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BLE协议栈的解析

news 来源：原创 2025/5/7 8:15:47

目录

概述

1 BLE协议栈层次结构

1.1  控制器（Controller）

1.2 主机（Host）

1.3 应用层(Application)

1.3.1 业务层功能

1.3.2 实现方法

2 重要属性介绍

2.1 GATT属性

 2.2  服务（Service）

2.3 特征值（Characteristic）

2.4 描述符（Descriptor）

 2.5 数据交互方式

3 蓝牙设备角色

3.1 BLE 广播者（Broadcaster）

 3.2 BLE 观察者（Observer）

 3.3 BLE 中心设备（Central）

3.4  BLE 外设（Peripheral）

4 应用总结

4.1 组件功能列表

4.2 使用要点

概述

蓝牙低功耗(BLE)协议栈是实现蓝牙无线通信功能的分层架构，本文将从核心组成、各层功能到实际应用进行全面介绍。包括协议的层次结构，主要属性，以及设备角色等内容。

1 BLE协议栈层次结构

BLE协议栈主要分为三个部分：控制器(Controller),主机（Host）,应用层（Application）

1.1  控制器（Controller）

控制之包括3个部分：

物理层PHY：

  • 工作在2.4GHz ISM频段(2402-2480MHz)

  • 采用40个信道，信道间隔2MHz

  • 使用高斯频移键控(GFSK)调制

  • 传输速率: 1Mbps(蓝牙5.0后支持2Mbps)

链路层Link Layer：

  • 负责广播、扫描、建立和维护连接

  • 管理5种状态：

    • 待机(Standby)

    • 广播(Advertising)

    • 扫描(Scanning)

    • 发起(Initiating)

    • 连接(Connected)

  • 处理数据包格式、时序和信道跳频

直接测试模式Direct Test Mode：用来测试射频性能，比如发射功率、接收灵敏度。

1.2 主机（Host）

主机（Host）层主要包含4个部分：

主机控制器接口HCI：

  • 控制器与主机之间的标准通信接口

  • 可通过UART、USB或三线协议传输

  • 提供命令、事件和数据三种数据包类型

逻辑链路控制与适配协议L2CAP：

  • 提供逻辑信道复用功能

  • 负责协议/信道多路复用

  • 处理数据包的分割和重组

  • 提供基本L2CAP模式和LE信用流控制模式

安全管理器Security Manager：

  • 负责配对和密钥分发

  • 提供认证和加密功能

  • 支持四种安全模式

  • 实现LE安全连接和传统配对

属性协议ATT：

  • 定义客户端-服务器结构的通信协议

  • 服务器存储数据(属性)，客户端请求数据

  • 属性由句柄、UUID和值组成

  • 支持查找、读取和写入等操作

通用访问规范(GAP)：

  • 定义设备角色：广播者、观察者、外围设备和中央设备

  • 管理设备发现、连接建立和安全

  • 控制广播和连接参数

通用属性规范(GATT)：

  • 建立在ATT之上的服务框架

  • 定义服务(Service)、特征(Characteristic)和描述符(Descriptor)

  • 规范了数据如何组织和交换

  • 支持预定义和自定义服务

1.3 应用层(Application)

1.3.1 业务层功能

BLE应用层是蓝牙低能耗协议栈的最上层，直接面向用户和开发者，负责实现具体的业务逻辑和功能。以下是BLE应用层的详细功能解析：

1）业务逻辑实现

  • 定义设备的具体功能和行为

  • 实现用户需求的实际应用场景

  • 处理来自下层协议栈的数据和事件

2） 数据管理

  • 组织和管理应用数据

  • 定义数据格式和解析规则

  • 实现数据缓存和处理机制

1.3.2 实现方法

1） 应用配置文件(Profile)

  • 预定义的标准功能集合(如心率监测、血压监测等)

  • 由多个服务(Service)组成

  • 确保不同厂商设备的互操作性

2.）自定义服务/特征

  • 开发者根据需求定义的服务和特征

  • 通过自定义UUID实现

  • 灵活满足特定应用场景需求

3） 用户接口

  • 提供与用户交互的接口

  • 包括状态显示、参数配置等

  • 可以是物理按钮、LED指示灯或移动应用界面

4）数据处理模块

  • 数据加密/解密

  • 数据压缩/解压缩

  • 数据格式转换

2 重要属性介绍

2.1 GATT属性

1）GATT 的作用

  • 定义 数据如何组织（服务、特征值、描述符）

  • 规定 数据如何交互（读、写、通知、指示）

  • 确保不同厂商设备之间的 互操作性

2）GATT 角色

角色说明
GATT 服务器（Server）存储数据（如传感器数据、设备状态），并允许客户端访问。例如：心率监测器、智能灯泡。
GATT 客户端（Client）向服务器发起请求（读/写数据）。例如：手机APP、中央设备。

