【nRF52832】【Ble 1】【低功耗蓝牙简介】
一、低功耗蓝牙介绍
1. 1 什么是 ble?
BLE 是蓝牙低功耗的简称（Bluetooh Low Energy）。蓝牙低功耗(BLE)技术是低成本、短距离、可互操作的鲁棒性无线技术，工作在免许可的 2.4GHz ISM 射频频段。它从一开始就设计为超低功耗(ULP)无线技术。它利用许多智能手段最大限度地降低功耗。
- 低成本，低功耗。
- 快速启动，瞬间连接。最快 3ms 低延迟。
- 传输距离的提高。
- 高安全性。使用 AES-128 加密算法进行数据报加密认证。
1.2 有那些应用场景？
蓝牙低功耗在短距离无线通信领域占据着越来越重要的地位，在很多应用场合均可见到蓝牙低功耗的身影：
- 医疗和健康设备，如血糖仪、数字血压计、血气计、心率监视器、数字体温计等。
- 运动休闲，如心率监测仪、体温计、计步器、节拍器、测高仪等。
- 鼠标、键盘、遥控器。
- Beacons。
- 智能家居，如灯光控制、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。
1.3 蓝牙各个版本介绍？
| 版本 | 发布年份 | 协议核心功能 | 传输速率 | 功耗特性 | BLE 支持 | 安全性特性 | 主要新增特性 | 应用场景/意义 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1.0 / 1.1 | 1999 / 2001 | 基本点对点连接，基于BR（Basic Rate） | 721 kbps | 高功耗 | ❌ | PIN码配对 | 第一个商用蓝牙协议，支持SCO语音 | 早期无线耳机、串口传输 |
| 1.2 | 2003 | 快速连接、干扰避免（AFH） | 721 kbps | 高功耗 | ❌ | 改进配对稳定性 | 自适应跳频（AFH）、更快设备发现 | 无线音频稳定性提升 |
| 2.0 + EDR | 2004 | 增强数据速率（EDR）支持 | 3 Mbps | 中功耗 | ❌ | 与1.x兼容 | EDR：更快数据传输，降低能耗/比特 | 蓝牙音响、传图设备等 |
| 2.1 + EDR | 2007 | 简化配对流程（SSP） | 3 Mbps | 中功耗 | ❌ | Secure Simple Pairing (SSP) | 改善配对体验、安全性提升 | HFP设备、大量商业设备使用 |
| 3.0 + HS | 2009 | 引入HS（High Speed） | 24 Mbps（使用Wi-Fi） | 高功耗 | ❌ | 使用OOB通道提升安全 | AMP架构，可通过802.11传数据 | 仅少量产品实现，实际使用不多 |
| 4.0 | 2010 | 引入 BLE（低功耗蓝牙） 模式 | BR/EDR: 3 MbpsBLE: 1 Mbps | BLE：极低功耗 | ✅ 初次引入 | AES-128，配对简化 | BLE（GATT、广播、连接） | 可穿戴、IoT设备革命性突破 |
| 4.1 | 2013 | BLE连接稳定性增强 | 同4.0 | BLE优化 | ✅ | 改进BLE配对 | 支持多个连接，支持IP集成 | 支持BLE设备连接多个设备 |
| 4.2 | 2014 | BLE支持IPv6/6LoWPAN | 同4.0 | BLE优化 | ✅ | LE Secure Connections（ECDH） | 更安全的BLE连接、支持隐私广播 | 智能家居、安全关键设备 |
| 5.0 | 2016 | BLE性能大幅升级 | BLE：2 Mbps远距离（125 kbps） | BLE优化 | ✅ | 改进配对流程 | 2x速率、4x距离、8x广播容量 | IoT扩展，覆盖更远，速度更快 |
| 5.1 | 2019 | 引入方向感知（AoA/AoD） | 同5.0 | BLE优化 | ✅ | 改进隐私控制 | 室内定位支持（厘米级） | 资产追踪、室内导航 |
| 5.2 | 2020 | 引入 LE Audio & Isochronous Channels | 同5.0 | BLE优化 | ✅ | LE Secure Connections | 支持LE音频、广播音频 | 下一代助听器、共享音频 |
| 5.3 | 2021 | BLE连接优化，广播增强 | 同5.0 | BLE优化 | ✅ | 细粒度控制 | 广播时间控制、低功耗切换 | 电池续航优化、增强广播体验 |
