的密鑰。典型應(yīng)用中外設(shè)請(qǐng)求集中器提供密鑰來完成配對(duì)工作，密鑰可以是一個(gè)固定的值，如000000，也可以隨機(jī)生成一個(gè)數(shù)據(jù)提供給使用者，集中器設(shè)備發(fā)送正確的密鑰后，兩設(shè)備交換安全密鑰并加密認(rèn)證鏈接。

在許多情況下，同一對(duì)外設(shè)和集中器會(huì)不定時(shí)地連接和斷開，BLE的安全機(jī)制中有一項(xiàng)特性允許兩個(gè)設(shè)備之間建立長期的安全密鑰信息，這種特性稱為綁定，它允許兩設(shè)備重新連接時(shí)快速地完成加密認(rèn)證，而不需要每次連接時(shí)執(zhí)行配對(duì)的完整過程。

藍(lán)牙4.0BLE協(xié)議棧分層思想的優(yōu)點(diǎn)

藍(lán)牙4.0BLE協(xié)議棧采用分層思路的最大優(yōu)點(diǎn)是：將服務(wù)、接口和協(xié)議這三個(gè)概念明確的區(qū)分開來。服務(wù)說明某一層為上一層提供了一些什么樣的功能；接口說明上一層如何使用下一層的服務(wù)；而協(xié)議涉及到如何實(shí)現(xiàn)本層的服務(wù)。這樣，各層之間就具有很強(qiáng)的獨(dú)立性，當(dāng)協(xié)議的一部分發(fā)送變化時(shí)，只需對(duì)與此相關(guān)的分層進(jìn)行修改即可，其他分層不需要改變。