來源：內(nèi)容由半導(dǎo)體行業(yè)觀察（ID：icbank）編譯自allaboutcircuits，謝謝。

Bluetooth LE 是專為超低功耗應(yīng)用而設(shè)計的藍(lán)牙協(xié)議。在本文中，我們將了解 BLE 如何成為一種節(jié)能的短距離無線連接技術(shù)。在深入了解 BLE 的細(xì)節(jié)之前，讓我們先了解一下通信協(xié)議。

什么是通信協(xié)議？

隨著時間的推移，計算已經(jīng)從獨(dú)立系統(tǒng)發(fā)展為連接形成網(wǎng)絡(luò)的計算機(jī)（圖 1）。

圖1. 局域網(wǎng) (LAN) 中連接的計算機(jī)的簡化圖。

通信網(wǎng)絡(luò)支持共享計算，許多用戶或終端可以訪問同一計算機(jī)系統(tǒng)。在特定場景下，共享計算可以讓一個中央系統(tǒng)處理首當(dāng)其沖的工作，并將其結(jié)果分發(fā)給缺乏該能力的多個用戶。

通信網(wǎng)絡(luò)也用于分散計算，其中許多計算機(jī)可以作為對等點(diǎn)一起工作。這些網(wǎng)絡(luò)有助于將數(shù)據(jù)從一個點(diǎn)傳輸?shù)搅硪粋€點(diǎn)。例如，您用來閱讀此網(wǎng)頁的任何設(shè)備都可以無線連接到世界其他地方的網(wǎng)站服務(wù)器。從那里，信息從服務(wù)器轉(zhuǎn)移到您的設(shè)備，讓您閱讀這篇文章。

需要注意的重要一點(diǎn)是，為了使網(wǎng)絡(luò)中的不同設(shè)備能夠有效地通信或共享數(shù)據(jù)，它們必須使用共同的語言。這就是通信協(xié)議發(fā)揮作用的地方。

圖 2.協(xié)議的概念視圖，它是一種允許不同設(shè)備進(jìn)行通信的通用語言。

通信協(xié)議是嚴(yán)格定義交換信息的設(shè)備的硬件和軟件應(yīng)如何執(zhí)行每個通信功能的規(guī)則手冊。

在通信協(xié)議（又名規(guī)則手冊）中，您會找到以下內(nèi)容的規(guī)則：

設(shè)備應(yīng)如何識別自己

他們應(yīng)該如何建立、維護(hù)和結(jié)束連接

他們可以發(fā)送什么樣的數(shù)據(jù)，以及他們應(yīng)該如何格式化它

他們?nèi)绾未_保數(shù)據(jù)被兩端正確接收和理解

設(shè)備應(yīng)該使用什么調(diào)制和通道

設(shè)備應(yīng)該使用什么錯誤編碼技術(shù)

應(yīng)如何保護(hù)交換的信息

通信協(xié)議基于多種因素，包括要交換的信息的特性、通信媒介以及將使用它的設(shè)備的功能。

從協(xié)議到標(biāo)準(zhǔn)

通信協(xié)議可以通過標(biāo)準(zhǔn)化過程成為標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)是商定或廣泛采用的協(xié)議，無論制造商如何，都必須遵守。它們允許生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品的不同公司遵守相同的協(xié)議，因此它們的設(shè)備可以進(jìn)行通信。

這就是為什么您可以將一家公司的藍(lán)牙耳機(jī)連接到另一家公司的手機(jī)的原因。這些產(chǎn)品的制造商雖然不同，但都遵循標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議，在本例中為藍(lán)牙。

除了藍(lán)牙之外，還有一些其他流行的通信標(biāo)準(zhǔn)：

以太網(wǎng)

傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議 (TCP/IP)

無線上網(wǎng)

Lora

低功耗藍(lán)牙

到目前為止，您只得到了有關(guān) BLE 的一些提示。如您所見，低功耗藍(lán)牙列在標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議下。那么，讓我們談?wù)勥@個。