注意：一个设备可以同时是 Client 和 Server（例如：智能手表既可以接收手机数据，也可以向耳机发送数据）。

 2.2  服务（Service）

1）服务的定义

  • 服务是 一组相关功能 的集合，例如：

    • 心率服务（Heart Rate Service）：包含心率测量、传感器位置等数据。

    • 电池服务（Battery Service）：包含电池电量、充电状态等数据。

  • 每个服务由 UUID（通用唯一标识符） 标识：

    • 标准 UUID（16-bit）：如 0x180D（心率服务）。

    • 自定义 UUID（128-bit）：开发者可自定义，如 0000XXXX-0000-1000-8000-00805F9B34FB。

2） 服务的层次结构

GATT Server
│
├── Service 1 (UUID: 0x180D)  // 心率服务
│   ├── Characteristic 1 (心率测量)
│   └── Characteristic 2 (传感器位置)
│
└── Service 2 (UUID: 0x180F)  // 电池服务├── Characteristic 1 (电池电量)└── Descriptor (通知使能)

2.3 特征值（Characteristic）

1）特征值的定义

  • 特征值是 服务中的具体数据项，例如：

    • 心率服务中的 当前心率值（如 72 BPM）。

    • 电池服务中的 剩余电量（如 85%）。

  • 每个特征值包含：

    • UUID（标识数据类型，如 0x2A37 表示心率测量）。

    • Value（数据值，如 0x48 表示 72 BPM）。

    • Permissions（读/写/通知权限）。

    • Descriptors（额外配置信息，如通知开关）。

2） 特征值的属性

属性说明
Read（可读）客户端可读取数据（如读取电池电量）。
Write（可写）客户端可写入数据（如调节灯光亮度）。
Notify（通知）服务器主动推送数据（无需客户端请求），例如持续发送心率数据。
Indicate（指示）类似 Notify，但要求客户端确认（更可靠）。

2.4 描述符（Descriptor）

1）描述符的作用

其主要作用是提供额外配置信息，例如：

  • Client Characteristic Configuration Descriptor (CCCD)：控制 Notify/Indicate 是否启用。

  • Characteristic User Description：人类可读的描述（如 "Heart Rate Measurement"）。

2）常见描述符

UUID名称功能
0x2902CCCD启用/禁用通知（Notify）或指示（Indicate）。
0x2901User Description提供特征值的文本描述（如 "Battery Level"）。

 2.5 数据交互方式

1）主要操作

操作说明示例
Read（读取）客户端读取特征值读取电池电量
Write（写入）客户端写入特征值调节灯光亮度
Notify（通知）服务器主动推送数据（无确认）持续发送心率数据
Indicate（指示）服务器主动推送数据（需客户端确认）重要警报消息

2）典型应用场景

  1. 心率监测器（HRM）

    • 服务：0x180D（心率服务）

    • 特征值：0x2A37（心率测量，Notify 模式）

    • 客户端订阅后，服务器持续发送心率数据。

  2. 智能灯泡

    • 服务：自定义 UUID（如 0000AAAA-...）

    • 特征值：

      • 0xAAAA（亮度，Write 模式）

      • 0xAAAB（颜色，Write 模式）

3 蓝牙设备角色

3.1 BLE 广播者（Broadcaster）

 广播者的核心特点主要如下：

1）工作模式

  • 仅发送数据，不接收响应（单向通信）。

  • 不建立连接（Connectionless），适用于一对多通信。

  • 使用 广播信道（37/38/39） 发送数据包。

2）典型应用场景

  • 信标（Beacon）（如 iBeacon、Eddystone）

  • 传感器数据广播（温度、湿度等）

  • 设备发现（让扫描设备感知广播者的存在）

  • 低功耗标签（资产跟踪、室内定位）

 3.2 BLE 观察者（Observer）

观察者（Observer）是 BLE（蓝牙低功耗）中的一种设备角色，专门用于 扫描并接收广播数据，但不主动发起连接。它在 BLE 通信中扮演"监听者"的角色，适用于数据采集、设备发现等场景。