| 5.4 | 2023 | 支持 PAwR、Encrypted Advertising | 同5.0 | BLE优化 | ✅ | 广播内容加密 | 大规模BLE组播、低功耗通信 | 电子价签、智能工厂、BLE星状组网 |
1.4 ble 都有那些特性？
| 特性 | 初始引入版本 | 说明 | 应用场景 |
|---|---|---|---|
| BLE（低功耗蓝牙） | Bluetooth 4.0 | 专为低功耗、小数据量传输设计 | 健康设备、传感器、手环、电子价签 |
| GATT协议栈 | 4.0 | 定义Profile/Service/Characteristic的数据模型 | 可自定义服务结构 |
| 广播模式（Advertising） | 4.0 | 可不配对进行数据广播 | iBeacon、扫码对接、附近设备识别 |
| 多角色支持 | 4.1 | 可同时作为中央和外设 | 手表连接手机+耳机 |
| LE Secure Connection | 4.2 | 使用ECDH增强配对安全性 | 防止MITM攻击 |
| LE Audio / Isochronous Channel | 5.2 | 支持低功耗音频同步 | 共享耳机、助听器 |
| Periodic Advertising / PAwR | 5.4 | 周期性广播+响应 | 电子价签、资产广播组网 |
1.5 低功耗蓝牙产品选型和协议版本关系
| 开发方向 | 推荐最低版本 | 理由 |
|---|---|---|
| 通用BLE传感器 | 4.0 | 基础BLE已足够 |
| BLE多连接产品（如手表） | 4.1或4.2 | 提升连接质量与安全性 |
| 安全关键型设备 | 4.2+ | 使用LE Secure Connections |
| 室内定位/方向检测 | 5.1 | 支持AoA/AoD方向感知 |
| BLE音频/共享音频 | 5.2+ | 支持LE Audio等特性 |
| 大规模BLE广播（如电子价签） | 5.4 | 支持PAwR和广播加密 |
1.6 蓝牙单模（Single-mode）与双模（Dual-mode）
| 项目 | 单模蓝牙（Single-mode） | 双模蓝牙（Dual-mode） |
|---|---|---|
| 支持协议 | 仅支持 BLE（Bluetooth Low Energy） | 同时支持 BLE 和 BR/EDR（经典蓝牙） |
| 协议栈组成 | 只包含 BLE 协议栈（GAP/GATT/L2CAP/ATT 等） | 包含 BLE 协议栈 和 经典蓝牙协议栈（RFCOMM、SDP、AVDTP、HFP 等） |
| 硬件结构 | 专为低功耗设计，SoC 资源需求小 | 集成双套无线和协议逻辑，资源占用更大 |
| 典型应用 | 智能手环、BLE灯控、温湿度传感器、电子价签 | 手机、车载系统、蓝牙音响、TWS耳机 |
| 功耗表现 | 极低功耗（μA级待机，mA级通信） | BR/EDR模块功耗较高，BLE部分仍然低功耗 |
| 数据速率 | BLE 4.x: 1 MbpsBLE 5.x: 2 Mbps | BR: 1 MbpsEDR: 2–3 MbpsBLE 同单模 |
| 音频支持 | 仅支持 **LE Audio（需 BLE 5.2+）**之前版本不支持音频传输 | 支持 经典音频（SCO） 和 A2DP 高音质音频 |
| 芯片成本 | 成本低，适合大规模 IoT 设备 | 成本较高，用于高功能需求场景 |
| 兼容性 | 只能与支持 BLE 的设备通信 | 可与支持 BLE 和 BR/EDR 的设备通信 |
| 示例芯片 | Nordic nRF52832 / 51822Dialog DA14531TI CC2640 | Qualcomm WCN3991 / CSR8811TI CC2564Broadcom BCM4345 |
| 产品举例 | 小米体重秤、智能门锁、BLE beacon、电子标签 | 手机、车机、耳机、蓝牙遥控器 |
| 开发难度 | 协议简单，资源需求少，低门槛 | 协议复杂，需处理多协议协同 |
选型建议：
| 设备类型 | 推荐类型 | 理由 |
|---|---|---|
| IoT传感器、Beacon、低功耗产品 | 单模 BLE | 更省电、更便宜、协议简单 |
| 手机、车载中控、智能电视 | 双模蓝牙 | 要支持蓝牙耳机、文件传输等功能 |
| 仅使用 BLE 且需音频功能（如助听器） | 单模 BLE（需 BLE 5.2+） | 使用 LE Audio，仍可低功耗 |