什么是低功耗藍(lán)牙？

藍(lán)牙的核心是一種使用無線電波作為通信媒介的短距離連接技術(shù)。該技術(shù)的第一個標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范稱為Bluetooth Classic。它的主要設(shè)計目的是取代電線并在手機(jī)和其他便攜式設(shè)備之間提供無線連接。

BLE 作為藍(lán)牙 4.0 規(guī)范的一部分于 2010 年推出，針對超低功耗應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。由于在超低功耗應(yīng)用中的使用，BLE 服務(wù)于需要無線網(wǎng)絡(luò)功能的電池供電設(shè)備市場。在BLE 出現(xiàn)之前，這些類型的設(shè)備發(fā)現(xiàn)很難支持互連，因?yàn)樗鼈兿牧颂嚯姵仉娏俊?/p>

下面，我們將介紹藍(lán)牙 LE 的一些優(yōu)化功能，以實(shí)現(xiàn)超低功耗目標(biāo)。

低功耗藍(lán)牙省電功能

1. LE radio不多話

啟用藍(lán)牙 LE 的設(shè)備的無線電僅在必要時喚醒以節(jié)省電量。當(dāng)設(shè)備想要發(fā)送或收聽數(shù)據(jù)時，LE 無線電會打開以快速執(zhí)行必要的任務(wù)，然后斷開連接。LE radio的這種操作不同于藍(lán)牙經(jīng)典radio，后者的radio大部分時間都處于打開狀態(tài)，并且連接會保持?jǐn)?shù)小時或數(shù)天。

由于 LE 無線電不頻繁，它適用于設(shè)備不時發(fā)送小數(shù)據(jù)包的應(yīng)用，范圍從每秒一次到每隔幾天一次。例如，健身追蹤器中的心率監(jiān)測器可以收集所有心率數(shù)據(jù)，并每小時將其發(fā)送到您的智能手機(jī)一次。或者溫度傳感器，如果溫度非常高或非常低，它只會被觸發(fā)以發(fā)送溫度讀數(shù)。

2. LE radio的連接時間更短

由于可用于連接的 RF 通道數(shù)量減少，Bluetooth LE 消耗更少的能量，從而實(shí)現(xiàn)更快的連接和更少的掃描時間。Bluetooth Classic 有 32 個 RF 通道，可用于在設(shè)備之間建立連接，而 Bluetooth LE 只有三個。

此外，想要被發(fā)現(xiàn)的 BLE 設(shè)備會在 RF37、RF38 和 RF39 通道（稱為主要廣告通道）上發(fā)送信號。

當(dāng)一個設(shè)備想要找到其他設(shè)備時，它會在主要廣告通道上偵聽廣告數(shù)據(jù)包。由于只有三個主要廣告頻道，LE radio不必掃描那么多頻道，醒著的時間也更少，因此使用的能量更少。

3. LE 無線電使用更小的數(shù)據(jù)包

Bluetooth LE 數(shù)據(jù)包比 Bluetooth Classic 數(shù)據(jù)包小得多。較小的數(shù)據(jù)包大小在編碼和解碼時需要較少的計算開銷。這降低了功耗。

4. 電池放電是脈沖式的

電池的特性之一是它的放電方式會影響其容量。電池容量是在特定條件下可以從電池中提取的能量。電池的恒定電流放電會縮短其壽命。另一方面，脈沖放電（其中放電之間有空閑時間）有助于使電池盡可能接近其標(biāo)稱容量。這被稱為電池恢復(fù)效應(yīng)。

Bluetooth LE 利用了這種恢復(fù)效應(yīng)。使用 BLE 的數(shù)據(jù)傳輸是在周期性的短突發(fā)中完成的，隨后是空閑周期。在這些閑置期間，電池可以恢復(fù)，這有助于延長電池的使用壽命。

5. 低功耗藍(lán)牙協(xié)議是一種非對稱設(shè)計

BLE 協(xié)議使用非對稱設(shè)計來向想要連接的設(shè)備發(fā)布任務(wù)。資源最受限的設(shè)備做的工作最少。對于要連接的設(shè)備，一個必須扮演中心角色，另一個扮演外圍角色。中央設(shè)備通常具有更強(qiáng)的處理能力和電池電量，如智能手機(jī)。另一方面，外圍設(shè)備通常是處理能力較低且能源資源有限的設(shè)備，如健身追蹤器、心率監(jiān)測器等。

