低功耗蓝牙（BLE）的入门与开发

pipixilie

第1 章BLE 简介
如今，物联网技术得到快速的发展，而物联网技术里的主角则是已发展成熟的BLE无
线网络，…作为开发者的我们，使用TI 的软件和硬件资源，即可轻松搭建自己的无线网
络。
1.1 无线网络数据传输协议对比
我们比较熟悉的网络有Zigee，WIFI、Bluetooth（传统蓝牙，新一代蓝牙也发生了
巨大的变化），他们三者之间的关系可以从下图中看出来。

                    1-1 三种常见的网络对比
从图1-1 中可以看到不同的无线数据传输协议在数据传输速率利传输距离有各自的
使用范围。Zigbee、蓝牙以及WIFI 标准都是工作在2.4GHz 频段的无线通信标准。下面
将BLE 与传统蓝牙、WIFI 标准进行简要的比较，帮助读者快速地了解。
·传统蓝牙数据传输速率小于3Mbps，典型数据传输距离为2-10m，蓝牙技术的典型
应用是在两部手机之间进行小量数据的传输。
·WIFI 最高数据传输速率可达50Mbps，典型数据传输距离在30-100m，WIFI 技术
提供了一种Intemet 的无线接入技术。

1.2 蓝牙4.0
1.2.1 什么是蓝牙4.0

             图1.1 蓝牙4.0 logo 和BLE logo
蓝牙无线技术是使用范围最广泛的全球短距离无线标准之一，全新的蓝牙4.0 版本
将三种蓝牙技术（即传统蓝牙，高速蓝牙和低功耗蓝牙技术）合而为一。它集成了蓝牙技
术在无线连接上的固有优势，同时增加了高速蓝牙和低功耗蓝牙的特点，这三个规格可以
组合使用，也可以单独使用，低功耗蓝牙即ble 是蓝牙4.0 的核心规范，该技术最大特
点是拥有超低的运行功耗和待机功耗，蓝牙低功耗设备使用一粒纽扣电池可以连续工作数
年之久，可应用与对成本和功耗都有严格要求的无线方案，而且随之智能机的发展将有着
更加广泛的领域。
当前，支持ble 的智能设备除了iPhone（iOS 系统）外，Android 也正式加入了ble
的队伍，从4.3 系统开始，Android 将提供官方的API 接口，在不久的将来，BLE 将会
出现在生活中的各个领域。
BLE 是一种标准，该标准定义了短距离、低数据传输速率无线通信所需要的一系列通
信协议。基于BLE 的无线网络所使用的工作频段为868MHz、915MHz 和2.4GHz，最大数
据传输速率为250kbps。
下面通过一个具体酌例子向读者展示一下BLE 的具体应用。在病人监控系统中，病
人的血压可以通过特定的传感器检测，因此，可以将血压传感器和BLE 设备相连，BLE设
备定期检测病人的血压，将血压数据以无线的方式发送到服务器，服务器可以将数据传输
到医生的电脑上，医生就可以根据病人的血压数据进行恰当的诊断。

1.2.2 蓝牙4.0 与传统蓝牙之间的关系
Smart Ready 和Smart 以及传统蓝牙之间是什么关系呢，请看下图：

☆Smart Ready 可以和Smart Ready、传统蓝牙，及Smart 之间相互连接和通信。
☆传统蓝牙可以和Smart Ready、传统蓝牙之间连接和通信
☆Smart 可以和Smart、Smart Ready 之间连接和通信
很多客户都比较关注CC2540 是否向下兼容，看了上图就应该明白，答案是否定的，
CC2540 是BLE 单模芯片，属于Smart，所以只能和Smart Ready 或者Smart 之间连接
和通信，CC2540是不兼容传统蓝牙的。

