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前言

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，藍(lán)牙已融入到我們生活的方方面面：手機(jī)、平板、手環(huán)、耳機(jī)、音響、智能燈泡、智能門鈴、攝像機(jī)、冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、血糖儀、鍵盤、鼠標(biāo)等等。

關(guān)于藍(lán)牙相關(guān)的芯片、協(xié)議棧、應(yīng)用方案也因產(chǎn)品需求的不同而存在很大的差異，因而導(dǎo)致關(guān)于藍(lán)牙相關(guān)的知識相對比較離散。

(一) 藍(lán)牙版本與類型

藍(lán)牙與 WiFi 類似，WiFi 屬于 IEEE 802.11，藍(lán)牙早期屬于 IEEE 802.15.1，后面才由 Bluetooth SIG 獨(dú)立維護(hù)。

藍(lán)牙與 WiFi 的發(fā)展基本相似。早期藍(lán)牙追求高速率，現(xiàn)在藍(lán)牙主打：低功耗、低成本、高可靠性。

在藍(lán)牙追求高速率轉(zhuǎn)變到低功耗這個過程中，出現(xiàn)了一些不能相互兼容的藍(lán)牙版本。從技術(shù)的角度看，藍(lán)牙的歷史版本之間并不太優(yōu)雅。

(1) 經(jīng)典藍(lán)牙

藍(lán)牙 1.0 版本的時候速率是 721Kbps, 那時 Modem 速度也才 56Kbps，藍(lán)牙速率遠(yuǎn)超用戶需求。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，1999 年 WiFi1(802.11b) 支持 11Mbps，2003 年wifi3(802.11g)支持 54Mbps， 2009 年 WiFi4(802.11n) 支持 600Mbps。之后各版本均是以 Gbps 速率為單位。

與此同時的藍(lán)牙，為了追求速率的提升，就在 BR(Basic Rate)的基礎(chǔ)上開發(fā)了EDR(Enhanced Data Rate)技術(shù)。隨后在 2009 年，藍(lán)牙又引入了 WiFi 的物理層和 MAC 層，推出了AMP 功能，速率達(dá)到了 24Mbps。

但是 BR/EDR 技術(shù)與外來的 AMP 并不兼容，只能 2 選 1 使用。

由于藍(lán)牙不能直接連接到互聯(lián)網(wǎng)，且更加偏向于短距離，點(diǎn)對點(diǎn)連接的應(yīng)用場景，與 WiFi 相比，藍(lán)牙的優(yōu)勢并不明顯。

速率越高，功耗自然就會更大。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，設(shè)備對功耗越加敏感。為了區(qū)別于 WiFi，藍(lán)牙開始布局低功耗應(yīng)用場景。

在2010年，藍(lán)牙推出了低功耗藍(lán)牙BLE, 也就是藍(lán)牙4.0版本。

經(jīng)典藍(lán)牙與低功耗藍(lán)牙之間也不兼容，所以就有了單模藍(lán)牙和雙模藍(lán)牙的說法。

單模藍(lán)牙：單一傳統(tǒng)藍(lán)牙或是單一低功耗藍(lán)牙。即 1 個 Host 結(jié)合 1 個 Controller。
雙模藍(lán)牙：同時支持兩種不同模式的藍(lán)牙。即 1 個 Host 結(jié)合多個 Controller。

(2) 低功耗藍(lán)牙

低功耗藍(lán)牙主要應(yīng)用于小數(shù)據(jù)量傳輸，比如：溫濕度采集器、手環(huán)、心率檢測、血氧測試、電子標(biāo)簽、寵物防丟、智能燈泡、門鎖等等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

它們一般是將采集到的信號發(fā)送到服務(wù)端(比如手機(jī))，發(fā)完之后設(shè)備就進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省功耗。

在雙模設(shè)備中，如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較大，藍(lán)牙會切換為經(jīng)典模式，比如文件傳輸、音樂播放等。

BLE 藍(lán)牙目前也支持音樂傳輸，BLE Audio (基于 Bluetooth 5.2) 通過 LC3 編解碼器提升了音質(zhì) ，但延遲和帶寬仍弱于經(jīng)典藍(lán)牙。

后續(xù)會專門介紹藍(lán)牙耳機(jī)的實(shí)現(xiàn)原理。

(二) 藍(lán)牙軟件協(xié)議棧

我們把某個協(xié)議的實(shí)現(xiàn)代碼稱為協(xié)議棧（protocol stack），藍(lán)牙協(xié)議棧就是實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙協(xié)議的代碼。