低功耗藍(lán)牙協(xié)議棧

協(xié)議棧（或協(xié)議套件或協(xié)議體系結(jié)構(gòu)）是一組或一組子協(xié)議，它們協(xié)同工作以實(shí)現(xiàn)連接在網(wǎng)絡(luò)中的兩臺或多臺計算機(jī)之間的完整通信。協(xié)議棧中的每個子協(xié)議稱為一個層或級別。Bluetooth LE 協(xié)議棧使用分而治之的方法。這意味著整體通信任務(wù)在層之間進(jìn)行了劃分，每個協(xié)議層負(fù)責(zé)特定的通信功能。

圖 3 顯示了一個示例 LE 協(xié)議棧及其層。

圖 3.低功耗藍(lán)牙堆棧

表 1 總結(jié)了 LE 協(xié)議棧各層的主要功能。

支持 BLE 的設(shè)備可以通過以下兩種方式之一進(jìn)行通信：

無連接通信：它將其數(shù)據(jù)廣播到任何監(jiān)聽設(shè)備

面向連接的通信：它與另一個設(shè)備形成專用連接，并使用客戶端-服務(wù)器機(jī)制與其進(jìn)行通信

圖 4 顯示了這兩種通信方式的概覽。

圖 4. BLE 設(shè)備通信的不同方式

一、無連接通信

想要參與無連接通信的 BLE 設(shè)備被賦予 GAP 層定義的兩個角色。一臺設(shè)備必須是廣播者，另一臺設(shè)備必須是觀察者。

設(shè)備的 GAP 角色控制著設(shè)備的鏈路層，而鏈路層又控制著設(shè)備的 LE 無線電。

步驟1：廣播設(shè)備指示其鏈路層成為廣告商。作為廣告商的鏈路層控制 LE 無線電從待機(jī)或空閑狀態(tài)移動到廣告狀態(tài)，反之亦然。

第2步：當(dāng) LE 無線電處于廣告狀態(tài)時，廣告商（鏈路層）可以在三個專用廣告通道 RF37、RF38 和 RF39 上發(fā)送廣告數(shù)據(jù)包。廣告數(shù)據(jù)包可以包含廣播設(shè)備的名稱和地址等數(shù)據(jù)。

第3步：另一方面，觀察者指示其鏈路層成為掃描器。作為掃描器的鏈路層控制 LE 無線電從待機(jī)狀態(tài)（空閑）移動到掃描狀態(tài)，反之亦然。

第4步：當(dāng) LE 無線電處于掃描狀態(tài)時，掃描器調(diào)諧并收聽主要廣播頻道（RF37、RF38 和 RF39）上的數(shù)據(jù)。

例如，下面的圖 5 是一張圖片，顯示我的手機(jī)作為觀察者接收到兩個廣播信標(biāo)的廣告數(shù)據(jù)包：

圖 5.掃描儀拾取設(shè)備

藍(lán)牙 LE 中無連接通信的常見應(yīng)用包括信標(biāo)和廣播其讀數(shù)的物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 傳感器。

二、面向連接的通信

在面向連接的通信中，您必須清楚兩個主要概念：設(shè)備發(fā)現(xiàn)和連接設(shè)備之間的客戶端-服務(wù)器關(guān)系。

（1）設(shè)備發(fā)現(xiàn)和連接設(shè)置

需要注意的一件事是，NLE 中稱為配置文件的任何東西都可以針對特定用例控制和協(xié)調(diào)堆棧的其他層。在這方面，GAP 管理鏈路層和 PHY 層（LE 無線電）應(yīng)如何為 BLE 設(shè)備發(fā)揮作用以發(fā)現(xiàn)和建立連接。

想要參與面向連接的通信的 LE 設(shè)備被賦予 GAP 層定義的兩個角色。一個設(shè)備必須是中央設(shè)備，另一個設(shè)備必須是外圍設(shè)備。

第1步：外圍設(shè)備的廣告商指示 LE 無線電在廣告信道上廣播廣告數(shù)據(jù)包，并監(jiān)聽來自中央設(shè)備的連接請求數(shù)據(jù)包。

