00_低功耗蓝牙BLE基础知识

官方文档

specifications
assigned-numbers

蓝牙传输频段

低功耗蓝牙一共有40个信道,频段范围从2402MHz到2480MHz,其中37,38,39是广播信道,剩余的是数据信道。

ble-adv-channel

为什么要选择37,38,39做广播通道呢?

我们可以看看wifi传输信道情况,这样设计可能是为了最大程度避开wifi传输信道的干扰,影响广播扫描配对。配对成功后,蓝牙传输支持channel hop功能来做抗干扰。


wifi-channel

为什么是2.4G频段呢?

2.4GHz 频率属于 ISM(工业、科学及医疗设备)频率,无需经过当局许可便可使用,属于全球通用。

蓝牙广播数据

蓝牙广播数据包长度37个字节,其中前6个字节固定是Mac地址,剩余31个字节根据实际情况定义。


adv-data-struct

来看一个具体的例子,如下是一个广播数据包的两个结构体,第一个占用5个字节,第二个占用4个字节,剩余不足31个字节的位置补零。


ad-structure1

上面知道了广播数据结构体的组织方式,下面来看看如何解释这些数据结构体。我们可以在官方提供的Generic Access Profile文档中查看完整的广播类型定义,这里列举几个常用的类型说明:

adv-usual-type

说了 这么多,我们来实践一下,如下是通过nRF Connect抓取自研遥控器广播数据包字段,我们来解析一下看看:


airemote-adv-data
aispeech_remote_adv

很多字段都是需要在蓝牙官方资料中查询,这里罗列几个常用查询地址:

类型说明
补充说明
注册蓝牙公司标识查询
外观类型查询

蓝牙扫描,广播时长和窗口期

  1. scan 指的是central端在扫描周边蓝牙设备,必须设置scan interval(扫描周期:2.5ms~10.24s)Advertising 指的是peripheral端广播信息,需设定Advertising interval(广播周期:20ms~10.24s)
  2. Interval时间越长,越省点,反之越耗电
  3. 设定Time out时间,避免长期scan或者Advertising造成产品耗电。
scan-adv-interval_window

蓝牙广播分类和扫描

蓝牙广播分类主要从三个维度出发:

  1. connectability可连接性:Connectable vs Non-connectable
  2. scannability可被扫描性:Scannable vs Non-scannable,可扫描的意思是scanner可以发送scan request,advertiser发送scan response data
  3. directability定向性:Directed vs Undirected,定向的意思是指定scanner的地址,其他scaner不能连接上来
    另外一个维度是discoverable,分为non-discoverable vs discoverable(general or limited),non-discoverable可以理解,就是不可发现。
广播类型 使用 连接支持 扫描响应
可连接非定向 常用普通广播方式 支持
可连接定向 用于已配对过,快速回连广播 指定设备可连 不支持
不可连接非定向 常用于信标,传感器 不支持
可扫描非定向 在3的基础,添加可以扫描响应,用来承载更多数据 支持

蓝牙广播和扫描
蓝牙广播和扫描数据格式是一样的,不同的是广播是从机设备主动发出,而扫描是从机设备响应主机设备的扫描请求后发出。有时蓝牙广播数据长度超过31个字节,我们会把其他数据通过扫描响应反馈给主机设备。


adv-scan

蓝牙连接

在连接配对期间peripheral 需要提供四个参数给到central:
. MIN_CONN_INTERVAL
. MAX_CONN_INTERVAL
. SALVE_LATENCY
. CONN_SUP_TIMEOUT

central 会参考这四个参数,并传输connect event给peripheral当做彼此沟通的时间。
connect interval:标准位7.5ms~4s(IOS interval:20ms~2s)
slave latency: 为了节省peripheral的功耗,central可以接受peripheral几次不会传。
supervision Timeout:设定当多久没用收到任何通讯要求时,中断连接。


connect-data-change

蓝牙服务和特性

蓝牙协议框图


蓝牙协议框图

蓝牙设备服务和特性关系


蓝牙设备服务和特性关系

蓝牙服务和特性UUID

uuid

可以看到上面128bit的uuid非常长,而我们在实际使用或者在nrfconnect里看到的uuid是没有这么长的,是因为蓝牙联盟组织为了方便,给出了一个基地址,用户可以在基地址的基础上修改16bit来作为自己需要的uuid。


base-uuid

在低功耗蓝牙中,所有的数据通信都依赖于各个服务中的特性,根据特性的可读,可写,通知等不同类型进行划分。每个特性可以同时赋值为多个不同的权限。


service-char-permision

per-diff

16-bit UUIDs

官方定义16-bit UUIDs

over-uuid

这是因为从0x1800开始,是蓝牙联盟官方定义好的一些通用服务的UUID,每个蓝牙设备如果需要使用,都需要遵守这个UUID定义,这样在蓝牙主机端则可以非常方便的获取从机蓝牙设备的相关属性数据。

service-uuid-defined

从0x2A00开始,则是定义好的特性UUID


char-id-defined

附录参考

知乎-蓝牙技术总结
B站-我是鹏老师
B站-我爱蓝牙网

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