帶你深入了解BLE藍(lán)牙模塊工作模式

藍(lán)牙是一種新興無線通訊技術(shù)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的無線通訊協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)和語音通信?；诘统杀驹O(shè)備的收發(fā)器芯片，可做近距離的無線連接，為固定和移動(dòng)設(shè)備監(jiān)理通信環(huán)境的一種近距離無線連接技術(shù)。其中，BLE藍(lán)牙模塊憑借工業(yè)級(jí)，低功耗，高性能的特性在民用領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)各類設(shè)備中穩(wěn)占一席。

BLE藍(lán)牙模塊

BLE藍(lán)牙模塊：ZXW BLE藍(lán)牙模塊根據(jù)藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)分為4.0BLE藍(lán)牙模塊、4.2BLE藍(lán)牙模塊、5.0BLE藍(lán)牙模塊、5.2BLE藍(lán)牙模塊，目前基于BLE藍(lán)牙模塊的成熟方案有智能燈控方案、智能鎖方案、MAC地址二維碼掃描打印方案、以及基于藍(lán)牙的室內(nèi)定位方案。目前BLE藍(lán)牙模塊已經(jīng)廣泛應(yīng)用于定位標(biāo)簽，資產(chǎn)跟蹤，運(yùn)動(dòng)及健身傳感器，醫(yī)療傳感器，智能手表，遙控器，玩具等產(chǎn)品中。尤其藍(lán)牙5.0是針對(duì)物連網(wǎng)、智能家電、穿戴設(shè)備規(guī)范所制定的技術(shù)規(guī)范，在這些領(lǐng)域領(lǐng)先WiFi。

BLE藍(lán)牙模塊的工作原理

1、藍(lán)牙模塊主從關(guān)系

藍(lán)牙技術(shù)規(guī)定每一對(duì)設(shè)備之間進(jìn)行藍(lán)牙通訊時(shí)，藍(lán)牙模塊必須一個(gè)為主角色，另一藍(lán)牙模塊為從角色，才能進(jìn)行通信，通信時(shí)，必須由主端進(jìn)行查找，發(fā)起配對(duì)，建鏈成功后，雙方即可收發(fā)數(shù)據(jù)。一個(gè)具備藍(lán)牙通訊功能的設(shè)備，可以在兩個(gè)角色間切換，平時(shí)工作在從模式，等待其它主設(shè)備來連接，需要時(shí)，轉(zhuǎn)換為主模式，向其它設(shè)備發(fā)起呼叫。一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備以主模式發(fā)起呼叫時(shí)，需要知道對(duì)方的藍(lán)牙地址，配對(duì)密碼等信息，配對(duì)完成后，可直接發(fā)起呼叫。

2、藍(lán)牙模塊呼叫過程

藍(lán)牙主端設(shè)備發(fā)起呼叫，首先是查找，找出周圍處于可被查找的藍(lán)牙設(shè)備。主端設(shè)備找到從端藍(lán)牙設(shè)備后，與從端藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行配對(duì)，此時(shí)需要輸入從端設(shè)備的PIN碼，也有設(shè)備不需要輸入PIN碼。

配對(duì)完成后，從端藍(lán)牙設(shè)備會(huì)記錄主端設(shè)備的信任信息，此時(shí)主端即可向從端設(shè)備發(fā)起呼叫，已配對(duì)的設(shè)備在下次呼叫時(shí)，不再需要重新配對(duì)。已配對(duì)的設(shè)備，做為從端的藍(lán)牙耳機(jī)也可以發(fā)起建鏈請(qǐng)求，但做數(shù)據(jù)通訊的藍(lán)牙模塊一般不發(fā)起呼叫。

鏈路建立成功后，主從兩端之間即可進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)或語音通訊。在通信狀態(tài)下，主端和從端設(shè)備都可以發(fā)起斷鏈，斷開藍(lán)牙鏈路。

3、藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸

藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中，一對(duì)一串口數(shù)據(jù)通訊是最常見的應(yīng)用之一，藍(lán)牙模塊在出廠前即提前設(shè)好兩個(gè)藍(lán)牙模塊之間的配對(duì)信息，主端預(yù)存有從端設(shè)備的PIN碼、地址等，兩端設(shè)備加電即自動(dòng)建鏈，透明串口傳輸，無需外圍電路干預(yù)。

一對(duì)一應(yīng)用中從端設(shè)備可以設(shè)為兩種類型，一是靜默狀態(tài)，即只能與指定的主端通信，不被別的藍(lán)牙設(shè)備查找；二是開發(fā)狀態(tài)，既可被指定主端查找，也可以被別的藍(lán)牙設(shè)備查找建鏈。

BLE藍(lán)牙模塊工作模式

藍(lán)牙設(shè)備在各種應(yīng)用場景扮演著不同的角色，而藍(lán)牙應(yīng)用場景與其工作模式息息相關(guān)。BLE藍(lán)牙模塊一共有兩個(gè)主要工作角色，分別是主機(jī)和從機(jī)，其中做主機(jī)的藍(lán)牙模塊又分為掃描者，發(fā)起連接者和數(shù)據(jù)客戶端，而做從機(jī)的藍(lán)牙模塊又分為廣播者，被動(dòng)連接者和數(shù)據(jù)服務(wù)器。

