【Bluetooth|藍牙開發】二、藍牙開發入門

 
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1、藍牙基礎概念

藍牙，是一種利用低功率無線電，支持設備短距離通信的無線電技術，能在包括行動電話、PDA、無線耳機、筆記本電腦、相關外設等眾多設備之間進行無線信息交換，藍牙工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工業、科學、醫學）頻段，使用IEEE802.11協議。

2、藍牙發展歷程

自1994年由愛立信推出至今，藍牙技術已經走過了20個歲月。從最初的Bluetooth V1.0，到Bluetooth V5.2，經歷了近9個版本的修訂後，發展為當前的狀況。

“藍牙”的形成背景是這樣的：

1998 年 5 月，愛立信、諾基亞、東芝、 IBM和英特爾公司等五家著名廠商， 在聯合開展短程無線通信技術的標準化活動時提出了藍牙技術，其宗旨是提供一種短距離、 低成本的無線傳輸應用技術。

晶元霸主 Intel 公司負責半導體晶元和傳輸軟體的開發，愛立信負責無線射頻和行動電話軟體的開發， IBM 和東芝負責筆記本電腦介面規格的開發。

1999 年下半年，著名的業界巨頭微軟、摩托羅拉、三星、朗訊與藍牙特別小組的五家公司共同發起成立了藍牙技術推廣組織，從而在全球範圍內掀起了一股“藍牙”熱潮。

全球業界即將開發一大批藍牙技術的應用產品， 使藍牙技術呈現出極其廣闊的市場前景，並預示著 21 世紀初將迎來波瀾壯闊的全球無線通信浪潮。

• 第一代藍牙：關於短距離通訊早期的探索，使用的是BR技術，此時藍牙的理論傳輸速率，只能達到721.2Kbps。
• 第二代藍牙：新增的 EDR（Enhanced Data Rate）技術，使得藍牙設備的傳輸率可達 3Mbps。
• 第三代藍牙：核心是 AMP（Generic Alternate MAC/PHY），這是一種全新的交替射頻技術，支持動態地選擇正確射頻，傳輸速率高達 24Mbps
• 第四代藍牙：主推” Low Energy”低功耗， BLE（Bluetooth Low Energy）低功耗功能
• 第五代藍牙：開啟「物聯網」時代大門，在低功耗模式下具備更快更遠的傳輸能力

3、藍牙技術概述

藍牙協議包括兩種技術：BR：Basic Rate和LE：Low Energy。這兩種技術都包括搜索（discovery）管理、連接（connection）管理等機制，但它們是相互獨立的，不能互通的技術！

廠商如果只實現了一種，那麼只能與同樣實現該技術的設備互通。

如果廠商要確保能和所有的藍牙設備互通，那麼就只能同時實現兩種技術，而不去管是否真的需要。

3.1 Basic Rate(BR)

BR：Basic Rate是正宗的藍牙技術，可以包括**可選（optional）的EDR（Enhanced Data Rate）技術，以及交替使用的（Alternate）**的MAC（Media Access Control）層和PHY層擴展（簡稱AMP（Alternate MAC and PHY layer extension））。

• BR：最早期的藍牙技術，速度只能達到721.2Kbps，在那個年代，已為高大上了。
• EDR：隨著技術的提升，使用EDR技術的藍牙，理論速率可以達到2.1Mbps。
• AMP：使用AMP技術的藍牙，理論速率可以達到54Mbps。

AMP的Alternate交替使用體現在：由於藍牙自身的物理層和AMP技術差異太明顯，BR/EDR和AMP是不能同時使用的。

簡單的說，就是：BR和EDR是可以同時存在的，但BR/EDR和AMP只能二選一

3.2 Low Energy（LE）

上面所講的BR技術的進化路線，就是傳輸速率的加快、加快、再加快。

但能量是守恆的，你想傳的更快，代價就是消耗更多的能量。而有很多的應用場景，並不關心傳輸速率，反而非常關心功耗。

這就是Bluetooth LE（稱作藍牙低功耗）產生的背景。

從它的英文名字上就可以看出它是一種低功耗藍牙技術，是藍牙技術聯盟設計和銷售的一種個人區域網技術，旨在用於醫療保健、運動健身、信標、安防、家庭娛樂等領域的新興應用。

低功耗藍牙與經典藍牙使用相同的2.4GHz無線電頻率，因此雙模設備可以共用同一個天線。低功耗藍牙使用的調製系統更簡單。

LE技術相比BR技術，差異非常大，或者說就是兩種不同的技術，湊巧都加一個“藍牙”的首碼而已。

目前BLE主要廣泛應用於IoT產品領域。

4、常見藍牙架構

市面上，大致有幾種藍牙架構：

4.1 SOC藍牙單晶元方案

一般是半導體廠商半開源協議棧，把開發的藍牙協議棧直接燒寫到藍牙晶元中，（比如CSR BC4/5,CSR8670,CSR8675,TI CC2540，NRF51xxx,NRF52xxx，樂鑫ESP32等等），架構如下：

此類晶元一般可以直接做為MCU用，這類產品一般用於消費類電子，集成度很高，調調部參數可以直接使用，常見的有藍牙耳機等產品。

4.2 SOC藍牙+MCU方案

在集成好的藍牙晶元基礎上，通過特定的介面（UART居多），發送自定義的command來達到想要的功能。比如發送0x01代表搜索周圍設備…

此部分的應用，將藍牙作為一個外設使用，用於遠程通信。

例如網上賣的一些藍牙串口。

4.3 藍牙host + controller分開方案

這種應用算是藍牙最複雜的應用，客戶需要使用藍牙的場景有很多，牽涉到的藍牙協議也有很多，需要將Host與Controller分開，集成更多的藍牙協議，比如藍牙電話（HFP），藍牙音頻（A2DP），藍牙音樂控制（AVRCP），藍牙電話本（PBAP），藍牙簡訊（MAP）等。

其中Transport是一個協議，H2就是在USB的基礎上的協議，H4,H5,BCSP是UART基礎上的協議，當然還有SDIO。

此部分應用，將定製藍牙的各種服務，實現藍牙多功能需求，

4.4 使用場景

大概列舉了以下幾種，幫助理解：

1）手機 -> 手機的藍牙複雜應用，註定要用第3種方案，也就是藍牙協議棧（host）在主晶元中，藍牙晶元為HCI架構的

2）藍牙音響，藍牙耳機 -> 此種應用一般用單晶元方案就能hold住，比如CSR8670/8675/傑理藍牙等，好處在於開發便捷

3）藍牙手錶 -> 手錶要看功能複雜性，如果僅僅有時間顯示，感測器交互，藍牙，那麼可以選擇單晶元方案（也就是方案1），如果有網路等比較複雜的功能就要使用MCU+藍牙晶元方案（也就是方案3）了

4）藍牙手環，藍牙心率帶等 -> 基本上是單晶元方案

5、參考文檔

[1]：藍牙官網：https://www.bluetooth.com/

[2]：https://blog.csdn.net/XiaoXiaoPengBo/article/details/107466841

[3]：https://zhuanlan.zhihu.com/p/43516534