集成測(cè)試要點(diǎn)-低功耗藍(lán)牙

物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)存在了一段時(shí)間，但目前人們感興趣的爆炸是由于傳感器價(jià)格的大幅下降以及幾乎無處不在的連接。根據(jù)IDC 的報(bào)告，到 2022 年，全球物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支出將達(dá)到 1.2 萬億美元，在 2017-2022 年預(yù)測(cè)期內(nèi)的復(fù)合年增長率為 13.6%。藍(lán)牙技術(shù)廣泛用于物聯(lián)網(wǎng)的各種智能應(yīng)用中，使用未經(jīng)許可的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 （ISM） 頻段的短波長無線電傳輸進(jìn)行短距離連接 （長達(dá) 100m）， 從 2400.0 到 2483.5 MHz.

藍(lán)牙設(shè)備以多種模式從一臺(tái)設(shè)備通信到另一臺(tái)設(shè)備：

單播：源向多個(gè)目標(biāo)發(fā)送和接收消息，建立一對(duì)一的設(shè)備通信

廣播：源將消息發(fā)送到多個(gè)目標(biāo)，建立一對(duì)多設(shè)備通信

組播（網(wǎng)狀）：多個(gè)源和目標(biāo)建立多對(duì)多設(shè)備通信

BLE由藍(lán)牙特別興趣小組（SIG）銷售。藍(lán)牙 SIG 管理認(rèn)證過程，任何使用藍(lán)牙無線技術(shù)的產(chǎn)品都需要遵循該流程。所有這些產(chǎn)品都必須符合藍(lán)牙 SIG 認(rèn)證，并滿足藍(lán)牙許可協(xié)議和規(guī)范的要求。SIG擁有如下所示的徽標(biāo)和“藍(lán)牙”一詞：

有關(guān)認(rèn)證藍(lán)牙產(chǎn)品的進(jìn)一步流程，請(qǐng)?jiān)L問藍(lán)牙網(wǎng)站上的以下鏈接：

藍(lán)牙協(xié)議和測(cè)試

BLE的集成級(jí)測(cè)試涉及廣告數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，握手過程（啟動(dòng)通信和協(xié)商傳輸參數(shù)），連接過程，綁定過程，分組數(shù)據(jù)格式。這可以通過兩種方式實(shí)現(xiàn)：

與充當(dāng)主設(shè)備的任何BLE設(shè)備連接以驗(yàn)證服務(wù)和數(shù)據(jù)交換

使用嗅探器應(yīng)用程序進(jìn)行通信之間的“間諜”

每個(gè)藍(lán)牙設(shè)備都有一個(gè)唯一的 MAC 地址和時(shí)鐘。主控控制時(shí)鐘和跳頻。

不同層的源和目標(biāo)扮演著不同的角色，需要徹底驗(yàn)證本博客中討論的UUT（被測(cè)單元 - 一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備充當(dāng)掃描儀，另一個(gè)充當(dāng)廣告商）。以下是每個(gè)層中用于源和目標(biāo)的同義詞的術(shù)語：

鏈路層

鏈路層是物理層和L2CAP層之間的層。它主要扮演廣告，建立連接和發(fā)現(xiàn)服務(wù)的作用。下面的狀態(tài)圖描述了鏈路層的工作流：

待機(jī)：默認(rèn)狀態(tài)

廣告：該設(shè)備定期在3個(gè)廣告通道中發(fā)送廣告事件（其余37個(gè)是數(shù)據(jù)通道），如下圖所示。

掃描

有兩種不同的掃描模式：

被動(dòng)掃描 – 控制器僅支持?jǐn)?shù)據(jù)接收，不支持傳輸。

主動(dòng)掃描 – 傳輸掃描請(qǐng)求。掃描程序發(fā)出SCAN_REQ數(shù)據(jù)包，廣告客戶會(huì)SCAN_RSP數(shù)據(jù)包進(jìn)行響應(yīng)。

啟動(dòng)

掃描儀根據(jù)廣告數(shù)據(jù)選擇合適的廣告商。如果廣告客戶發(fā)出連接機(jī)會(huì)信號(hào)，則掃描程序可以向廣告客戶發(fā)送連接請(qǐng)求。發(fā)送CONNECT_REQ數(shù)據(jù)包后，掃描程序?qū)⒊蔀榘l(fā)起方。

連接

成功建立連接后，兩個(gè)設(shè)備都處于“連接”狀態(tài)。發(fā)起者成為主控者，廣告商成為從屬者。它們定期交換數(shù)據(jù)包，稱為連接事件（此連接是握手，只有在握手成功后才會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換）。BLE連接維護(hù)一個(gè)Piconet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中單個(gè)主設(shè)備與稱為pico的從屬設(shè)備協(xié)調(diào)連接事件。應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)傳輸速率從 200 到 2，100 kbps 不等。