BLE藍(lán)牙模塊有7個(gè)主要工作模式，分別是工程師最為熟悉的主機(jī)模式，從機(jī)模式，主從一體，廣播者，觀察者，iBeacon模式，Mesh組網(wǎng)模式。

1、主機(jī)模式

負(fù)責(zé)掃描并發(fā)起建立請(qǐng)求的設(shè)備，可以和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備進(jìn)行連接通信

定期的掃描周圍的廣播狀態(tài)設(shè)備發(fā)送的廣播信息，可以對(duì)周圍設(shè)備進(jìn)行搜索并選擇所需要連接的從設(shè)備進(jìn)行配對(duì)連接；

需要知道從設(shè)備的mac地址，配對(duì)密碼等信息，配對(duì)完成后，可直接連接，建立通信鏈路成功后，主從雙方就可以發(fā)送接收數(shù)據(jù)；

主設(shè)備可以設(shè)置默認(rèn)連接從設(shè)備的mac地址；

支持白名單功能，模塊搜索到符合白名單的設(shè)備時(shí)就進(jìn)行連接；

主設(shè)備找到從設(shè)備后，與從設(shè)備進(jìn)行配對(duì)，此時(shí)需要輸入從設(shè)備的PIN碼；

主從透傳協(xié)議相同時(shí)，只需通過簡單的參數(shù)設(shè)置，即可實(shí)現(xiàn)主設(shè)備串口與從設(shè)備串口之間的數(shù)據(jù)透傳；

支持?jǐn)嗑€重連功能，當(dāng)異常干擾問題消失，模塊工作環(huán)境恢復(fù)正常，主設(shè)備會(huì)自動(dòng)搜索剛剛斷連的從設(shè)備，盡可能減少數(shù)據(jù)的丟失，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2、從機(jī)模式

負(fù)責(zé)廣播并接受連接請(qǐng)求的設(shè)備，不能主動(dòng)的建立連接，智能等待別人來連接

從設(shè)備首先進(jìn)入廣播狀態(tài)，等待被主機(jī)搜索，當(dāng)主機(jī)掃描到從設(shè)備建立連接后，就可以和主機(jī)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)；

從設(shè)備模式的藍(lán)牙模塊是可以被連接的，定期的和主機(jī)進(jìn)行連接和數(shù)據(jù)傳輸，在數(shù)據(jù)傳輸過程中作從機(jī)；

一對(duì)一應(yīng)用中從設(shè)備可以設(shè)為兩種類型，一是靜默狀態(tài)，即只能與指定的主設(shè)備通信，不被別的藍(lán)牙設(shè)備查找；二是開發(fā)狀態(tài)，既可被指定主設(shè)備查找，也可以被別的藍(lán)牙設(shè)備查找后建立連接；

從設(shè)備模式下，用戶可以根據(jù)協(xié)議自己開發(fā)APP。此模式下包含一個(gè)串口收發(fā)的Service，用戶可以通過UUID找到它，里面有兩個(gè)通道，分別是讀和寫。用戶可以操作這兩個(gè)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸；

在通信狀態(tài)下，主設(shè)備和從設(shè)備都可以發(fā)起斷鏈，即斷開藍(lán)牙鏈路。

3、主從一體工作模式

可以同時(shí)作為主設(shè)備和從設(shè)備，在藍(lán)牙4.1協(xié)議規(guī)范后，添加了“鏈路拓?fù)洹钡墓δ?，發(fā)揮中繼器的作用

藍(lán)牙模塊允許同時(shí)作為主設(shè)備和從設(shè)備，在任何角色組合中操作；

外圍的從節(jié)點(diǎn)設(shè)備信息可以不局限在本地保存，通過主從一體的藍(lán)牙模塊發(fā)揮中繼器的作用，搜集后上傳給云端或集中控制器保存或顯示；

主從一體額外增加了藍(lán)牙模塊的功能，成本優(yōu)化和易用性； 如果藍(lán)牙模塊以前在封閉系統(tǒng)中作為主設(shè)備工作，那現(xiàn)在還可以同時(shí)作為從機(jī)連接到智能手機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)新的連接維度；

4、廣播者工作模式

藍(lán)牙4.0以上設(shè)備必須支持的功能，一對(duì)多發(fā)送，周期性的向周圍設(shè)備廣播固定長度數(shù)據(jù)，向外廣播自己的mac地址，名稱以及支持的特性，主要是用于被其他的設(shè)備發(fā)現(xiàn)，而不是進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送

模塊可以在低功耗的模式下持續(xù)的進(jìn)行廣播，應(yīng)用于極低功耗，小數(shù)據(jù)量，單向傳輸?shù)膽?yīng)用場合。藍(lán)牙廣播通道的重要功能就是是用于發(fā)現(xiàn)設(shè)備，發(fā)起連接和發(fā)放數(shù)據(jù)；