| 音频产品（TWS、车载） | 双模蓝牙 | 需支持 A2DP/AVRCP，兼容所有手机 |
二、低功耗蓝牙体系结构
2.1 物理层（PHY – Physical Layer）
| 内容 | 描述 |
|---|---|
| 功能 | 负责 无线信号的发送与接收，决定调制方式、信道等 |
| 频段 | 2.4 GHz ISM 频段，40个信道（0~39） 3个为广播（37/38/39），其余为数据通道 |
| 调制方式 | GFSK（Gaussian Frequency Shift Keying） |
| PHY类型（BLE 5+） |
|
| 作用意义 | 决定 BLE 的传输速率、距离与功耗，BLE 5 扩展了距离和速率的灵活性 |
-
工作在 2.4GHz ISM 频段。频率范围：2.400-2.4835 GHz
-
ISM 频段：(Industrial Scientific Medical Band)主要是开放给工业、科学和医用 3 个主要机构使用的频段。ISM 频段属于无许可（Free License）频段。2.4G ISM 频段是唯一一个在所有国家都无需授权的频段，只需要遵守一定的发射功率即可。我们熟知的无线局域网、蓝牙、ZigBee 等无线网络，均可工作在 2.4GHz ISM 频段上。
-
2.4G 被划分为 40 个 RF 信道(f=2402+k * 2 MHz, k=0, … ,39)，信道间隔 2MHz，其中：
- 广播信道：3 个，固定。
- 数据信道：37 个，自适应跳频。
-
无线速率：1Mbps、2Mbps。
2️.2 链路层（LL – Link Layer）
| 内容 | 描述 |
|---|---|
| 功能 | BLE 核心逻辑控制层，管理 广播、扫描、连接建立与维护 |
| 主要任务 |
|
| 角色定义 |
|
| BLE通信单位 | 以 Connection Event 为时间片发送/接收数据 |
| 加密 | 配合 SMP，实现 AES-CCM 加密通信 |
| 特殊特性 |
|
2.2.1 链路层状态机
链路层设备有 5 种状态：
- 就绪态：上电后，链路层进入并保持就绪态，直到接收到主机的命令。状态机的中心状态，处于其它状 态下都可以进入到此状态。
- 广播态：发送广播报文和扫描响应。
- 扫描态：侦听广播设备。
- 发起态：发起连接。
- 连接态：唯一一个用到数据信道的状态，两个设备只有在连接态中才能互相传送数据。
链路层可能同时存在多个链路，同时拥有多个独立的状态机，但是链路层永远不能同时成为主从机。
链路层状态机有助于我们清晰相关概念，如设备上电后，他不可能直接进入到连接态，必须由广播态或发起态才能进入到连接态。
需要特别注意的是：这里说的是链路层的状态机，而不是整个系统的。
2.2.2 链路层信道映射
广播信道：
- 37 、38、39，对应的中心频率是 2402MHz，2426MHz，2480MHz。
- 广播信道之间至少相差 24MHz。
- 每次广播，都会在 3 个信道上将广播数据发送一次，这能有效地避免干扰，即使一个信道存在干扰，另外的信道也可以很好地工作，而三个信道同时被干扰的情况极少。
为什么广播信道是 3 个，而不是更多？
- 广播信道越多，各个信道同时受到干扰的几率越小，抗干扰性越强。
- 但是广播信道越多，发射数据占用的时间就越长，功耗也就越高。
- 所以，在综合考虑抗干扰性和功耗的情况下，SIG 将广播设定为 3 个。
2.3 HCI 层（Host Controller Interface）
| 内容 | 描述 |
|---|---|
| 功能 | BLE 控制器与主机之间的标准化通信接口 |
| 数据类型 |
|
| 传输方式 | UART（H4协议）、USB、SPI、SDIO |
| 作用意义 | 使上层协议栈（GAP/GATT/L2CAP）能与独立蓝牙芯片通信，常用于分离式架构（Host/Controller 分离） |
2.4️ L2CAP 层（Logical Link Control and Adaptation Protocol）
| 内容 | 描述 |
|---|---|
| 功能 | BLE 协议栈的 数据适配层，多通道多服务管理 |
| 关键能力 |
|
| BLE 特化版本 | 简化版 L2CAP，不支持流控制和重传（BR/EDR 支持） |
| CID常见值 |
|
| 新特性支持 | BLE 5.0+ 支持 Credit-Based Flow Control Mode（用于多个逻辑信道） |
