蓝牙4.0:

       包含经典蓝牙和ble

ble单模：

        ble

ble双模：

        经典蓝牙和ble

ble协议栈：

控制器层，host层，app

控制器

HCI

HCI层为接口层，向上为主机提供软件应用程序接口（API），对外为外部硬件控制接口，可以通过串口、SPI、USB来实现设备控制

Link Layer

L层为RF控制器，控制设备处于准备（standby）、广播、监听/扫描（scan）、初始化、连接，这五种状态中一种。五种状态切换描述为：未连接时，设备广播信息，另外一个设备一直监听或按需扫描，两个设备连接初始化，设备连接上了。发起聊天的设备为主设备，接受聊天的设备为从设备，同一次聊天只能有一个意见领袖，即主设备和从设备不能切换。

PHY

物理层： RF规格

2.4G ISM band

GFSK调制

40个频道，2M频间隔

3个广播(37,38,39)，37数据通道

由于BLE属于无线通信，则其通信介质是一定频率范围下的频带资源（Frequency Band）；BLE的市场定位是个体和民用，因此使用免费的ISM频段（频率范围是2.400-2.4835 GHz）；为了同时支持多个设备，将整个频带分为40份，每份的带宽为2MHz，称作RF Channel 。

主设备管理多个连接从设备，从设备只能连接一个主设备

做为一个BLE设备，有六种可能的状态:
– 待机状态(Standby)：设备没有传输和发送数据，并
且没有连接到任何设备
– 广播状态(Advertiser)：周期性广播状态
– 扫描状态(Scanner)：主动地寻找正在广播的设备
– 发起连接状态(Initiator):主动向某个设备发起连接
– 主设备(Master)：作为主设备连接到其他设备
– 从设备(Slave)：作为从设备连接到其主设备

host层

GAP：

连接参数设置，设备命令设置，安全模式设置

角色：广播者，观察者，主设备，从设备

BLE:广播事件
广播包的发送是单向的，不需要任何连接。
设备发送广播包进入广播状态
– 广播包可以包含特定的数据定义，最大31个字节
– 广播包可以直接指向某个特定的设备，也可以不指定
– 广播中可以声明是可被连接的设备，或者是不可连接的设备
在一个广播事件中，广播包会分别在三个广播通道中被发送一次 (37, 38, 39）

BLE广播间隔

广播间隔，是两次广播事件之间的最小时间间隔，一般取值范围在 20ms~10.24s 之间。链路层会在每次广播时间期间产生一个随机广播延时时间（0ms~10ms），这个延时被加在广播时间中，这样来避免多设备之间的数据碰撞。

单位时间是0.625ms

广播

低功耗蓝牙设备通过广播信道发现其他设备，一个设备进行广播，而另一个设备进行扫描。

广播相关的参数大致有以下几种：

1.Advertising interval

2.Advertising_Type

3.Own_Address_Type

4.Direct_Address_Type

5.Direct_Address

6.Advertising_Channel_Map

7.Advertising_Filter_Policy

8.Advertising Data

9.ScanReponse Data

Advertising interval  （广播间隔）

设备每次广播时，会在3个广播信道上发送相同的报文。这些报文被称为一个广播事件。除了定向报文以外，其他广播事件均可以选择“20ms ~ 10.28s”不等的间隔。通常，一个广播中的设备会每一秒广播一次。两个相邻广播事件之间的时间称为广播间隔。

但是，设备周期性的发送广播会有一个问题：由于设备间的时钟会不同程度的漂移，两个设备可能在很长一段时间同时广播而造成干扰。为防止这一情况的发生，除定向广播之外的其他广播类型，发送时间均会被扰动。实现该扰动的方式为，在上一次广播事件后加入“0 ~ 10ms”的随机延时。这意味着，即使两个设备广播间隔相同，并在相同信道及时间点上发送造成了冲突，但它们发送下一个广播事件时也会有很大可能不再冲突。

所以，两个相邻的广播事件的之间的时间间隔（T_advEvent）为：

T_AdvEvent = advInterval + advDelay

其中，advInterval 必须是“0.625ms”的整数倍，范围是“20ms ~ 10.24s”之间。对于可扫描非定向广播和不可连接非定向广播这两种广播类型，该值最好不小于100ms，即（160个0.625ms）。advDelay是Link Layer（链接层）分配的一个伪随机数，它的范围为“0 ~ 10ms”。

广播包的截图如下：

当然，实际设置过程中没有广播间隔参数，而是设置Advertising_Interval_Min（最小广播间隔）和Advertising_Interval_Max（最大广播间隔）这两个参数来调整广播间隔，它们都是以“0.625ms”为单位，如果要固定广播间隔为某一个值，只需要将这两个参数设置为同一个有效数值即可。

设置广播间隔的方法如下：

[cpp] view plain copy print?

