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做网站ps笔记本电脑,网站建立使用方法,大师摄影作品网站,查建筑材料的网站1蓝牙基础知识 1.1蓝牙概述 蓝牙#xff0c;是一种利用低功率无线电#xff0c;支持设备短距离通信的无线电技术#xff0c;能在包括移动电话、PDAQ、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换#xff0c;蓝牙工作在全球通用的2.4 GHz(2.4 至 2.485 G…1蓝牙基础知识1.1蓝牙概述蓝牙是一种利用低功率无线电支持设备短距离通信的无线电技术能在包括移动电话、PDAQ、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换蓝牙工作在全球通用的2.4 GHz(2.4 至 2.485 GH) ISM(即工业、科学、医学)频段使用IEEE802.11协议。1.2蓝牙产生背景1998年5月爱立信、诺基亚、东芝、BM和英特尔公司等五家著名厂商在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术其宗旨是提供一种短距离、低成本的无线传输应用技术。芯片霸主Itel公司负责半导体芯片和传输软件的开发爱立信负责无线射频和移动电话软件的开发IBM和东芝负责笔记本电脑接口规格的开发。 1999年下半年著名的业界巨头微软、摩托罗拉、三星、朗讯与蓝牙特别小组的五家公司共同发起成立了蓝牙技术推广组织从而在全球范围内掀起了一股“蓝牙”热潮。全球业界即将开发一大批蓝牙技术的应用产品使蓝牙技术呈现出极其广阔的市场前景并预示着21世纪初将迎来波澜壮阔的全球无线通信浪潮。1.3蓝牙发展历程自1994年由爱立信推出至今蓝牙技术已经走过了20个岁月发展为当前的状况。第一代蓝牙关于短距离通讯早期的探索使用的是BR(Basic Rate)技术此时蓝牙的理论传输速率只能达到721.2Kbps。第二代蓝牙新增的EDR(Enhanced Data Rate)技术使得蓝牙设备的传输率可达3Mbps。第三代蓝牙核心是AMP(Generic Alternate MAC/PHY),这是一种全新的交替射频技术支持动态地选择正确射频传输速率高达24Mbps。第四代蓝牙主推Low Energy低功耗BLE(Bluetooth Low Energy)低功耗功能。第五代蓝牙开启物联网时代大门在低功耗模式下具备更快更远的传输能力。1.4蓝牙技术类型蓝牙协议包括两种技术BRBasic Rate和LELow Energy。这两种技术都包括搜索discovery管理、连接connection管理等机制但它们是相互独立的不能互通的技术厂商如果只实现了一种那么只能与同样实现该技术的设备互通。如果厂商要确保能和所有的蓝牙设备互通那么就只能同时实现两种技术而不去管是否真的需要。1经典蓝牙BR/EDRBRBasic Rate是正宗的蓝牙技术可以包括可选的EDREnhanced Data Rate技术以及AMPAlternate MAC and PHY layer extension。BR最早期的蓝牙技术速度只能达到721.2Kbps在那个年代已为高大上了。·EDR随着技术的提升使用EDR技术的蓝牙理论速率可以达到2.1Mbps。AMP使用AMP技术的蓝牙理论速率可以达到54Mbps。蓝牙自身的物理层和AMP技术差异明显BR/EDR和AMP是不能同时使用的。简单的说就是BR和EDR是可以同时存在的但BR/EDR和AMP只能二选一。2低功耗蓝牙BLE上面所讲的BR技术的进化路线就是传输速率的加快、加快、再加快。但能量是守恒的你想传的更快代价就是消耗更多的能量。而有很多的应用场景并不关心传输速率反而非常关心功耗。这就是Bluetooth LE称作蓝牙低功耗产生的背景。低功耗蓝牙与经典蓝牙使用相同的2.4GHz无线电频率因此双模设备可以共享同一个天线。低功耗蓝牙使用的调制系统更简单。BLE技术相比BR技术差异非常大或者说就是两种不同的技术凑巧都加一个“蓝牙”的前缀而已。目前BLE主要广泛应用于引IoTInternet of Things物联网产品领域。1.5市场上常见蓝牙架构1SOC蓝牙单芯片方案一般是半导体厂商半开源协议栈把开发的蓝牙协议栈直接烧写到蓝牙芯片中比如CSR BC4/5CSR8670CSR8675T1CC2540 NRF51xXxNRF52XXx乐鑫ESP32等等。