2.5️ ATT 层（Attribute Protocol）
| 内容 | 描述 |
|---|---|
| 功能 | BLE 设备间通过“属性”进行通信，定义服务与特征的数据格式与访问机制 |
| 结构 | 每个“属性”包含 <句柄，类型(UUID)，权限，值> |
| 传输模型 | Client（读写）↔ Server（持有数据） |
| 操作类型 | Read、Write、Notify、Indicate、Read By Group Type、Find Information 等 |
| 数据通道 | 通过 L2CAP CID 0x0004 |
| 限制 | 不支持并发事务，每次只能处理一个 ATT 请求 |
- 属性协议(ATT)规定了怎样去访问对端设备的数据，数据存储在属性服务器的“属性”里，供属性客户端进行读写操作。
2.6️ SMP 层（Security Manager Protocol）
| 内容 | 描述 |
|---|---|
| 功能 | 管理 BLE 安全配对过程与加密流程 |
| 配对模型（4.2之前） | Just Works、Passkey Entry、OOB（Out of Band） |
| BLE 4.2+ | 引入 LE Secure Connection（基于 ECDH 公钥交换） |
| 功能模块 |
|
| 配合层级 | 与 Link Layer 配合，提供加密后通信通道 |
- 安全管理层 SM(Security Manager)提供配对和密钥的分发。
2.7️ GATT 层（Generic Attribute Profile）
| 内容 | 描述 |
|---|---|
| 功能 | 在 ATT 基础上定义**服务（Service）和特征（Characteristic）**结构 |
| Client / Server 架构 | GATT Client 发起请求，GATT Server 提供服务结构 |
| 主要操作 |
|
| 服务定义方式 | 使用 UUID + Handle + 属性组合 |
| Profile例子 | Battery Service, Heart Rate Service, Device Information Service |
| 扩展机制 | 可自定义 Service 与 Characteristic，支持多服务组合 |
通用属性配置文件(GATT)建立在属性协议的基础上，GATT 通过使用 ATT 协议层定义了如何发现与使用服务、特征和描述符的标准方法。
- 客户端与服务器架构：GATT 定义了两个角色：服务器和客户端。
- 服务器：客户端提供数据服务，就是数据中心。
- 客户端：从服务器读写应用数据，就是访问数据者。
特别注意：下面三个概念是完全独立的，他们针对是不同的层。如主机既可以是 GATT客户端，也可以是 GATT 服务器。而从机也一样，既可以是 GATT 客户端，也可以是GATT 服务器。
- 服务器：为客户端提供数据服务，就是数据中心。
- 客户端：从服务器读写应用数据，就是访问数据者。
- 主机、从机：针对链接层。
- 外围设备、中央设备：GAP 定义的角色。
2.8️ GAP 层（Generic Access Profile）
| 内容 | 描述 |
|---|---|
| 功能 | 管理 BLE 设备的“连接行为”和“广播行为” |
| 角色定义 |
|
| 设备发现机制 | 通过广播包（Advertising Packet）与扫描响应（Scan Response）实现 |
| 连接过程 | GAP 决定如何连接、连接参数配置（如连接间隔、超时等） |
| 广播内容 | 包含设备名、UUID、服务数据、厂商数据等 |
| 重要API（开发者常用） | advertise(), scan(), connect(), disconnect() |
GAP 层负责处理设备的接入方式和过程，包括设备发现，链路建立，链路终止以及实现绑定。
2.9️ 应用层（Application）
| 内容 | 描述 |
|---|---|
| 功能 | 调用 GAP/GATT 接口，实现具体业务逻辑 |
| 接口封装 | 通过 SDK（如 Nordic SDK、Android BLE API、Zephyr）提供简化的应用接口 |
| 开发方式 |
|
| 示例应用 |
|
- 应用层定义了三种种类型：特征（characteristic）、服务（service）和配置文件（profile）