开源可编程手环学习第十步--BLE基础教程

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` 本帖最后由 kevinrliu 于 2015-10-29 13:27 编辑

一、BLE简介

BLE为低功耗蓝牙技术，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。BLE有三大特性，分别为最大化的待机时间、快速连接和低峰值的发送/接收功耗。主要进行小数据包传输，低延迟，低功耗，应用于手机、个人电脑以及可穿戴设备等。不适合蓝牙耳机等高速率设备。

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1.1 单模设备

单模设备是指只支持BasicRate(BR)或者Bluetooth Low Energy(BLE)中的一种，本教程中是指支持BLE的设备。主要特点为低功耗和低速率。不兼容传统蓝牙，可兼容双模设备。

1.2 双模设备

双模设备是指同时支持BR与BLE的设备，双模设备为蓝牙4.0的主题，要有稳定的电源供电，比如手机、电脑等。Android 4.3版本的系统才支持BLE。iPhone4S及以后的苹果手机均支持蓝牙4.0。双模设备兼容BLE以及传统蓝牙。

二、BLE协议栈介绍

2.1 BLE协议栈的结构

（1）协议栈有两部分组成：Controller和Host；

（2） Profiles和Applications是基于GAP和GATT之上的；

（3）在单芯片工作模式中，Profiles、Host、Controller三者都工作在DA14580芯片中。

2.2 协议栈中的分层2.2.1 PHY层

RF （天线）规格特性为：运行在2.4GHz ISM band；GFSK（高斯频移键控）调制；40 频道2MHz 的通道间隙（3个固定的广播通道和37个自适应自动调频数据通道）。

2.2.2 LL层

RF控制层，控制芯片工作在standby（准备）、advertising（广播）、scanning（监听/

扫描），initiating（发起连接）、connected（已连接）这5种状态中的一种。5种状态的切换描述为：advertising（广播）不需要连接就可以发送数据（告诉所有人，我来了），scanning（监听/扫描）来自广播的数据，initiator（发起人）将携带connection request（连接请求）来响应广播者，如果advertiser（广播者）同意该请求，那么广播者和发起者都会进入已连接状态，发起连接的设备变为master（主机），接收连接请求的设备变为slave（从机）。

2.2.3 L2CAP层

将数据打包，可以让设备点对点的通信。

2.2.4 SMP层

安全管理服务层，提供配对和密匙的分发，实现安全连接和数据交换。

2.2.5 ATT层

允许设备向另外一个设备展示一块特定的数据，称之为“属性”，在ATT环境中，展示“属性”的设备称为服务器，与之配对的设备称为客户端。链路层状态（主机和从机）与设备的ATT 角色是相互独立的，也就是说，主机设备可以是ATT 服务器，也可以是ATT 客户端。从机也一样。

2.2.6 GATT层

从名字就能看出，GATT是在ATT 上面的一层结构，定义了使用ATT 的服务框架，GATT 规定了配置文件（profile）的结构。在BLE中，所有被profile或者服务用到的数据块都称为“特性”（characteristic）。两个建立连接的设备之间的所有数据通信都是通过GATT子程序处理，应用程序和profile直接使用GATT层。

2.2.7 GAP层

General AccessProfile为基本访问配置，这个配置是其它配置的基础。它定义了在 Bluetooth设备间建立基带链路的通用方法

2.3 设备状态

BLE设备有6种状态：

待机状态（Standby）：设备没有传输和发送数据，并且没有连接到任何设备。

广播状态（Advertiser）：周期性广播状态。

扫描状态（Scanner）：主动寻找正在广播的设备。

发起连接状态（Initiator）：主动向某个设备发起连接。

主设备（Master）：作为主设备连接到其他设备。

从设备（Slave）：作为从设备连接到其他设备。

三、BLE相关参数

3.1 服务与特征值

为了实现用户的应用，Profile通常有一个或者多个服务（Service）组成，每个服务对应特定的功能，比如体温服务、心率服务等。一个服务包含一个或多个特征值（characteristic value），比如心率服务中就会有一个心率特征值。每个特征值必须占用一个特征申明结构，其中包括它的其它特性，它是服务端和客户端共享的读写空间，设备之间的数据信息交换就是通过特征值。

UUID是代表服务与特征值的通用唯一标识。有128位与32位两种形式。有一些服务已经配分配为固定的UUID，所以用户自定义的服务与特征值不能使用这些UUID。

3.2 特征值的权限

Permissions（权限）定义了特征值的访问权限，比如规定某个特征值只能被读，或者可读可写等。

3.3 通信方式

已连接设备之间的通信方式：

Read：使用指定的handle读特征值；

Write：使用指定的handle写特征值；

Indication：某个特征值发送到客户端，需要确认；

Notification：某个特征值发送到客户端，不需要确认，设备向手机APP发送数据的方法。

3.4 广播

广播包的发送是单向的，不需要任何连接。设备发送广播包进入广播状态。

广播包可以包含特定的数据定义，最大31个字节。