嵌入式硬件篇---蓝牙模块

---

---

前言

本文简单介绍了蓝牙技术

---

一、核心技术原理

蓝牙模块基于 **2.4GHz ISM频段（2402-2480MHz）**工作，采用 FHSS跳频技术（1600次/秒）和 GFSK调制 实现抗干扰通信，主要包含三大核心阶段：

蓝牙工作流程

设备发现阶段

1. 通过广播信道（37/38/39）发送 ADV_IND 数据包
2. 包含设备MAC地址、名称、服务UUID等信息
3. 扫描设备使用 SCAN_REQ 请求详细数据

配对连接阶段

1. 采用 ECDH椭圆曲线加密 生成临时密钥
2. 经典蓝牙使用PIN码配对（如0000）
3. BLE采用 LE Secure Connections 安全协议

数据传输阶段

1. 经典蓝牙：通过 ACL链路 传输大数据（音频/文件）
2. BLE：基于 ATT协议 的 GATT数据框架
3. 典型数据包结构：

| Preamble | Access Address | PDU | CRC |
|----------|----------------|-----|-----|
| 1字节 | 4字节 | 2-257B | 3B |

二、协议栈架构（以BLE为例）

±----------------------+
| Application Layer |
±----------------------+
| GATT | GAP | SMP |
±----------------------+
| ATT | L2CAP |
±----------------------+
| HCI |
±----------------------+
| Link Layer |
±----------------------+
| Physical Layer |
±----------------------+

1.物理层

物理层：负责射频信号调制解调

2.链路层

链路层：管理连接状态（Advertising/Connected）

3.HCI层

HCI层：硬件与协议栈的通信接口

4.GATT

GATT：定义服务/特征值的数据结构

三、典型应用场景扩展

1. 室内定位系统（蓝牙5.1+）

使用 AoA/AoD 到达角检测技术
精度可达10cm级别
应用案例：博物馆展品定位导览

2. 运动健康监测

智能跳绳：BLE实时传输计数数据
运动手环：步频/卡路里消耗同步

示例数据结构：
struct SportData {
  uint16_t heart_rate;  // 心率值
  uint32_t step_count;  // 步数
  uint8_t calories;     // 千卡数
};

3. 工业控制

1. 无线PLC控制器
2. 设备状态监控（温度/振动数据）
3. 采用 Bluetooth Mesh 实现车间组网

四、ESP32开发示例（BLE+经典蓝牙）

1.环境配置

#PlatformIO配置
[env:esp32dev]
platform = espressif32
board = esp32dev
framework = arduino
lib_deps = 
    esp32-ble-arduino

2.BLE服务端代码

#include <BLEDevice.h>
#include <BLEUtils.h>
#include <BLEServer.h>

#define SERVICE_UUID "4fafc201-1fb5-459e-8fcc-c5c9c331914b"
#define CHAR_UUID    "beb5483e-36e1-4688-b7f5-ea07361b26a8"

BLECharacteristic *pCharacteristic;

void setup() {
  BLEDevice::init("MyBLE");
  BLEServer *pServer = BLEDevice::createServer();
  
  BLEService *pService = pServer->createService(SERVICE_UUID);
  pCharacteristic = pService->createCharacteristic(
                      CHAR_UUID,
                      BLECharacteristic::PROPERTY_READ |
                      BLECharacteristic::PROPERTY_NOTIFY
                    );
  
  pCharacteristic->setValue("Hello World");
  pService->start();
  
  BLEAdvertising *pAdvertising = BLEDevice::getAdvertising();
  pAdvertising->addServiceUUID(SERVICE_UUID);
  pAdvertising->start();
}

void loop() {
  // 每2秒发送传感器数据
  int sensorValue = analogRead(A0);
  uint8_t data[2] = {sensorValue >> 8, sensorValue & 0xFF};
  pCharacteristic->setValue(data, 2);
  pCharacteristic->notify();
  delay(2000);
}

3.经典蓝牙串口通信

#include "BluetoothSerial.h"

BluetoothSerial SerialBT;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  SerialBT.begin("ESP32_Classic"); 
}

void loop() {
  if (SerialBT.available()) {
    String command = SerialBT.readStringUntil('\n');
    if(command == "GET_TEMP"){
      float temp = readTemperature();
      SerialBT.println(temp);
    }
  }
}

float readTemperature(){
  // 模拟温度传感器读取
  return random(200, 300)/10.0; 
}

五、关键技术参数对比

参数 经典蓝牙 BLE
峰值电流 30mA 15μA（广播模式）
最大数据速率 3Mbps（EDR） 2Mbps（BLE5.0）
连接建立时间 100-300ms <3ms
典型应用 音频传输 传感器网络

六、开发调试技巧

空中抓包分析

1. 使用Nordic的nRF Sniffer工具

Wireshark解码蓝牙协议：
nrf_sniffer_ble -c 37 -d COM5 | wireshark -k -i -

2. 功耗优化实践

调整连接间隔（Connection Interval）

// ESP32设置连接参数
BLEServer *pServer = BLEDevice::createServer();
pServer->updateConnParams(deviceAddress, 60, 120, 0, 400);

3. 抗干扰设计

采用自适应跳频（AFH）
在代码中添加信道质量监测：

esp_ble_gap_read_rssi(remote_bda);

七、最新技术演进（蓝牙5.4）

1.PAwR广播（Periodic Advertising with Responses）

1. 支持双向通信的广播模式
2. 适用于电子价签等应用

2.加密广播数据

1. 增强ADV_DATA的加密强度
2. 使用AES-CCM链式加密

3.LE Audio

1. 支持LC3音频编码\
2. 实现多设备音频同步传输

通过深入理解蓝牙协议栈各层工作原理，开发者可以更好地优化连接稳定性、降低功耗并实现复杂应用场景需求。实际开发中建议结合具体芯片的SDK（如Nordic nRF5 SDK、TI CC2640 SDK）进行深度定制开发。

---