低功耗蓝牙与其他蓝牙兼容性示意

双模设备
1：BasicRate（BR），2：Bluetooth Low Energy （BLE）同时支持BR 和BLE 的设
备为dual-mode（双模）设备，也就是这里讨论的Smart Ready。Smart Ready 是蓝牙4.0
里的主体，一般具有稳定电源供电的设备，如手机，PC 等采用的均是双模的蓝牙芯片。
很多android手机都表明支持蓝牙4.0，其实很大部分只支持Smart Ready 里的BR，而
软件里不支持LE。
目前Android4.3 系统才开始全面支持BLE。
iOS 设备对蓝牙4.0 支持的最好，只要是iPhone4S+iOS7.0 和以后的设备均完美完
全支持蓝牙4.0单模设备那么Smart 又是什么呢，Smart 是蓝牙4.0 里的低功耗蓝牙的
商标，就是Bluetooth Low Energy，缩写为LE 或者BLE，网上关于蓝牙4.0 一节纽扣
电池能够使用一年均是针对BLE 而言。Smart Ready 功耗还是很大的，需要有稳定的电
源供电，像手机、PC 等设备，而Smart 由于功耗低，一般使用电池、或纽扣电池供电。
Ti 的CC2540 便是BLE 设备。
Smart 的最主要特点是低功耗和低速率。

1.3 Bluetooth Low Energy
1.3.1 BLE 简介
BLE 规范中定义了GAP（Generic Access Profile）和GATT（Generic Attribute）
两个基本配置文件。
☆协议中的GAP 层负责设备访问模式和进程，包括设备发现，建立连接，终止连接。
初始化安全特征和设备配置。
☆协议栈中的GATT 层用于已连接的蓝牙设备之间的数据通信。

1.3.2 BLE 特点
总体而言，BLE 技术具有如下特点：
(1)高可靠性
对于无线通信而言，由于电磁波在传输过程中容易受很多因素的干扰，例如，障碍物
的阻挡、天气状况等，因此，无线通信系统在数据传输过程中具有内在的不可靠性。蓝牙
技术联盟SIG 在指定蓝牙4.0 规范时已经考虑到了这种数据传输过程中的内在的不确
定性，在射频，基带协议，链路管理协议中采用可靠性措施，包括：差错检测和矫正，进
行数据编解码，数据降噪等，极大地提高了蓝牙无线数据传输的可靠性，另外，使用自适
应调频技术，能最大程度地减少和其他2.4G 无线电波的串扰。
(2)低成本、低功耗
低功耗蓝牙支持两种部署方式：双模式和单模式，一般智能机上采用双模式，外设一
般采用BLE 单模，例如采用CC254x 作为BLE 从机的计步器血压计和iBeacon基站等等。
BLE 技术可以应用于8-bit MCU，目前TI 公司推出的兼容BluetoothLE 协议的SoC
芯片CC254X 每片价格在7.6 元左右， 外接几个阻容器件构成的滤波电路和PCB 天线
即可实现网络节点的构建。Nodic的NRF51822也不过才10元人民币。
低功耗设计：蓝牙4.0 版本强化了蓝牙在数据传输上的低功耗性能，功耗较传统蓝
牙降低了90%。
☆传统蓝牙设备的待机耗电量一直是其缺陷之一，这与传统蓝牙技术采用16至32个
频道进行广播有很大关系，而低功耗蓝牙仅适用3 个广播通道，且每次广播时射频的开
启时间也有传统的22.5ms 减少到0.6~1.2ms，这两个协议规范的改变，大幅降低了因为
广播数据导致的待机功耗。
☆低功耗蓝牙设计用深度睡眠状态来替换传统蓝牙的空闲状态，在深度睡眠状态下，
主机Host 长时间处于超低的负载循环Duty Cycle 状态，只在需要运作时由控制器来启
动，由于主机较控制器消耗的能源更多，因此这样的设计也节省了更多的能源。
(3)快速启动、瞬间连接
此前蓝牙版本的启动速度非常缓慢，2.1 版本的蓝牙启动连接需要6s 时间，而蓝牙
4.0 版本仅需要3ms 即可完成，几乎是瞬间连接。
(4)传输距离极大提供
传统蓝牙传输距离一般2-10m，而蓝牙4.0 的有效传输距离可以达到60~100m，传
输距离提升了10 倍，极大开拓了蓝牙技术的应用前景。
(5)高安全性
为了保证数据传输的安全性，使用AES-128 CCM 加密算法进行数据包加密认证，对
于初学阶段，安全性问题可以暂时不考虑。
例如，一般情况下，市面上每节5 号电池的电量为1500mA．h，对于两节5 号电池
供电的终端节点而言，总电量为3000mAh，即电池以1mA 电流放电，可以连续放电3000h
（理论值），如果放电电流为100mA，则可以连续放电30h。
·终端节点在数据发送期间需要的瞬时电流是29mA；
·数据接收期间所需要的瞬时电流为24mA。
再加上各种传感器所需的工作电流，为了讨论问题方便，假设各种传感器所需的工作
电流为30mA（这个工作电流已经很大了），那么数据发送期间所需要的总电流为59mA，
数据接收期间所需要的总电流为54mA，为了讨论问题方便，总电流取60mA，表面上2 节
5 号电池可以供终端节点连续工作50h。
但是，对应实际系统，终端节点对数据的采集一般是定时采集，例如采集50s 数据，
由于温度变化减慢，所以可以在此假设终端节点每小时工作50s，定时采集，其他时间都
在休眠（其他时间都在休眠，休眠时工作电流在微安级'所以可以忽略不计）。
那么实际上情况是：系统采用2 节5 号电池供电，终端节点工作电流为60mA，每
小时工作50s（其他时间都在休眠，休眠时工作电流在微安级，所以可以忽略不计），可
以计算出2 节5 号电池可以供终端节点工作时间为：3600h=150 天，即大约半年时间，
这也就是很多介绍BLE 技术的书籍中提到的“对于BLE 终端节点使用2 节5 号电池供
电，可以工作半年的时间”的理论侬据。请读者注意，上述分析是针对的终端节点，对于
路由节点和协调器而言，要一直供电来确保数据的正确路由，所以一般不谈低功耗问题。
(3)高安全性
为了保证数据传输的安全性，可以使用AES-128 加密技术，但是对于初学阶段，安
全性问题可以不予考虑。
(4)低数据速率
无线控制系统对数据传输的可靠性和安全性、系统功耗和成本等方面有着特殊的要
求，因此，目前的无线网络协议没有很好地解决这些特殊的要求。

