探索低功耗藍牙基礎知識：BLE初學者指南
2023-02-22 13:40:48 EETOP什么是通信協議？
隨著時間的推移，計算已經從獨立系統發展為連接形成網絡的計算機（圖 1）。
圖 1. 局域網 (LAN) 中連接的計算機的簡化圖。
通信網絡支持共享計算，許多用戶或終端可以訪問同一計算機系統。在特定場景下，共享計算可以讓一個中央系統處理首當其沖的工作，并將其結果分發給缺乏該能力的多個用戶。
通信網絡也用于分散計算，其中許多計算機可以作為對等點一起工作。這些網絡有助于將數據從一個點傳輸到另一個點。
需要注意的重要一點是，為了使網絡中的不同設備能夠有效地通信或共享數據，它們必須使用共同的語言。這就是通信協議發揮作用的地方。
圖 2.協議的概念視圖，它是一種允許不同設備進行通信的通用語言。
通信協議是嚴格定義交換信息的設備的硬件和軟件應如何執行每個通信功能的規則手冊。
在通信協議（又名規則手冊）中，您會找到以下內容的規則：
通信協議基于多種因素，包括要交換的信息的特征、通信媒介以及將使用它的設備的功能。
從協議到標準
通信協議可以通過標準化過程成為標準。標準是商定或廣泛采用的協議，無論制造商如何，都必須遵守。它們允許生產相關產品的不同公司遵守相同的協議，因此它們的設備可以進行通信。
這就是為什么您可以將一家公司的藍牙耳機連接到另一家公司的手機的原因。這些產品的制造商雖然不同，但都遵循標準化的通信協議，在本例中為藍牙。
除了藍牙之外，還有一些其他流行的通信標準：
接下來我們談談BLE。
什么是低功耗藍牙？
藍牙的核心是一種使用無線電波作為通信媒介的短距離連接技術。該技術的第一個標準或規范稱為Bluetooth Classic。它的主要設計目的是取代線纜并在手機和其他便攜式設備之間提供無線連接。
BLE 作為藍牙 4.0 規范的一部分于 2010 年推出，針對超低功耗應用進行了優化。由于在超低功耗應用中的使用，BLE 服務于需要無線網絡功能的電池供電設備市場。在BLE 出現之前，這些類型的設備很難支持互連，因為它們消耗了太多電池電量。
下面，我們將介紹BLE的一些優化功能，以實現超低功耗目標。
低功耗藍牙省電功能
1. BLE的無線傳輸
啟用BLE 的設備的無線傳輸僅在必要時喚醒以節省電量。當設備想要發送或收聽數據時，LE radio會打開以快速執行必要的任務，然后斷開連接。LE radio的這種操作不同于藍牙經典radio，后者的無線傳輸大部分時間都處于打開狀態，并且連接會保持數小時或數天。
由于 LE radio是間斷連接的，所以它適用于設備不時發送小數據包的應用，范圍從每秒一次到每隔幾天一次。例如，健身追蹤器中的心率監測器可以收集所有心率數據，并每小時將其發送到您的智能手機一次。或者溫度傳感器，如果溫度非常高或非常低，它才會被觸發以發送溫度讀數。
2. LE 的無線連接時間更短
由于可用于連接的 RF 通道數量減少，Bluetooth LE 消耗的能量更少，從而導致更快的連接速度和更少的掃描時間。Bluetooth Classic 有 32 個 RF 通道，可用于在設備之間建立連接，而 Bluetooth LE 只有三個。
此外，想要被發現的 BLE 設備會在 RF37、RF38 和 RF39 通道（稱為主要廣告通道）上發送信號。
當一個設備想要找到其他設備時，它會在主要廣播通道上偵聽廣播數據包。由于只有三個主要廣播頻道，LE 無線不必掃描那么多頻道，醒著的時間也更少，因此使用的能量更少。
3. LE 無線傳輸使用更小的數據包
Bluetooth LE 數據包比 Bluetooth Classic 數據包小得多。較小的數據包大小在編碼和解碼時需要較少的計算開銷。這也降低了功耗。
4. 電池放電是脈沖式的
電池的特性之一是它的放電方式會影響其容量。電池容量是在特定條件下可以從電池中提取的能量。電池的恒定電流放電會縮短其壽命。另一方面，脈沖放電（其中放電之間有空閑時間）有助于使電池盡可能接近其標稱容量。這被稱為電池恢復效應。
Bluetooth LE 利用了這種恢復效應。使用 BLE 的數據傳輸是在周期性的短突發中完成的，隨后是空閑周期。在這些閑置期間，電池可以恢復，這有助于延長電池的使用壽命。
5. 低功耗藍牙協議是一種非對稱設計