此类芯片一般可以直接做为MCU用这类产品一般用于消费类电子集成度很高调调部参数可以直接使用常见的有蓝牙耳机等产品。2SOC蓝牙MCU方案在集成好的蓝牙芯片基础上通过特定的接口UART居多发送自定义的command来达到想要的功能。比如发送0x01代表搜索周围设备。外设个单芯片方案自定义command包含BT Controller蓝牙芯片MCU跟BT Host蓝牙协议栈。此部分的应用将蓝牙作为一个外设使用用于远程通信。例如网上卖的一些蓝牙串口。比如我们后面应用就是采用的这种方案。 STM32作为MCU使用ESP32作为蓝牙芯片使用。3蓝牙hostcontroller分开方案这种应用算是蓝牙最复杂的应用客户需要使用蓝牙的场景有很多涉及到的蓝牙协议也有很多需要将Host与Controller分开集成更多的蓝牙协议比如蓝牙电话HFP蓝牙音频A2DP蓝牙音乐控制AVRCP蓝牙电话本PBAP蓝牙短信MAP等。此部分应用将定制蓝牙的各种服务实现蓝牙多功能需求。4使用场景介绍几种使用场景帮助理解。1手机。手机的蓝牙复杂应用注定要用第3种方案也就是蓝牙协议栈hos在主芯片中蓝牙芯片为HC架构的2蓝牙音响蓝牙耳机此种应用。一般用单芯片方案就能搞定好处在于开发便捷。3蓝牙手表。手表要看功能复杂性如果仅仅有时间显示传感器交互蓝牙那么可以选择单芯片方案也就是方案如果有网络等比较复杂的功能就要使用MCU蓝牙芯片方案。4蓝牙手环蓝牙心率带等。基本上是单芯片方案1.6蓝牙协议栈蓝牙协议栈极其复杂官方协议说明书大概有800多页。我们只做一个大致了解。芯片厂家一般都封装好了我们直接使用即可。1.6.1蓝牙芯片架构蓝牙的核心系统由一个Host和一个或多个Controller组成。1BT Host逻辑实体在HCIHost Controller Interface的上层。2BT Controller逻辑实体在HCIHost Controller Interface的下层。根据Host与Controller的组成关系常见的蓝牙芯片也分为以下几种1单模蓝牙芯片单一传统蓝牙的芯片单一低功耗蓝牙的芯片。即1个Host结合1个Controller2双模蓝牙芯片同时支持传统蓝牙和低功耗蓝牙的芯片。即1个Host结合多个Controller蓝牙协议是通信协议的一种一般而言我们把某个协议的实现代码称为协议栈protocol stackBLE协议栈就是实现低功耗蓝牙协议的代码。1.6.2BLE低功耗蓝牙协议栈框架要实现一个BLE应用首先需要一个支持BLE射频的芯片然后还需要提供一个与此芯片配套的BLE协议栈最后在协议栈上开发自己的应用。可以看出BLE协议栈是连接芯片和应用的桥梁是实现整个BLE应用的关键。简单来说BLE协议栈主要用来对你的应用数据进行层层封包以生成一个满足BLE协议的空中数据包也就是说把应用数据包裹在一系列的帧头header和帧尾tail中。蓝牙协议规定了两个层次的协议分别为蓝牙核心协议Bluetooth Core和蓝牙应用层协议Bluetooth Application。蓝牙核心协议关注对蓝牙核心技术的描述和规范它只提供基础的机制并不关心如何使用这些机制蓝牙应用层协议是在蓝牙核心协议的基础上根据具体的应用需求百花齐放定义出各种各样的策略如FTP、文件传输、局域网等等。而蓝牙核心协议Bluetooth Core又包含BLE Controller和BLE Host两部分。Controller负责定义RF、Baseband等偏硬件的规范并在这之上抽象出用于通信的逻辑链路Logical LinkHost负责在逻辑链路的基础上进行更为友好的封装这样就可以屏蔽掉蓝牙技术的细节让Bluetooth Application更为方便的使用。1.6.3物理层Physical LayerPHYPHY 层主要负责在物理信道上发送和接收信息包。Bluetooth LE 使用 40 个射频信道。频率范围2402 MHz 到 2480 MHz。1.6.4链路层Link LayerLLLL 层主要负责创建、修改和释放逻辑链路以及如果需要它们相关的逻辑传输以及与设备之间的物理链路相关的参数的更新。它控制链路层状态机处于准备、广播、监听/扫描、发起连接、已连接五种状态之一。1.6.5主机控制接口层Host Controller InterfaceHCIHCI 层向主机和控制器提供一个标准化的接口。