1.4 BLE 无线网络通信信道分析
天线对于无线通信系统来说至关重要，在日常生活中可以看到各式各样的天线，如手
机天线、电视接收天线等，天线的主要功能可以概括为：完成无线电波的发射与接收。发
射时，把高频电流转换为电磁波发射出去：接收时，将电磁波转换为高频电流。
如何区分不同的电波呢？
一般情况，不同的电波具有不同的频谱，无线通信系统的频谱有几十兆赫兹到几千兆
赫兹，包括了收音机、手机、卫星电视等使用的波段，这些电波都使用空气作为传输介质
来传播，为了防止不同的应用之间相互干扰，就需要对无线通信系统的通信信道进行必要
的管理。各个国家都有自己的无线电管理结构，如美国的联邦通信委员会(FCC)、欧洲的
电信标准委员会(ETSI)，我国的无线电管理机构称为中国无线电管理委员会，其主要职责
是负责无线电频率的划分、分配与指配、卫星轨道位置协调和管理、无线电监测、检测、
干扰查处，协调处理电磁干扰事宜和维护空中电波秩序等。
一般情况，使用某一特定的频段霈要得到无线电管理部门的许可，当然，各国的无线
电管理部门也规定了一部分频段是对公众开放的，不需要许可即可使用，以满足不同的应
用需求，这些频段包括ISM（Industrial. Scientific and Medical、工业、科学和医疗）
频带。
除了ISM 频带外，在我国，低于135kHz，在北美、日本等地，低于400kHz 的频带
也是免费频段。各国对无线频谱的管理不仅规定了ISM 频带的频率，同时也规定了在这
些频带上所使用的发射功率，在项目开发过程中，需要查阅相关的手册，如我国信息产业
部发布的《微功率（短距离）无线电设备管理规定》。
BLE 工作在ISM 频带，定义了两个频段，2.4GHz 频段和896/915MHz 频带。在
IEEE802.15.4 中共规定了27 个信道：
·在2.4GHz 频段，共有16 个信道，信道通信速率为250kbps：
·在915MHz 频段，共有10 个信道，信道通信速率为40kbps：
·在868MHz 频段，有1 个信道，信道通信速率为20kbpS。