LE 協議使用非對稱設計來向想要連接的設備發布任務。資源最受限的設備做的工作最少。對于要連接的設備，一個必須扮演中心角色，另一個扮演外圍角色。中央設備通常具有更強的處理能力和電池電量，如智能手機。另一方面，外圍設備通常是處理能力較低且能源資源有限的設備，如健身追蹤器、心率監測器等。
低功耗藍牙協議棧
協議棧（或協議套件或協議體系結構）是一組或一組子協議，它們協同工作以實現連接在網絡中的兩臺或多臺計算機之間的完整通信。協議棧中的每個子協議稱為一個層或級別。Bluetooth LE 協議棧使用分而治之的方法。這意味著整體通信任務在層之間進行了劃分，每個協議層負責特定的通信功能。
圖 3 顯示了一個LE協議棧及其協議層的例子。
圖 3.低功耗藍牙堆棧。圖片由Bluetooth SIG提供
表 1 總結了 LE 協議棧各層的主要功能。
BLE 設備通信的兩種主要方式
支持 BLE 的設備可以通過以下兩種方式之一進行通信：
1.無連接通信：它將其數據廣播到任何監聽設備
2.面向連接的通信：它與另一個設備形成專用連接，并使用客戶端-服務器機制與其進行通信
圖 4 顯示了這兩種通信方式的概覽。
圖 4. BLE 設備通信的不同方式。圖片由瑞薩電子提供
無連接通信
想要參與無連接通信的 LE 設備被賦予 GAP 層定義的兩個角色。一臺設備必須是廣播者，另一臺設備必須是監聽者。
設備的 GAP 角色控制著設備的鏈路層，而鏈路層又控制著設備的 LE 無線電。
例如，圖 5 中的圖像顯示我的手機作為監聽者拾取了兩個廣播信標的數據包：
圖 5.拾取設備。
BLE 中無連接通信的常見應用包括信標和廣播其讀數的物聯網 (IoT) 傳感器。
面向連接的通信
在面向連接的通信中，您必須清楚兩個主要概念：設備發現和連接設備之間的客戶端-服務器關系。
設備發現和連接設置
需要注意的一點是BLE中稱為配置文件的任何內容都可以針對特定用例控制和協調堆棧的其他層。在這方面，GAP控制鏈路層和PHY層（LE無線電）應如何運行，以便BLE設備發現和建立連接。
想要參與面向連接的通信的 LE 設備被賦予由 GAP 層定義的兩個角色。一個設備必須是中央設備，另一個設備必須是外圍設備。。
第 4步：在初始狀態下，LE無線電向外圍設備發送連接請求數據包。如果外圍設備接受連接請求，則連接建立。
客戶端-服務器關系
連接設置完成后，通用屬性配置文件執行三個主要功能：它使用 ATT 協議來構建將要交換的數據。它定義了一個包含服務和特性的層次結構，以文件文件夾的方式排列數據。這種安排數據的方式使其易于存儲和訪問。
它還定義了連接設備交互方式的客戶端-服務器關系。GATT 為連接的設備定義了兩個角色：一個設備將是客戶端，另一個將是服務器。
服務器：充當容納數據變量的數據庫。服務器使用 ATT 協議的屬性數據類型存儲數據。服務器上的數據按照 GATT 的定義分層組織。可以根據訪問權限訪問服務器的數據。一些數據既可讀又可寫。有些可能只是可讀的。
客戶端：連接到服務器后，客戶端通常會請求訪問存儲在服務器上的數據（屬性）。客戶端可以根據訪問權限讀取和/或寫入服務器的屬性。
BLE 設備面向連接的應用示例：
帶有傳感器的睡眠追蹤器可以檢測我們睡覺時發生的生理變化。跟蹤器連接到您的智能手機以共享讀數。跟蹤器充當服務器。智能手機作為客戶端，讀取存儲在跟蹤器中的數據。
藍牙 SIG（特別興趣小組）
什么是藍牙 SIG？Bluetooth SIG 是一個獨立的非盈利組織，負責定義藍牙標準。Bluetooth SIG 不是公司或合作。它不制造或銷售藍牙產品。
相反，它有四個主要職責。這些都是：
推廣藍牙技術
Bluetooth SIG 于 1998 年成立，當時只有五個創始成。它們是愛立信、英特爾、IBM、諾基亞和東芝。多年來，Bluetooth SIG 組織已發展到擁有超過 16,000 家成員公司。
Bluetooth SIG 為希望加入的公司提供兩個會員級別，即采用者會員級別和準會員級別（表 2）。
表 2. Bluetooth SIG 成員詳細信息。
最后，Bluetooth SIG 擁有 7 家擁有發起人級別會員資格的成員公司。其中包括所有創始公司，以及蘋果和微軟。
高效協議和企業協作
在我們日益互聯的世界中，低功耗藍牙已成為重要的通信超低功耗應用。正如我們所見，它需要高效的協議設計和公司之間的協作，才能使BLE 或任何通信標準真正產生重大的市場影響。