1. //普通可发现模式下修改广播间隔的方法  

2. GAP_SetParamValue(TGAP_GEN_DISC_ADV_INT_MIN, advInt );//单位是0.625ms  

3. GAP_SetParamValue(TGAP_GEN_DISC_ADV_INT_MAX, advInt );//单位是0.625ms  

4. //有限可发现模式下修改广播间隔的方法  

5. GAP_SetParamValue( TGAP_LIM_DISC_ADV_INT_MIN, advInt );//单位是0.625ms  

6. GAP_SetParamValue( TGAP_LIM_DISC_ADV_INT_MAX, advInt );//单位是0.625ms  

下一篇博文会重点介绍广播发现模式的有关内容。

Advertising_Type  （广播类型）

广播的类型一般分为四种，分别是：

1.可连接的非定向广播（Connectable Undirected Event Type）。这是一种用途最广的广播类型，包括广播数据和扫描响应数据，它表示当前设备可以接受其他任何设备的连接请求。

鉴于此种广播类型用的最多，下面我们来讨论一下此类型下广播事件中广播包的发送情况，另外要注意在一个广播事件中，前一个“ADV_IND PDUs”的开始到相邻的下一个“ADV_IND PDUs”的开始处的时间要小于等于 10ms ：

第一种情况：仅仅有广播 PDUs 。截图显示如下：

第二种情况：在广播事件的中间有“SCAN_REQ”和“SCAN_RSP PDUs”。截图显示如下：

第三种情况：在广播事件的结尾有“SCAN_REQ”和“SCAN_RSP PDUs”。截图显示如下：

第四种情况：在广播事件的中间接收到“CONNECT_REQ PDU”的情况。截图显示如下：

此情况下，广播事件会关闭，不会继续在下一个信道上广播。

2.可连接的定向广播（Connectable Directed Event Type）。定向广播类型是为了尽可能快的建立连接。这种报文包含两个地址：广播者的地址和发起者的地址。发起者收到发给自己的定向广播报文之后，可以立即发送连接请求作为回应。

定向广播类型有特殊的时序要求。完整的广播事件必须每3.75ms重复一次。这一要求使得扫描设备只需扫描3.75ms便可以收到定向广播设备的消息。

当然，如此快的发送会让报文充斥着广播信道，进而导致该区域内的其他设备无法进行广播。因此，定向广播不可以持续1.28s以上的时间。如果主机没有主动要求停止，或者连接没有建立，控制器都会自动停止广播。一旦到了1.28s，主机便只能使用间隔长得多的可连接非定向广播让其他设备来连接。

当使用定向广播时，设备不能被主动扫描。此外，定向广播报文的净荷中也不能带有其他附加数据。该净荷只能包含两个必须的地址。

3.不可连接的非定向广播（Non-connectable Undirected Event Type）。仅仅发送广播数据。

4.可扫描的非定向广播（Scannable Undirected Event Type）。这种广播不能用于发起连接，但允许其他设备扫描该广播设备。这意味着该设备可以被发现，既可以发送广播数据，也可以响应扫描发送扫描回应数据，但不能建立连接。这是一种适用于广播数据的广播形式，动态数据可以包含于广播数据之中，而静态数据可以包含于扫描响应数据之中。

注意：所谓的定向和非定向针对的是广播的对象，如果是针对特定的对象进行广播（在广播包PDU中会包含目标对象的MAC）就是定向广播，反之就是非定向。可连接和不可连接是指是否接受连接请求，如果是不可连接的广播类型，它将不回应连接请求。可扫描广播类型是指回应扫描请求。

不同的广播类型对扫描请求和连接请求的不同结果如下图：

TI的CC2540和CC2541中广播类型的具体定义在“components/ble/include”目录下的“Gap.h”文件中，如下：

[cpp] view plain copy print?