1. 观察者的核心特点

1）工作模式

  • 仅接收广播数据，不发送连接请求（被动监听）

  • 不建立双向连接（Connectionless）

  • 在 3个广播信道（37/38/39） 上扫描数据

2） 典型应用场景

  • 信标（Beacon）接收（如商场导航、室内定位）

  • 环境传感器数据收集（温度、湿度等）

  • 设备发现与监控（如资产跟踪）

  • 广播数据抓包与分析

2. 观察者的工作流程

1） 扫描方式

扫描类型特点功耗
被动扫描（Passive Scanning）只接收广播数据，不发送扫描请求更低功耗
主动扫描（Active Scanning）发送扫描请求（SCAN_REQ）获取更多数据（Scan Response）功耗略高

2） 数据接收机制

  1. 监听广播信道（37/38/39）

  2. 解析广播数据（如设备名称、服务UUID、厂商数据等）

  3. 可选：发送扫描请求（SCAN_REQ）获取扩展信息（Scan Response）

3. 观察者的关键特性

1）低功耗优化

  • 可调节扫描间隔（Scan Interval）和 扫描窗口（Scan Window）

    • 例：间隔100ms，窗口10ms → 每100ms扫描10ms

  • 支持后台扫描（如手机APP在后台发现Beacon）

2） 数据过滤能力

  • 基于MAC地址过滤

  • 基于广播数据类型过滤（如只接收iBeacon数据）

  • RSSI阈值过滤（忽略信号过弱的设备）

3）无连接管理

  • 不处理配对、加密等流程

  • 无法直接控制广播设备（仅接收数据）

 3.3 BLE 中心设备（Central）

中心设备（Central）是 BLE（蓝牙低功耗）通信中的核心角色，负责 主动扫描、发起连接 并 管理数据通信。它是构建 BLE 系统的"大脑"，在大多数 BLE 应用中起主导作用。

1. 中心设备的核心特点

1） 核心功能

  • 扫描发现外围设备（扫描广播数据）

  • 发起和管理连接

  • 作为GATT客户端（读写服务/特征值）

  • 管理多个连接（部分设备支持）

2）典型设备示例

  • 智能手机/平板电脑

  • 笔记本电脑

  • 智能家居网关

  • 医疗监护仪主控端

 2. 工作流程

1）设备发现阶段

2） 连接建立阶段

3. 关键技术特性

1）连接管理

参数说明典型值
连接间隔两次数据交互间隔7.5ms-4s
从机延迟允许从设备跳过的连接事件0-499
监控超时判定连接丢失时间100ms-32s

 优化建议：

  • 低功耗场景：增大间隔（如100ms）

  • 实时性要求高：减小间隔（如15ms）

2） 多设备连接

  • 分时复用机制：在不同连接间隔处理不同设备

  • 连接参数协商：为不同设备设置独立参数

  • 资源限制：受芯片RAM/处理能力限制

3 中心设备 vs 外围设备 

特性中心设备（Central）外围设备（Peripheral）
角色主动方/控制端被动方/被控端
功耗相对较高优化更好
连接能力可连接多个设备通常只连1个中心
典型设备智能手机、网关传感器、穿戴设备

3.4  BLE 外设（Peripheral）

外设（Peripheral）是 BLE（蓝牙低功耗）通信中的关键角色，作为 数据提供方 和 被控制端，在蓝牙生态系统中承担着终端数据采集和设备控制的重要功能。

1. 外设的核心特点

1）基本特性

  • 广播自身存在（Advertising）

  • 接受中心设备连接请求

  • 作为GATT服务器（存储并提供数据）

  • 低功耗优化设计

2）典型设备示例

  • 智能手环/手表

  • 医疗传感器（心率、血氧）

  • 智能家居设备（灯泡、门锁）

  • 信标（Beacon）设备

 2. 工作流程

1）广播阶段

2） 连接建立

 3. 关键技术特性

1) 广播配置

参数说明典型值
广播间隔两次广播间隔时间20ms-10.24s
广播类型ADV_IND/ADV_NONCONN_IND等根据需求选择
广播数据设备名称/服务UUID等31字节限制

2)  连接管理

参数外设控制能力说明
连接参数更新可请求修改协商最佳参数
安全请求可发起配对提升安全性
断连处理可重新广播恢复可发现状态

4. 外设 vs 中心设备

特性外设（Peripheral）中心设备（Central）
角色数据提供者数据消费者
连接能力通常单连接多连接支持
功耗优化深度睡眠支持相对较高
典型功耗μA级待机mA级工作