藍(lán)牙的廣播一般是向外廣播自己的mac地址、名稱以及支持的特性，廣播主要是用于被其它的設(shè)備發(fā)現(xiàn)，而不是進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的；

廣播數(shù)據(jù)包有兩種：廣播包（Advertising Data）和響應(yīng)包（Scan Response），其中廣播包是每個(gè)設(shè)備必須廣播的，而響應(yīng)包是可選的，每個(gè)包長度都是固定字節(jié)N，數(shù)據(jù)包的長度N隨著藍(lán)牙協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)提高而擴(kuò)容；

廣播模式主要有兩種使用場景：（1）單一方向的、無連接的數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)發(fā)送者在廣播信道上廣播數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收者掃描、接收數(shù)據(jù)；廣播者”將用作服務(wù)器。（2）面向連接的建立，如藍(lán)牙從設(shè)備廣播消息后由主設(shè)備搜索到后進(jìn)行連接，廣播者和從設(shè)備模式的唯一區(qū)別是不能被主機(jī)連接，只能廣播數(shù)據(jù)。

5、觀察者工作模式

一對(duì)多接收 監(jiān)聽和讀取空中的廣播數(shù)據(jù) 不能發(fā)起數(shù)據(jù)，只能持續(xù)掃描從機(jī)

觀察者模式，該模式下模塊為非連接；

應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集集中器的應(yīng)用場合，如傳感器集中器采集等功能；

藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)，藍(lán)牙模塊處于觀察者模式，無廣播，它可以掃描周圍的廣播設(shè)備，但不能要求與廣播設(shè)備連接。

6、iBeacon工作模式

藍(lán)牙4.0規(guī)范的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的微定位技術(shù)，低功耗的藍(lán)牙信標(biāo)，使用的是BLE技術(shù)，一種廣播模式，同時(shí)它也是擁有這個(gè)協(xié)議的一款低功耗藍(lán)牙設(shè)備（從機(jī)），工作在廣播模式，向周圍進(jìn)行聯(lián)系下廣播，所有廣播數(shù)據(jù)在特定規(guī)則下進(jìn)行排列

工作在廣播模式，利用的是BLE中名為“通告幀”（Advertising）的廣播幀。通告幀是定期發(fā)送的幀，只要是支持BLE的設(shè)備就可以接收到；

廣播的發(fā)射功率可以調(diào)整，不停的廣播藍(lán)牙設(shè)備的mac地址、UUID等固定字節(jié)的字符串等信息，接收到該字符串應(yīng)用軟件會(huì)根據(jù)該字符串采取一些措施；

不能和任何低功耗藍(lán)牙主機(jī)進(jìn)行連接，通常是放在室內(nèi)的某個(gè)固定位置，借此向周圍進(jìn)行連續(xù)性廣播，所有廣播數(shù)據(jù)在特定規(guī)則下進(jìn)行排列。

7、Mesh組網(wǎng)工作模式

兼容4及5系列藍(lán)牙協(xié)議,實(shí)現(xiàn)“多對(duì)多”的設(shè)備通信，大規(guī)模組網(wǎng),每個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以連接理論最大65536個(gè)節(jié)點(diǎn),不需要網(wǎng)關(guān)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以作為AP和路由器

把藍(lán)牙設(shè)備作為信號(hào)中繼站，利用低功耗藍(lán)牙廣播的方式進(jìn)行信息收發(fā)，藍(lán)牙Mesh技術(shù)拓展了藍(lán)牙的通訊關(guān)系，打破了以往藍(lán)牙設(shè)備只能夠主從一對(duì)一、廣播一對(duì)多通信的限制，使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的藍(lán)牙設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)“多對(duì)多”的設(shè)備通信；

通信時(shí)，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)損壞或者堵塞時(shí)，可以自動(dòng)繞過該節(jié)點(diǎn)，重新選擇路徑達(dá)到目的地，可以讓網(wǎng)絡(luò)更高效可靠； 每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送、接收、轉(zhuǎn)發(fā)消息。消息可以在Mesh網(wǎng)絡(luò)中被轉(zhuǎn)發(fā)從而到達(dá)更遠(yuǎn)的距離；

在智能家居、智能建筑等眾多領(lǐng)域具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，藍(lán)牙Mesh技術(shù)將成為物聯(lián)網(wǎng)短距離規(guī)模組網(wǎng)的最優(yōu)方案。

目前藍(lán)牙技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于智能家居、消費(fèi)電子、智慧醫(yī)療、汽車、智能穿戴設(shè)備和智能建筑設(shè)備在內(nèi)的所有物聯(lián)網(wǎng)智能產(chǎn)品中，加速人與萬物互動(dòng)的步伐。應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)的藍(lán)牙模塊基本都屬于低功耗藍(lán)牙模塊，除上述應(yīng)用外，藍(lán)牙模塊還可應(yīng)用于家庭物聯(lián)網(wǎng)、車輛控制、彩燈控制方案、樓宇管理、超市商品Beacon推廣等領(lǐng)域。

審核編輯 黃宇