BLE數(shù)據(jù)包構(gòu)成了鏈路層的基本構(gòu)建塊。BLE分組數(shù)據(jù)格式可大致分為以下幾類：

BLE有兩種類型的數(shù)據(jù)包：

廣告包 – 查找并連接到附近的設(shè)備

數(shù)據(jù)包 – 兩個(gè)連接設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸

以下是根據(jù)協(xié)議數(shù)據(jù)單元 （PDU） 的不同廣告數(shù)據(jù)包類型：

按照以下鏈接中的步驟設(shè)置北歐BLE嗅探器和Wireshark設(shè)置以進(jìn)行數(shù)據(jù)包捕獲：nRF_Sniffer_UserGuide_v2.2

以下是可以使用Wireshark數(shù)據(jù)包分析器驗(yàn)證的測(cè)試用例：

驗(yàn)證外圍設(shè)備是否以明文形式播發(fā)<必需數(shù)據(jù)>

驗(yàn)證外圍設(shè)備在播發(fā)且未連接時(shí)的廣告算法。（廣告算法包括廣告事件的數(shù)量和它們之間的持續(xù)時(shí)間）

在握手期間驗(yàn)證外圍設(shè)備的播發(fā)算法

驗(yàn)證 UUT 配對(duì)并綁定后的廣告事件

通用訪問配置文件 （GAP）

GAP定義了設(shè)備角色，廣告模式和綁定程序。安全管理器，GAP的一部分可以根據(jù)系統(tǒng)的安全需求進(jìn)行設(shè)計(jì)?！芭鋵?duì)”和“粘合”過程通過GAP控制：

配對(duì)：中央和外圍設(shè)備交換經(jīng)過身份驗(yàn)證和接受以建立連接的加密密鑰。

粘 接：來自配對(duì)過程的信息存儲(chǔ)在設(shè)備上，以便不會(huì)重復(fù)配對(duì)過程，并且只要設(shè)備在附近，就會(huì)建立重新連接。

三種主要的配對(duì)方法是：

正常工作 – 加密密鑰在中央和外圍設(shè)備之間共享

密鑰顯示 – 隨機(jī)密鑰在一臺(tái)設(shè)備上生成，其他設(shè)備需要輸入相同

帶外 – 這支持另一個(gè)用于共享密鑰的 BLE 無線電

使用與上述相同的設(shè)置，以下是可以使用Wireshark數(shù)據(jù)包捕獲進(jìn)行驗(yàn)證的測(cè)試用例：

在數(shù)據(jù)包級(jí)別驗(yàn)證密鑰交換配對(duì)過程

驗(yàn)證播發(fā)躍點(diǎn)序列

通用屬性配置文件 （關(guān)貿(mào)總協(xié)定）

藍(lán)牙設(shè)備充當(dāng) GATT 服務(wù)器或客戶端。GATT 標(biāo)識(shí)層次結(jié)構(gòu)以組織服務(wù)、特征等屬性。屬性是分組數(shù)據(jù)，UUID（通用唯一標(biāo)識(shí)符）是分配給每個(gè)屬性的 16 字節(jié)。

服務(wù)包括收集滿足特定功能所需的數(shù)據(jù)。特征包含用戶數(shù)據(jù)。下面的流程顯示了客戶端和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)包通信：

按照以下鏈接安裝 nRF 連接模擬器應(yīng)用程序：nrFconnect應(yīng)用程序

以下是可以使用 nRF Connect 應(yīng)用程序驗(yàn)證的測(cè)試用例：

驗(yàn)證建立連接后可用于發(fā)現(xiàn)的服務(wù)

驗(yàn)證可用的服務(wù)，如設(shè)備信息服務(wù) （UUID 0x180a），以獲取制造商詳細(xì)信息、硬件、固件和軟件字符串?dāng)?shù)據(jù)、通用訪問配置文件 （UUID 0x01800）、通用屬性配置文件 （UUID 0x1801）

驗(yàn)證可用的自定義服務(wù)（未知服務(wù)，如下面的屏幕截圖所示）

驗(yàn)證服務(wù)的特征以及為這些特征（如讀取、寫入等）啟用的屬性

使用數(shù)據(jù)讀寫功能驗(yàn)證發(fā)送和接收的定義數(shù)據(jù)

結(jié)論：

隨著藍(lán)牙低功耗的出現(xiàn) （博美） 從版本 4.0， 現(xiàn)在它被廣泛用于消費(fèi)市場(chǎng)，因?yàn)橄M(fèi)市場(chǎng)的低能耗和低功耗需求（BLE是由藍(lán)牙SIG發(fā)明和正式化的）.為了幫助確保在這些新的低功耗設(shè)計(jì)中成功實(shí)施低功耗藍(lán)牙，測(cè)試解決方案必須能夠快速、經(jīng)濟(jì)高效地根據(jù)藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行必要的測(cè)試。

審核編輯：郭婷