1. /** @defgroup GAP_ADVERTISEMENT_TYPE_DEFINES GAP Advertising Event Types 

2.  * for eventType field in gapAdvertisingParams_t 

3.  * @{ 

4.  */  

5. #define GAP_ADTYPE_ADV_IND                0x00  //!< Connectable undirected advertisement  

6. #define GAP_ADTYPE_ADV_HDC_DIRECT_IND     0x01  //!< Connectable high duty cycle directed advertisement  

7. #define GAP_ADTYPE_ADV_SCAN_IND           0x02  //!< Scannable undirected advertisement  

8. #define GAP_ADTYPE_ADV_NONCONN_IND        0x03  //!< Non-Connectable undirected advertisement  

9. #define GAP_ADTYPE_ADV_LDC_DIRECT_IND     0x04  //!< Connectable low duty cycle directed advertisement  

10. /** @} End GAP_ADVERTISEMENT_TYPE_DEFINES */  

其中“GAP_ADTYPE_ADV_HDC_DIRECT_IND”和“GAP_ADTYPE_ADV_LDC_DIRECT_IND”属于定向可连接广播类型的两种形式。

设置广播类型的方法：

[cpp] view plain copy print?

1. GAPRole_SetParameter(GAPROLE_ADV_EVENT_TYPE, sizeof( uint8 ), &advType );  

Own_Address_Type  （自身地址类型）

Public Device Addrss：公有设备地址是设备所特有的并且是不可改变的。类似网络设备的MAC地址，它的长度为48位。由两部分组成：

Ramdom Device Address：随机设备地址（私有设备地址），它也是48位。组成如下所示：

Direct_Address_Type  （定向地址类型）

地址类型同Own_Address_Type，具体内容如上。

Direct_Address  （定向地址）

定向设备地址如下所示：

Advertising_Channel_Map  （广播信道）

广播信道如下所示：

在一个广播事件中，一个广播包会在每个信道上进行传输。显示如下：

Advertising_Filter_Policy  （广播过滤策略）

广播过滤策略，对发来请求包的设备采用的过滤策略。如下所示：

 

对应上图的内容解释如下：

1.接受任何设备的扫描请求或连接请求。（Value：0x00）

2.仅仅接受白名单中的特定设备的扫描请求，但是接受任何设备的连接请求。（Value：0x01）

3.接受任何设备的扫描请求，但仅仅接受白名单中的特定设备的连接请求。（Value：0x02）

4.仅仅接受白名单中的特定设备的扫描请求和连接请求。（Value：0x03）

5.保留

Advertising And ScanReponse Data  （广播和扫描回应数据）

广播数据和扫描回应数据，它们的长度都不能超过31个字节（0 ~ 31），数据的格式必须满足下图的要求，可以包含多个AD数据段，但是每个AD数据段必须由“Length：Data”组成，其中Length占用1个octet，Data部分占用Length个字节，所以一个AD段的长度为：Length+1。格式图如下所示：

设置广播数据和扫描回应数据的方法如下：

[cpp] view plain copy print?

1. GAPRole_SetParameter( GAPROLE_ADVERT_DATA,sizeof( advertData ), advertData );  

2. GAPRole_SetParameter( GAPROLE_SCAN_RSP_DATA,sizeof ( scanRspData ), scanRspData );  

广播使能----打开的方法：

[cpp] view plain copy print?

1. uint8 adv_enable = TRUE;  

2. GAPRole_SetParameter( GAPROLE_ADVERT_ENABLED, sizeof( uint8 ), &adv_enable );  

广播使能----关闭的方法：

[cpp] view plain copy print?