簡單來說，藍(lán)牙協(xié)議棧就是用來對你的應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行層層封包，以生成一個滿足藍(lán)牙協(xié)議的空中數(shù)據(jù)包。

Controller（控制器） 部分：包含 PHY（物理層）和 LL（鏈路層），并通過 HCI 和上層通信，主要負(fù)責(zé)底層無線收發(fā)與連接管理。
Host（主機(jī)） 部分：包含 L2CAP、SMP、ATT、GATT、GAP 等協(xié)議層，為應(yīng)用提供數(shù)據(jù)傳輸、安全、屬性組織和訪問以及連接管理等功能。
Profiles（應(yīng)用層）：基于 GATT 定義各種標(biāo)準(zhǔn)化或自定義的服務(wù)與特征，用于實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用場景。

從上圖可以看出，藍(lán)牙協(xié)議棧是連接芯片(射頻)和應(yīng)用的橋梁，是實(shí)現(xiàn)整個藍(lán)牙應(yīng)用的關(guān)鍵

目前開源的藍(lán)牙協(xié)議棧有:

還有些非開源的藍(lán)牙協(xié)議棧，它們主要由商業(yè)公司開發(fā)和維護(hù)，通常是為了提供更好的技術(shù)支持、認(rèn)證、優(yōu)化和專有功能，比如 windows 和蘋果設(shè)備。

這里只對藍(lán)牙的協(xié)議棧做簡單的介紹，更詳細(xì)的分析放到后面單獨(dú)介紹。

(三)藍(lán)牙硬件架構(gòu)

藍(lán)牙軟件架構(gòu)，其實(shí)主要也就是藍(lán)牙協(xié)議棧。如果要做藍(lán)牙開發(fā)，基于不同的硬件方案架構(gòu)，需要對藍(lán)牙協(xié)議棧了解的深度也不一樣。

(1) SOC單芯片方案

架構(gòu)特點(diǎn):

藍(lán)牙協(xié)議棧（Host + Controller）和應(yīng)用處理器集成在同一顆芯片內(nèi)。
適用于低功耗、小尺寸、低成本的應(yīng)用場景。
典型芯片如 Nordic nRF52 系列、Dialog DA14531、TI CC2640。

優(yōu)勢:

設(shè)計簡單，開發(fā)成本低，功耗優(yōu)化較好。
適用于嵌入式系統(tǒng)，無需額外的 MCU 處理數(shù)據(jù)。

典型應(yīng)用:

藍(lán)牙耳機(jī)、智能手環(huán)、無線傳感器、低功耗 IoT 設(shè)備。

這種方案一般使用在：藍(lán)牙耳機(jī)、智能手環(huán)、無線傳感器、低功耗 IoT 設(shè)備。

從軟件開發(fā)的角度看，這種方案與普通 MCU 開發(fā)相似，因?yàn)樾酒瑥S家已經(jīng)把藍(lán)牙協(xié)議棧做了封裝，我們只需要調(diào)用接口使用就可以了。

(2) SoC 藍(lán)牙 + MCU 方案

架構(gòu)特點(diǎn):

藍(lán)牙協(xié)議棧和射頻部分（Host + Controller）集成在藍(lán)牙 SoC 內(nèi)，MCU 負(fù)責(zé)上層應(yīng)用邏輯和數(shù)據(jù)處理。
適用于計算需求較高的場景，比如復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理或多協(xié)議支持。
典型芯片如 Cypress CYW20719。

優(yōu)勢:

MCU 處理應(yīng)用層任務(wù)，藍(lán)牙 SoC 專注于通信，提高系統(tǒng)性能。
靈活性較高，可以選用不同性能的 MCU 適配需求。

典型應(yīng)用

智能家居、工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備、藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)。

這種藍(lán)牙方案一般是把藍(lán)牙做成模塊形式，MCU只需要通過串口發(fā)送響應(yīng)的 AT 指令來實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙的不同功能。

對于軟件開發(fā)來說，這是最簡單的一種開發(fā)方式，方案的局限就是比較難實(shí)現(xiàn)一些自定義的藍(lán)牙功能。

(3) 藍(lán)牙 Host + Controller 分離方案

架構(gòu)特點(diǎn):

藍(lán)牙協(xié)議棧拆分為 Host（高層協(xié)議，如 L2CAP、GATT、GAP）和 Controller（低層協(xié)議，如 PHY、Link Layer）。
Host 運(yùn)行在主機(jī)（MCU/CPU）上，而 Controller 作為獨(dú)立模塊（藍(lán)牙芯片或藍(lán)牙模塊）。
通過 HCI（Host Controller Interface）進(jìn)行通信，常見接口有 UART、SPI、USB。

優(yōu)勢: