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蓝牙BLE

news 来源：原创 2025/6/2 18:48:24

1、简介

蓝牙BR/EDR和BLE是蓝牙技术的两个重要分支，它们各自具有独特的特点和应用场景。

1.1、蓝牙BR/EDR

蓝牙BR（Basic Rate）
定义：蓝牙技术的首个开发版本，采用高斯频移键控（GFSK）调制技术，在2.4 GHz ISM频段传输数据。
特点：低成本、低功耗，但数据传输速度较慢（最高0.7 Mbps）。
蓝牙EDR（Enhanced Data Rate）
定义：蓝牙BR的增强版，引入QDPSK和8DPSK调制技术以提高数据传输速率。
特点：数据传输速度比蓝牙BR快2-3倍（最高2-3 Mbps）。

1.2、双模设备

双模设备：同时支持BR/EDR和BLE

1.3、蓝牙BLE（Bluetooth Low Energy）

蓝牙BLE（Bluetooth Low Energy）是蓝牙4.0规范中引入的一种低功耗无线通信模式，旨在通过优化措施降低功耗，延长设备电池寿命。

1.3.1、特点

低功耗：通过减少广播频段、缩短射频开启时间、引入深度睡眠模式等策略，BLE设备在传输数据时能耗极低。
长续航：低功耗特性使得BLE设备能够使用小型纽扣电池运行数月甚至数年。
适用于近距离通信：传输距离相对较短，但足以满足大多数近距离通信需求。
快速连接与断开：支持快速建立连接和断开连接的机制，适用于即时通信场景。
简化的协议栈：降低了开发成本和复杂性，提高了设备的兼容性和互操作性。
广泛的应用场景：在物联网、健康监测、智能家居、运动跟踪等领域得到广泛应用。

1.3.2、广播与扫描

BLE支持广播和扫描机制，这是其通信的基础。设备可以通过广播发送数据，其他设备则通过扫描来发现附近的BLE设备，并可能进一步建立连接。这种机制使得BLE设备能够在没有建立连接的情况下进行通信和数据交换，特别适用于那些对功耗要求较高且数据量不大的应用场景。

广播包：BLE广播包主要用于无连接的数据传输。广播包只能在特定的广播信道（37、38、39信道）上传输，其Access Address固定为0x8E89BED6。广播包发送给附近所有的扫描者，用于宣告设备的存在、服务信息或特征值等。
扫描响应包：在广播过程中，BLE设备还可以发送扫描响应包，以提供额外的信息，如设备名称、服务UUID等。扫描响应包是在扫描请求之后发送的，其长度同样有限制，但可以与广播包一起提供更丰富的数据。

1.3.3、多种广播模式

BLE广播支持多种模式，以满足不同场景下的通信需求。

可连接模式（Connectable）：允许其他设备通过建立连接与广播设备进行通信。最常见的广播类型是“可连接的非定向广播”（ADV_IND），它可以被任何设备扫描并连接。
非可连接模式（Non-connectable）：只用于广播信息，不接受连接请求。例如，“不可连接的非定向广播”（ADV_NONCONN_IND）就不能被扫描设备连接，但可以用于发送广播数据。
可被扫描模式（Scannable）：允许其他设备扫描到广播设备，但不能直接建立连接。如“可扫描非定向广播”（ADV_SCAN_IND）可以被任何设备扫描，但不能被连接。

1.3.4、数据包格式

BLE的数据包格式确保了数据传输的完整性和可靠性，其基本结构包括前导序列、访问地址、PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元）报头、PDU长度、PDU数据和CRC（Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验）校验码。

前导序列（Preamble）：用于同步接收设备，通常为1字节的固定值。
访问地址（Access Address）：用于标识数据包，对于广播包，其Access Address固定为0x8E89BED6；对于连接后的数据包，则是一个由Initiator生成的32位随机值。
PDU：包含了实际传输的数据，其结构和长度取决于数据包的类型和用途。
CRC校验码：用于检测数据传输过程中的错误。