该层可以由软件 API 实现或者使用硬件接口 UART、SPI、USB 来控制。1.6.6通用访问配置文件层Generic access profileGAPGAP 层代表所有蓝牙设备通用的基本功能例如传输、协议和应用程序配置文件使用的模式和访问程序。GAP 服务包括设备发现、连接模式、安全、身份验证、关联模型和服务发现。1.6.7逻辑链路控制及自适应协议层Logical Link Control and Adaptation ProtocolL2CAPL2CAP 层负责对主机和协议栈之间交换的数据进行协议复用能力、分段和重组操作。1.6.8安全管理层Security ManagerSMSMP 层用于生成加密密钥和身份密钥。SMP 还管理加密密钥和身份密钥的存储并负责生成随机地址并将随机地址解析为已知设备身份。1.6.9属性协议层Attribute protocolATT简单来说ATT层用来定义用户命令及命令操作的数据比如读取某个数据或者写某个数据。BLE引入了attribute概念用来描述一条一条的数据。Attribute除了定义数据同时定义该数据可以使用的ATT命令因此这一层被称为ATT层。1.6.10通用属性配置文件层Generic Attribute profileGATTGATT 层表示属性服务器和可选的属性客户端的功能。该配置文件描述了属性服务器中使用的服务、特征和属性的层次结构。该层提供用于发现、读取、写入和指示服务特性和属性的接口。2 ESP32-C3中的蓝牙功能ESP32-C3支持Bluetooth 5LE。下载好固件之后我们前面下载的固件已经支持wifi和蓝牙了 STM32仍然可以通过AT指令操作蓝牙。2.1BLE角色划分在 Bluetooth LE 协议栈中不同的层级有不同的角色划分。这些角色划分互不影响。LL设备可以划分为 主机 和 从机从机广播主机可以发起连接。GAP定义了 4 种特定角色广播者、观察者、外围设备 和 中心设备。GATT设备可以分为 服务端 和 客户端2.2BLE的地址分为公共地址和随机地址。2.2.1公共地址BLE的公共地址就类似于我们日常的身份证号码是全球唯一的且不可改变的。为了保证BLE公共地址的全球唯一性其需要向IEEE购买然后IEEE组织就会对应地分配公共地址给买家。其是全球唯一的且在BLE设备的整个生命周期都不会改变。总长度为6个字节。2.2.2随机地址除了公共地址类型之外还有一个随机地址类型提高额外的隐私保护其又分为静态地址Static Address和私有地址Private Address它们之间主要通过最高的2位有效位来区分。1静态地址。总长度也是48位但是最高位的2位必须是0b11。随机部分至少有一个位是0和1。也就是说不能全部是0或全部是1。设备重启之前不会改变。2私有地址。总长度也是48位。最高位是00/01。随机部分至少有一个位是0和1。也就是说不能全部是0或全部是1。设备重启之前不会改变。2.2.3使用地址公共地址该类型的地址是全球唯一且固定的理论上重复的概率基本为0因为它们是由IEEE组织分配给买家的适用于为保证BLE设备地址的唯一性方便其他人辩别。随机地址说白了就是为了厂商白嫖因为地址是免费的。当然也提高了隐私。随着隐私和安全性的关注增加越来越多的蓝牙设备开始使用随机地址来减少被追踪的风险。这在蓝牙低功耗BLE技术中尤为常见。2.3广播广播是指从机服务器每经过一个时间间隔发送一次广播数据包这个时间间隔称为广播间隔这个广播动作叫做广播事件只有当从机处于广播状态时主机客户端才能发现该从机服务器。在每个广播事件中广播包会分别在37、38和39三个信道上依次广播如下图所示。广播数据包一般包含可读的设备名称设备是否可连接等信息。2.4扫描扫描是主机监听从机广播数据包和发送扫描请求的过程主机通过扫描可以获取到从机的广播包以及扫描回应数据包主机可以对已扫描到的从机设备发起连接请求从而连接从机设备并通信。2.5通讯主从之间的通信是通过GATT的Profile来完成的Profile可以理解为配置数据格式等。从机作为GATT的Server端用来定义和存储Profile。Profile包含一个或者多个Service每个Service又包含一个或者多个CharacteristicCharacteristic是主从通信的最小单元。主机作为GATT的Client端用来发现和获取从机的Service和Characteristic从而与之通信。