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BLE理论基础
从蓝牙4.0开始，蓝牙核心规范中适时更新了关于低功耗蓝牙( BLE)的部分。截止蓝牙5.0协议，可选的核心配置( CC)的简称及全称如表所示。带有LE(Low Energy)核心配置的蓝牙即为低功耗蓝牙。
目前，蓝牙设备一般分为两类：
①单模设备：仅支持低功耗模式蓝牙。
②双模设备：同时支持经典蓝牙( )和低功耗蓝牙。可以和市场上所有蓝牙设备进行通信，目前使用的蓝牙大部分是双模设备。
两种设备均要求支持BLE，可见，BLE将是未来的主流蓝牙技术。
1 BLE协议栈
BLE协议栈如图所示。它的组成总共涉及三个单元：控制器、主机、应用程序。控制器是一个硬件装置，可以收发无线信号，并将这些信号转换为数据包；主机以软件形式存在于控制器上，管理设备间的通信；应用程序享受最高层的地位，通过主机指挥控制器执行用户规定的行为；主机控制器接口(Host Controller Interface, HCI)分为两个环节，第一环节位于主机，第二环节位于控制器。主机包含三个协议：逻辑链路控制和适配协议(Logical Link Control and Adaptation Protocol, L2CAP)、属性协议(Attribute Protocol, ATT)和安全管理器协议(Security Manage Protocol, SMP)，还包含两个规范：通用属性规范(Generic Access Profile, GAP)、通用访问规范(Generic Attribute Profile, GATT)。
①控制器：通常包含射频电路和一些数模电路。控制器通过天线与大气相连，通过主机控制器接口与主机相连。分为以下四个部分：
1)物理层：通过无线电完成数据收发。针对小范围内有大量无线电传输的情形，在无线电的频段内分隔出40个RF信道，单个宽度2MHz，总计2.4GHz。
2)直接测试模式：可以使用该模式收发测试用的数据包。该部分提供了一种统一的、标准化的测试方法，为产品制造商节省了大量的资源。
3)链路层：控制设备的五种状态：准备、广播、扫描、初始化以及连接，是协议栈中最复杂的部分。
4)主机控制器接口：提供了主机与控制器双向通信的标准接口，使得两者可以方便地在物理和逻辑结构上进行分割。
②主机：主机来自硬件抽象，包含协议栈的配置文件和应用接口，与用户应用程序共同运行在处理器上。
1)逻辑链路控制和适配协议：可实现数据分割和重组、各通道流控制、错误控制，直接对更上一层的属性协议和安全管理器协议负责，提供数据服务。
2)属性协议：是在蓝牙4.0规范中新增的通信机制，实现了与对端设备通信的点对点协议。
3)安全管理器协议：用于配对和密钥分发, 只在BLE中有，经典蓝牙的类似功能被集成到了链路管理协议(link management protocol, LMP)中。该协议负责密钥生成，并管理密钥存储。
4)通用属性规范：建立在属性协议的基础上，引入了服务和特征的概念。它描述了一个通用框架，将数据包装在服务和特征中，基于此框架，可以规范地传输和存储数据。用户可使用属性协议访问对端设备的特征。
5)通用访问规范：代表各类蓝牙所共有的基础功能，如发现设备、连接设备、建立绑定、安全认证以及为用户提供信息等。
③应用：应用层由特征、服务、规范组成，层级依次升高。其框架如图2. 3所示。规范可由一个或多个服务构成，实现某个具体应用。例如，在脑电采集应用中，有脑电测量和设备信息等服务。一个服务包括一个或多个特征，也可包括其他服务。一个特征包含特征属性、值、特征描述符(若有必要)三个部分。
1)特征：采用128位的通用唯一识别码(Universally Unique Identifier, UUID)标识的数据块。常用的UUID有两种。
a.蓝牙特别兴趣小组( Bluetooth Special Interest Group, Bluetooth SIG)规定的UUID：SIG已预先分配了一系列UUID给常用的服务。分配的第一个UUID称作蓝牙基本UUID，其最高的32位为00000000，第0位到95位0000-1000-8000-00805F9B34FB。这些预分配的UUID可用16位UUID代替，因为16位已经能满足目前的服务量需求。这16位代表着128位UUID的95至110位，即，可将最高的32位写成0000xxxx，“xxxx”代表16位UUID。因此，16位UUID和蓝牙基本UUID可通过下式转换。显然，相较于128位UUID ，16位UUID降低了存储和传输的成本。
b.供应商规定的UUID：为了区别于SIG的UUID，一些蓝牙供应商自行规定了UUID。例如，使用Nordic Semiconductor的蓝牙解决方案时，可通过nRFgo Studio软件产生蓝牙基本UUID。在此基础上，加上自定义的16位UUID即可生成128位UUID。
2)服务：描述了一组特征及特征的使用方法。服务分为首要服务和次要服务。首要服务包含次要服务，并解释这些次要服务间以及次要服务和首要服务间如何交互引用。
3)规范：是应用层的具体实现，规范可以发现服务和特征，并调用服务完成目标任务。规范和服务的关系是相互独立的、多对多的。同一服务可被多个规范调用，一个规范也可调用多个服务。
2 BLE角色分类
①GAP规定的角色：在低功耗蓝牙中，一般都存在发送器和接收器，但GAP规定了四种角色，分别是广播者、观察者、外围设备和*设备。在控制器中，这些角色都有对应的要求，使得厂商可以针对特定角色优化控制器，去掉发送器或者接收器。
1)广播者：该角色针对仅发送信息的功能进行了优化，使用广播功能来广播数据。该角色带有发送器，但可能无接收器。该角色不支持连接。
2)观察者：该角色针对仅接收信息的功能进行了优化，是广播者的补充角色，可接收广播中的广播数据。该角色带有接收器，但可能无发送器。该角色不支持连接。由于无法建立连接，广播者和观察者在应用范围上不如后两种角色。
3)外围设备：该角色针对支持单个连接且无需进行复杂处理的功能进行了优化。该角色带有接收器和发送器，在链路层的连接状态为从机。
4)*设备：该角色支持多个连接，是与外围设备角色进行连接的发起者，其需要处理的任务相对复杂。该角色带有接收器和发送器，在链路层的连接状态为主机。
②GATT规定的角色：GATT定义了服务器和客户端。通常来说，建立连接后，提供数据服务的设备(一般是智能传感器或可穿戴设备，如智能水表、血压监测仪等)是服务器，读写该数据的设备是客户端。例如，笔记本(客户端)从脑电检测装置(服务器)读取数据以判断使用者的心理活动。
GATT角色与GAT角色容易混淆，它们所依据的规范不同，所以本质上是无关的。在实际应用案例中，两类角色比较常见的关系是：外围设备用作服务器，*设备用作客户端。
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