1.3.5、调制与频段

BLE使用与传统蓝牙相同的2.4 GHz ISM（Industrial, Scientific and Medical，工业、科学和医疗）频段，但采用了不同的调制方式（如高斯频移键控GFSK）来实现低功耗和长距离通信。BLE的物理层传输速率可达1Mbps，但在实际应用中，由于连接参数（如连接间隔和连接延迟）的限制，实际传输速率会低于这个值。BLE通过跳频技术（Adaptive Frequency Hopping，自适应频率跳变）来减少干扰并提高通信的可靠性。

即BLE和经典蓝牙使用了相同的频段(2.4Ghz)，但是调制方式不同。

蓝牙BR：GFSK调制，简单稳定，但速率慢。
蓝牙EDR：QDPSK和8DPSK调制，显著提高速率。
BLE: 高斯频移键控GFSK

1.4、核心优势

低功耗：通过一系列优化措施实现低功耗特性，延长设备电池寿命。
快速连接与断开：提供快速建立连接和断开连接的机制，适用于即时通信场景。
短距离通信：传输距离相对较短，但足以满足大多数近距离通信需求，有助于减少信号干扰和保证数据传输的安全性。
简化的协议栈：降低了开发成本和复杂性，提高了设备的兼容性和互操作性。
广泛的兼容性：几乎所有的现代智能设备都支持BLE连接，使得BLE设备能够轻松地与各种智能设备、智能手机、平板电脑以及物联网平台进行连接和通信。

1.5、LE2M（Long Range 2M）：

LE2M是BLE技术的一个扩展版本，它提供了比标准BLE更远的通信距离和更高的数据传输速率。通过优化传输功率和接收灵敏度，LE2M使得BLE设备能够在更远的距离内进行稳定通信，适用于需要较远距离通信但仍然要求低功耗的应用场景。

1.6、 BLE 5.0特点

传输速度与距离提升：BLE 5.0传输速度比前代提高了2倍，达到2Mbps，同时传输距离也提高了4倍，最远可达300米。
网状网络功能：支持mesh组网
位置服务增强：BLE 5.1版本增强了位置服务功能，包括方向查找（Direction Finding）技术，可以精确地确定蓝牙设备的方向和距离。这对于室内定位、导航和物品追踪等应用非常有用。
安全性提升：BLE 5.2及更高版本进一步优化了数据传输的安全性和稳定性。它们增加了数据加密功能、双向认证等机制，确保数据传输过程中的安全性和隐私保护。
其他功能优化：BLE 5.3等后续版本还引入了广播扩展、多信道传输等新技术，提高了设备被发现的概率和数据传输的效率和稳定性。同时，这些版本还进一步降低了功耗，使得设备的续航时间更长。

2、BLE协议栈

参考链接：蓝牙BLE(协议栈、OSAL、蓝牙APP工具)

3、蓝牙技术点

3.1、接收信号强度（RSSI）与发射功率

蓝牙RSSI表示接收信号强度，发射功率指蓝牙设备发送信号的力量。两者共同决定蓝牙通信的距离和质量，是蓝牙通信的关键参数。

3.1.1、蓝牙接收信号强度（RSSI）

RSSI（Received Signal Strength Indication）即接收信号强度指示，是蓝牙设备在接收信号时表示信号强度的测量值。它通常以dBm（分贝毫瓦） 为单位进行表示，是一个负数值，表示接收到的信号功率相对于1毫瓦的参考功率的比值。

为什么无线信号（RSSI）是负值？

因为无线信号多为mW级别，所以对它进行了极化，转化为dBm而已，不表示信号是负的。1mW就是0dBm，小于1mW就是负数的dBm数。

负数值的话，数值越大，强度越小。例如：-60db 说明比-70db 信号强度高。

3.1.2、蓝牙发射功率

蓝牙发射功率是指蓝牙设备在工作状态下向周围发送蓝牙信号的功率大小。发射功率的大小直接影响蓝牙设备的通信距离和功耗。

通常情况下，蓝牙发射功率的范围在-40dBm（0.0001mW）到+20dBm（100mW） 之间。