第2步：當(dāng)中央設(shè)備要連接到外圍設(shè)備時，它首先使用其鏈路層作為掃描器。掃描儀將使用 LE 無線電收聽廣告數(shù)據(jù)包。

第3步：當(dāng)中央設(shè)備識別出它希望連接的設(shè)備時，鏈路層將 LE 無線電從廣告狀態(tài)切換到啟動狀態(tài)。

步驟4：在初始狀態(tài)下，LE無線電向外圍設(shè)備發(fā)送連接請求數(shù)據(jù)包。如果外圍設(shè)備接受連接請求，則連接建立。

（3）客戶端-服務(wù)器關(guān)系

連接設(shè)置完成后，通用屬性配置文件執(zhí)行三個主要功能：它使用 ATT 協(xié)議來構(gòu)建將要交換的數(shù)據(jù)。它定義了一個包含服務(wù)和特性的層次結(jié)構(gòu)，以文件文件夾的方式排列數(shù)據(jù)。這種安排數(shù)據(jù)的方式使其易于存儲和訪問。

它還定義了連接設(shè)備交互方式的客戶端-服務(wù)器關(guān)系。GATT 為連接的設(shè)備定義了兩個角色：一個設(shè)備將是客戶端，另一個將是服務(wù)器。

服務(wù)器：充當(dāng)容納數(shù)據(jù)變量的數(shù)據(jù)庫。服務(wù)器使用 ATT 協(xié)議的屬性數(shù)據(jù)類型存儲數(shù)據(jù)。服務(wù)器上的數(shù)據(jù)按照 GATT 的定義分層組織。可以根據(jù)訪問權(quán)限訪問服務(wù)器的數(shù)據(jù)。一些數(shù)據(jù)既可讀又可寫。有些可能只是可讀的。

客戶端：連接到服務(wù)器后，客戶端通常會請求訪問存儲在服務(wù)器上的數(shù)據(jù)（屬性）。客戶端可以根據(jù)訪問權(quán)限讀取和/或?qū)懭敕?wù)器的屬性。

藍(lán)牙 LE 設(shè)備面向連接的應(yīng)用示例：

帶有傳感器的睡眠追蹤器可以檢測我們睡覺時發(fā)生的生理變化。跟蹤器連接到您的智能手機(jī)以共享讀數(shù)。跟蹤器充當(dāng)服務(wù)器。智能手機(jī)作為客戶端，讀取存儲在跟蹤器中的數(shù)據(jù)。

藍(lán)牙 SIG（特別興趣小組）

什么是藍(lán)牙 SIG？Bluetooth SIG 是一個獨(dú)立的非盈利組織，負(fù)責(zé)定義藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)。Bluetooth SIG 不是公司或合作。它不制造或銷售藍(lán)牙產(chǎn)品。

相反，它有四個主要職責(zé)。這些都是：

發(fā)布藍(lán)牙規(guī)范

保護(hù)藍(lán)牙商標(biāo)

在產(chǎn)品進(jìn)入市場之前提供資格認(rèn)證計劃

推廣藍(lán)牙技術(shù)

Bluetooth SIG 于 1998 年成立，當(dāng)時只有五個創(chuàng)始成員。它們是埃里克森、英特爾、IBM、諾基亞和東芝。多年來，Bluetooth SIG 組織已發(fā)展到擁有超過 16,000 家成員公司。

Bluetooth SIG 為希望加入的公司提供兩個會員級別，即采用者會員級別和準(zhǔn)會員級別（表 2）

最后，Bluetooth SIG 擁有 7 家擁有發(fā)起人級別會員資格的成員公司。其中包括所有創(chuàng)始公司，以及蘋果和微軟。

在我們?nèi)找婊ヂ?lián)的世界中，低功耗藍(lán)牙已成為重要的通信超低功耗應(yīng)用。正如我們所見，它需要高效的協(xié)議設(shè)計和公司之間的協(xié)作，才能使藍(lán)牙 LE 或任何通信標(biāo)準(zhǔn)真正產(chǎn)生重大的市場影響。

審核編輯 黃宇