1. uint8 adv_enable = FALSE;  

2. GAPRole_SetParameter( GAPROLE_ADVERT_ENABLED, sizeof( uint8 ), &adv_enable );  

附加知识点：Octet

在传统的二进制概念中，1 byte（字节）= 8 bit（位）。大多数因特网标准使用八位组（octet）这个术语而不是使用字节来表示8位的量。该术语起源于“TCP/IP”发展的时期，当时许多早期的工作是在诸如“DEC-10”这样的系统上进行的，然而这些系统的结构采用的字节（byte）长度不是8位（bit），因此出现了octet的单位，即准确定义了

BLE:扫描事件
每次扫描设备打开Radio接收器去监听广播设备，称为一个扫描事件
扫描事件交替发生在三个特定的广播通道中: 37, 38, 39
扫描频宽比 (Duty-Cycle),关于扫描的两个
时间参数:
–扫描间隔:即扫描设备的扫描频度
–扫描窗口:每次扫描事件持续的时间

BLE发起连接

除了扫描，设备也可以主动发起连接，发起状态的设备和扫描状态的设备区别在于：当它监听到一个可连接的广播，发起设备就会发送一个连接请求，而扫描设备会发送一个扫描请求。

连接请求包括一套为从设备准备的连接参数，安排连接期间发生的通道和时间。如果广播设备接收了连接，两个设备会进入连接状态，发起方会称为 Master（主机） ，而广播方会称为 Slave（从机）。

BLE连接参数

• 通道映射，指示连接使用的频道。

• 调频增量，一个5~16 之间的随机，参与通道选择的算法。

• 连接间隔，1.25ms的倍数，在7.5ms~4s之间。

• 监督超时，10ms 的倍数，100ms~32s 之间， 必须大于 （1+slaveLatency）*ConnInterval

• 从机潜伏，0~499之间，不能超过（SupervisionTimeout/connInterval）-1

BLE连接事件

所有的通信都发生在两个设备的连接事件期间，连接事件周期的发生，按照连接参数

指定的间隔联系，每个事件发生在某个数据通道（0~36），调频增量参数决定了下次连接时间发生的通道，在每个连接时间期间，Master 先发送，Slave会在 150us之后做出回应，即使一个连接事件发生（或两者），双方都没有数据发送（例外情况是从设备潜伏使能），这允许两个设备都承认对方仍然存在并保持活跃的连接。

        Slave的潜伏

Slave如果没有数据发送，允许跳过连接时间。连接参数中的 Slave 的潜伏值，是允许设备跳过的最大连接次数，在连接事件中，如果 slave 没有对master 的包做出回应，master将会在后来的连接时间中重复发送，直到 slave 回应。两个有效的连接事件之间的最大时间跨度（假设 slave 跳过了最大数目的连接时间）称为“有效连接间隔”，从设备的潜伏范围是 0~499，但是有效的连接间隔必须小于 32s。

连接参数的设定

短间隔的连接事件：

-两设备都会以高能耗运行

-高数据吞吐量

- 发送等待时间短

长间隔的连接事件：

- 两设备都会以低能耗运行

- 低数据吞吐量

- 发送等待时间长

低或者 0潜伏值：

- 从设备以高能耗运行

- 从设备可以快速的收到来自中心设备的数据

高潜伏值：

- 外围设备在没有数据发送的情况下可以低能耗运行

- 外围设备无法及时收到来自中心设备的数据

- 中心设备能及时收到来自外围设备的数据

1.安卓设备作主设备时，连接参数满足的要求见本篇博文第二节“连接参数介绍”中提到的内容。另外实际开发过程中发现安卓设备作主设备时存在一个问题，就是部分安卓设备连接BLE设备之后，只能进行一次连接参数的修改。

2. 苹果系统设备作主设备时，连接参数更新的要求比较苛刻，如下：

Interval Max * (Slave Latency + 1) ≤ 2 seconds

Interval Min ≥ 20 ms

Interval Min + 20 ms ≤ Interval Max

Slave Latency ≤ 4

connSupervisionTimeout ≤ 6 seconds

Interval Max * (Slave Latency + 1) * 3 < connSupervisionTimeout

即：

最大连接间隔时间 *（从机延迟 + 1） ≤ 2s

最小连接间隔时间 ≥ 20 ms

最小连接间隔时间 + 20 ms ≤ 最大连接间隔时间

从机延迟 ≤ 4

超时时间 ≤ 6s

最大连接间隔时间 *（从机延迟 + 1）* 3  < 超时时间

这样算

ios最小20ms

最大400ms

从机延迟  4

超时时间6s

所以如果你的BLE从设备需要被IOS主设备连接，那你的BLE从设备的默认申请的连接参数一定要满足上述要求，并且连接过程中修改连接参数的时候也要满足上述要求。