4 应用总结

4.1 组件功能列表

组件作用示例
GATT定义数据组织方式客户端-服务器架构
Service功能分组心率服务（0x180D）、电池服务（0x180F）
Characteristic具体数据项心率值（0x2A37）、电池电量（0x2A19）
Descriptor额外配置CCCD（0x2902，控制通知开关）

4.2 使用要点

  • GATT 是数据组织的框架，服务是功能模块，特征值是具体数据。

  • Notify/Indicate 适用于实时数据推送（如传感器数据）。

  • CCCD（0x2902）是 Notify/Indicate 的关键，客户端必须写入 0x01 启用通知。

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编程日记 2025/5/3 15:17:20

P20：Inception v3算法实战与解析

&#x1f368; 本文为&#x1f517;365天深度学习训练营 中的学习记录博客&#x1f356; 原作者&#xff1a;K同学啊 使用InceptionV3实现天气识别 一、模型结构 Inception v3是Google团队在2015年提出的第三代Inception模型&#xff0c;属于卷积神经网络&#xff08;CNN&…...

编程日记 2025/5/3 15:16:14

C++ - 数据容器之 list（创建与初始化、元素访问、容量判断、元素遍历、添加元素、删除元素）

一、创建与初始化 引入 <list> 并使用 std 命名空间 #include <list>using namespace std;创建一个空 list list<int> my_list;创建一个包含 5 个元素&#xff0c;每个元素初始化为 0 的 list list<int> my_list(5);创建一个包含 5 个元素&#xf…...

编程日记 2025/5/3 15:14:10

deepseek 技巧整理

1、导出word 和excel 功能&#xff0c;在使用以下提示词。 请帮我列出减肥期间可以吃的水果&#xff0c;并分析该水果含有的营养元素&#xff0c;以表格的形式星现。1.要以html的方式输出 2.要可以直接运行 3.页面要提供可以直接下载word和excel功能...

编程日记 2025/5/3 15:14:09

柔性PZT压电薄膜多维力传感器在微创手术机器人的应用

随着医疗技术的迅速发展&#xff0c;微创手术机器人正在成为外科手术的重要助手。与传统开放式手术相比&#xff0c;微创手术创伤小、恢复快、感染率低&#xff0c;对手术器械的精细操控性和感知能力提出了更高要求。多维力传感器作为机器人“触觉”的核心部件&#xff0c;对提…...

编程日记 2025/5/3 15:12:04

Java学习手册：Spring Boot 自动配置与快速开发

一、Spring Boot 自动配置概述 Spring Boot 的自动配置是其核心特性之一&#xff0c;它能够根据项目的依赖和配置自动地进行 Spring 应用程序的配置。自动配置的工作流程如下&#xff1a; SpringBootApplication 注解 &#xff1a;这是自动配置的起点&#xff0c;它是一个组合…...

编程日记 2025/5/3 15:12:03

ValueError: expected sequence of length 8 at dim 2 (got 0)

问题描述 在PyCharm中使用强化学习运行Python代码时报错ValueError: expected sequence of length 8 at dim 2 (got 0)。 问题原因 实际上原因就是gym中的env对象的reset、step等方法的返回值作了改动 解决方法 1、第一步&#xff1a; 将代码块中的&#xff08;记得改的需…...

编程日记 2025/5/3 15:11:02

AI赋能新媒体运营：效率提升与能力突破实战指南

AI赋能新媒体运营&#xff1a;效率提升与能力突破实战指南 在信息爆炸的新媒体时代&#xff0c;运营人员面临着内容产出压力大、数据分析复杂、用户互动需求高等多重挑战。AI技术的迅猛发展为新媒体运营带来了革命性的变革可能。本文将为您揭示如何利用AI工具提升工作效率、培…...

编程日记 2025/5/3 15:05:50

单词规律（简单）

思路和同构字符串那道题一样。、但是这道题要注意的地方就是&#xff0c;检查 pattern 和 s 的单词数量是否一致以及在进行字符串比较的时候应该用equals来进行比较&#xff0c;而不能用“&#xff01;”&#xff0c;“&#xff01;”比较的是对象引用而非内容。 class Soluti…...

