蓝牙技术简述

一、蓝牙技术概述

1、发展历程

• 蓝牙1.x：基础数据传输（语音、文件），但功耗高、速率低（~1 Mbps）。
• 蓝牙2.x+EDR：增强数据速率（~3 Mbps），支持A2DP（音乐传输）。
• 蓝牙4.x（BLE）：低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy），专为物联网设计，牺牲速率（~1 Mbps）换续航。
• 蓝牙5.x：提升传输距离（300米）、速率（2 Mbps）、广播容量（扩展广播），支持Mesh组网。

2、核心特性

• 频段：2.4 GHz ISM频段（2402-2480 MHz），分79个信道（传统蓝牙）或40个信道（BLE）。
• 调制方式：GFSK（高斯频移键控），BLE 5.0新增可选PHY（如LE 2M PHY）。
• 拓扑结构：点对点、星型、广播（一对多）、Mesh（多对多）。

二、蓝牙协议栈分层

蓝牙协议栈分为控制器层（Controller）和主机层 （Host），通过HCI（主机控制接口）通信：

┌───────────────────────┐  
│      应用层            │  // 用户应用（如心率监测、文件传输）  
├───────────────────────┤  
│     GATT/ATT          │  // BLE数据交互协议  
├───────────────────────┤  
│       L2CAP           │  // 数据分包/重组、协议复用  
├───────────────────────┤  
│       HCI             │  // 主机与控制器通信接口  
├───────────────────────┤  
│   Link Layer (控制器)  │  // 射频控制、连接管理  
└───────────────────────┘  

三、蓝牙工作模式

1、传统蓝牙（BR/EDR）

• 适用场景：持续大数据传输（音频、文件）。
• 连接流程：

发现设备 → 配对 → 建立ACL连接 → 创建SCO/eSCO链路（语音）  

• 典型协议：
  • A2DP：音频传输
  • HFP：免提通话
  • AVRCP：媒体控制

2、低功耗蓝牙（BLE）

• 适用场景：间歇性小数据（传感器、遥控器）。
• 连接流程：

广播 → 扫描 → 发起连接 → 数据交互（GATT）  

• 省电机制‌：
  • 连接间隔（Connection Interval）：1.25ms~4s，协商决定数据传输频率。
  • 从设备延迟（Slave Latency）：允许从设备跳过指定次数连接事件，降低唤醒频率。

3、双模蓝牙（BR/EDR + BLE）

同时支持传统蓝牙和BLE（如智能手机）。

四、BLE核心技术

1、 广播与扫描

• 广播类型：

  • 可连接广播（ADV_IND）：允许主设备发起连接。
  • 定向广播（ADV_DIRECT_IND）：快速连接已知设备。
  • 非可连接广播（ADV_NONCONN_IND）：仅传输数据（如Beacon）。

• 扫描类型：

  • 主动扫描：请求扫描响应包。
  • 被动扫描：仅接收广播包。

2、GATT数据交互

• 读写操作 ：客户端主动请求数据（READ/WRITE）。
• 通知与指示：服务端主动推送数据（NOTIFY无需确认，INDICATE需客户端确认）。

3、安全机制

• 配对模式
  • Just Works：无认证（简单设备如手环）。
  • Passkey Entry：输入6位数字配对码。
  • Out of Band (OOB）：通过NFC等方式交换密钥。
• 加密级别：
  • LE Secure Connections：基于椭圆曲线加密（ECC），防中间人攻击。