BLE 工作在2.4GHz 频段，仅适用3 个广播通道，适用所有蓝牙规范版本通用的自
适应调频技术。
自适应调频技术是建立在自动信道质量分析基础上的一种频率自使用和功率自适应
控制相结合的技术，他能使调频通信过程中自动避开被干扰的调频频点并以最小的发射功
率、最低的被截获概率，达到在无干扰的调频信道上长时间保持优质通信的目的。

1.5 BLE 无线网络拓扑结构
BLE 网络可以点对点或者点对多点，一个ble 主机可以连接多个ble 从机，组成星
型网络，另外还有一种有广播设备和多个扫描设备组成的广播组结构，不同的网络拓扑对
应不同的应用领域。

1.6 BLE 技术的应用领域
一直以来，蓝牙技术在配件方面的应用都更受关注，但随着移动时代的迅猛发展，BLE
将会有更大的用武之地。事实上，BLE 的低功耗技术，在设计之初便主打医疗与健康监控
等特殊市场。而总的来说，蓝牙4.0 的发展方向将是运动管理、医疗健康照护、智能仪
表、智能家居以及各种物联网相关应用。
在医疗健康领域，过去不少健康类的应用都是基于蓝牙2.1 协议去做的，但因受限
于耗电问题而未能掀动太大波澜。BLE 化解这一难题后，市场被强力激活。如由英特尔发
起，并由许多不同医疗技术与保健机构成立的Continua 健康联盟，便已决议将BLE纳入
日后的标准传输技术中。现在市场上已有许多采用蓝牙2.1 规格的医疗产品，如血压计、
血糖仪等，未来，通过Continua 健康联盟正式认证的蓝牙4.0 规格的医疗类产品肯定
会越来越多。健康应用方面，BLE 也有广阔的市场空间，其可以与健身设备进行无缝结合，
人们在使用健身器材时，就能通过相关设备如计步器、脉搏机等来传送并记录运动情况进
入移动设备，保存个人的健康信息。
BLE 与安卓的结合更将对当下如火如荼的“物联网”起到推波助澜的作用。目前市场
上的所有智能设备都是物联网生态发展的推动力量， BLE 能够起到打通物联网的和传感
器设备之间的“关节”的节点作用，这将从关键意义上推动物联网的真正发展。由于蓝牙
技术一向关注上层应用，有统一标准，因此各种各样的底层硬件虽出自不同制造厂家，却
可以互联互通，能够形成完善的生态环境，为自身及物联网产品市场都创造了良好环境。
有分析认为，当BLE 把每个人的安卓或者其他移动设备变为一个传感器标签时，它
所能做的将不仅仅是通过应用软件去找东西，而是将拥有巨大的可拓展性，如它可以通过
App 和传感器来构建一个P2P 的网络以模拟GPS 的功能等。总之，当BLE 传感器无处
不在时，定然蕴藏着巨大商机。

1.7 CC254xEK 开发套件硬件资源概述
进行BLE 无线网络的开发，需要有相关的硬件和软件，在硬件方面，TI 公司已经推
出了完全支持BLUETOOTH-LE 协议的SoC-CC254X，同时也推出了相应的开发套件；但是
价格较高。不适合国内的学习环境，因此我们依照TI 官方开发板，在最大程度兼容TI 官
方的基础上，我们开发了CC254xDK（SmartRF 系列）开发套件。

POWER-LIU

沙发坐起，自己先顶一下！