编程日记 2025/5/3 15:04:45

QGraphicsView QGraphicsScene QGraphicsItem 的关系

在Qt的图形视图框架中&#xff0c;QGraphicsView、QGraphicsScene和QGraphicsItem 三者协同工作&#xff0c;构成一个分层的结构&#xff0c;用于高效管理和显示复杂的图形界面。以下是它们的关系和职责的详细说明&#xff1a; 1. 核心角色 类名职责类比QGraphicsItem场景中的…...

编程日记 2025/5/3 14:57:35

re题(52)BUUCTF-[FlareOn5]Minesweeper Championship Registration

BUUCTF在线评测 jadx打开if条件就是flag...

编程日记 2025/5/3 14:56:33

c++环境和vscode常用的一些有用插件

环境 WSL需要安装cmake 编译器g14 应该是包含了所有std:c23把好像包含部分c26 vscode 需要插件cmake vscode clangd 方便提示吧 File Watch 插件目的在保存.h/.cpp文件时候自动执行vscode 的cmake吧 error lens 方便每次显示错误和警告的提示懒得每次点击去看错误 Edit Sugge…...

编程日记 2025/5/3 14:55:30

UE自动索敌插件Target System Component

https://www.fab.com/zh-cn/listings/9088334d-3bde-4e10-a937-baeb780f880f ​ 一个完全用 C 编写的 UE插件&#xff0c;添加了对简单相机锁定/瞄准系统的支持。它最初​​在蓝图中开发和测试&#xff0c;然后转换并重写为 C 模块和插件。 特征&#xff1a; 可通过一组可在…...

编程日记 2025/5/3 14:45:09

从括号匹配看栈：数据结构入门的实战与原理

在计算机科学的世界里&#xff0c;数据结构是程序员的 “瑞士军刀”&#xff0c;不同的数据结构适用于不同的场景&#xff0c;能高效解决各类问题。其中&#xff0c;栈作为一种简单却强大的数据结构&#xff0c;在很多实际应用中发挥着关键作用。今天&#xff0c;我们就通过一个…...

编程日记 2025/5/3 14:45:09

ReLU函数及其Python实现

ReLU函数及其Python实现 文章目录 ReLU函数及其Python实现1. ReLU函数定义2. Python实现3. 在深度学习中的应用总结 1. ReLU函数定义 ReLU&#xff08;Rectified Linear Unit&#xff0c;修正线性单元&#xff09;函数是深度学习中常用的激活函数之一。它的定义非常简单&#…...

编程日记 2025/5/3 14:43:04

Rain World 雨世界 [DLC 解锁] [Steam Epic] [Windows SteamOS]

Rain World 雨世界 [DLC 解锁] [Steam & Epic] [Windows & SteamOS] 需要有游戏正版基础本体&#xff0c;安装路径不能带有中文&#xff0c;或其它非常规拉丁字符&#xff1b; DLC 版本 至最新全部 DLC 后续可能无法及时更新文章&#xff0c;具体最新版本见下载文件说明…...

编程日记 2025/5/3 14:38:55

n8n 工作流画布上下左右移动的操作方法

n8n 工作流画布上下左右移动的操作方法 1. n8n 工作流画布上下移动2. n8n 工作流画布左右移动3. n8n 工作流画布扩大和缩小4. n8n 工作流画布缩放到适合 1. n8n 工作流画布上下移动 鼠标滚轮向上滚动是向上移动鼠标滚轮向下滚动是向下移动 2. n8n 工作流画布左右移动 按照Shi…...

编程日记 2025/5/3 14:38:54

Linux 常用命令合集

一、用户权限管理 切换管理员身份 sudo su&#xff1a;普通用户临时获取 root 权限&#xff0c;需输入当前用户密码。管理员提示符&#xff1a;root主机名:路径#。退出管理员&#xff1a;exit&#xff0c;返回普通用户状态。 以管理员身份执行命令 sudo 命令 参数&#xff1a;…...

编程日记 2025/5/3 14:35:49

B站Michale_ee——ESP32_IDF SDK——FreeRTOS_7 流数据缓冲区、消息缓冲区

一、Stream Buffer流数据缓冲区 流数据缓冲区用来处理像音频之类的流数据&#xff1b; 1.API简介 &#xff08;1&#xff09;创建流数据缓冲区 &#xff08;2&#xff09;向流数据缓冲区中发送数据 &#xff08;3&#xff09;从流数据缓冲区中接收数据 2.示例代码及运行结果…...

编程日记 2025/5/3 14:34:46