藍(lán)牙：近距離通信之王

藍(lán)牙：近距離通信之王●“藍(lán)牙”的由來(lái)藍(lán)牙（Bluetooth）一詞，最早取自10世紀(jì)丹麥國(guó)王哈洛德·布美塔特（HaraldBlatand）的綽號(hào)—Bluetooth。據(jù)說(shuō)這位國(guó)王非常厲害，他將挪威、瑞典和丹麥統(tǒng)一起來(lái)，并且口齒伶俐、善于交際。而藍(lán)牙技術(shù)也是被定義為允許不同工業(yè)領(lǐng)域之間協(xié)調(diào)工作、保持各系統(tǒng)領(lǐng)域間良好交流的技術(shù)，因此，使用Bluetooth來(lái)表示非常適合。相比于其他包括無(wú)線技術(shù)紅外、無(wú)線2.4G、Wi-Fi等技術(shù)來(lái)說(shuō)，藍(lán)牙具有加密措施完善、傳輸過程穩(wěn)定以及兼容設(shè)備豐富等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前，藍(lán)牙符號(hào)也源自北歐盧恩符文“H”和“B”的合體（HaraldBluetooth）（如圖1）?！袼{(lán)牙技術(shù)的發(fā)展歷程藍(lán)牙技術(shù)一路走來(lái)，經(jīng)歷了多個(gè)版本的迭代。從最初的1.0到最新的5.0，藍(lán)牙技術(shù)發(fā)生了巨大變化，其性能也在不斷增強(qiáng)。1.藍(lán)牙1.0及以上版本2.藍(lán)牙2.0及以上版本藍(lán)牙2.0是藍(lán)牙1.2版本的改良提升版，其傳輸率約在1.8～2.1Mbps，可以有雙工的工作方式，既可以語(yǔ)音通信，也可以傳輸圖片等數(shù)據(jù)。藍(lán)牙2.0標(biāo)準(zhǔn)與藍(lán)牙1.2標(biāo)準(zhǔn)的差別很大，改進(jìn)也很多。例如，藍(lán)牙2.0標(biāo)準(zhǔn)能夠提高3倍數(shù)據(jù)傳輸速度，理想情況下更可高達(dá)10倍，全面支持每秒4M、8M和12M的傳輸速率;藍(lán)牙2.0標(biāo)準(zhǔn)的能耗也大大降低，可以在電力一定的基礎(chǔ)上運(yùn)轉(zhuǎn)更長(zhǎng)時(shí)間;另外，還大大增加了連接設(shè)備的數(shù)量。藍(lán)牙2.0標(biāo)準(zhǔn)除了軟件上的改革，藍(lán)牙2.0標(biāo)準(zhǔn)還針對(duì)硬件總線結(jié)構(gòu)的革新來(lái)提升傳輸速度，從而在本質(zhì)上提高了數(shù)據(jù)傳輸速度。藍(lán)牙2.1在很多地方做了技術(shù)改進(jìn)。例如，藍(lán)牙2.1將裝置之間相互確認(rèn)的信號(hào)發(fā)送時(shí)間間隔從舊版的0.1秒延長(zhǎng)到0.5秒左右，如此可以讓藍(lán)牙芯片的工作負(fù)載大幅降低，讓藍(lán)牙有更多的時(shí)間徹底休眠。根據(jù)官方報(bào)告，采用此技術(shù)之后，藍(lán)牙裝置在開啟藍(lán)牙聯(lián)機(jī)之后的待機(jī)時(shí)間可以有效延長(zhǎng)5倍以上。再如，藍(lán)牙2.1支持通過NFC（NearFieldCommunication，近場(chǎng)通信）進(jìn)行配對(duì)，只需要將兩個(gè)藍(lán)牙設(shè)備靠近，按下一個(gè)鍵就可以配對(duì)，配對(duì)密碼將通過NFC進(jìn)行傳輸，無(wú)需手動(dòng)輸入。兩個(gè)設(shè)備中一個(gè)必須內(nèi)置主動(dòng)NFC芯片，另一個(gè)內(nèi)置被動(dòng)NFC芯片，即可實(shí)現(xiàn)無(wú)人為干擾和操作的自動(dòng)配對(duì)。這種方式大大簡(jiǎn)化了藍(lán)牙設(shè)備的日常使用，不過正是由于免除了配對(duì)驗(yàn)證的過程有可能帶來(lái)的藍(lán)牙溝通的安全隱患，所以，藍(lán)牙2.1標(biāo)準(zhǔn)中也針對(duì)安全進(jìn)行了很大的改善，使我們?cè)跓o(wú)人操作自動(dòng)配對(duì)的情況下依然可以安全訪問資源，不會(huì)造成隱私信息的隨意泄露。3.藍(lán)牙3.0及以上版本4.藍(lán)牙4.0及以上版本5.藍(lán)牙5.0及以上版本●藍(lán)牙技術(shù)的工作原理藍(lán)牙設(shè)備使用無(wú)線電波（而非電線或電纜）連接手機(jī)和計(jì)算機(jī)。當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備之間想要相互交流時(shí)，它們需要進(jìn)行配對(duì)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境創(chuàng)建成功，一臺(tái)設(shè)備作為主設(shè)備，而所有其他設(shè)備作為從設(shè)備。藍(lán)牙設(shè)備之間的通信就是在短程的臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)（指設(shè)備使用藍(lán)牙技術(shù)連接而成的網(wǎng)絡(luò)）中進(jìn)行。常見的藍(lán)牙技術(shù)有三種，分別是BR/EDR（基本速率/增強(qiáng)數(shù)據(jù)率技術(shù)）技術(shù)、BLE（低功耗技術(shù)）和融合上述兩種技術(shù)的雙模式技術(shù)。其中，BR/EDR技術(shù)能夠建立相對(duì)短程、持續(xù)的無(wú)線連接，是播放音頻流的理想之選，一般用于揚(yáng)聲器和耳機(jī)等產(chǎn)品;而BLE技術(shù)允許快速進(jìn)行相對(duì)遠(yuǎn)程的無(wú)線連接，為不需持續(xù)連接且所需電池壽命長(zhǎng)的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用的理想選擇，常用于市面上的最新產(chǎn)品中，如手環(huán)、Beacon感應(yīng)器（通過藍(lán)牙技術(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)的小型發(fā)射器）和智能家居設(shè)備。1.藍(lán)牙的系統(tǒng)構(gòu)成藍(lán)牙技術(shù)核心系統(tǒng)包括無(wú)線射頻單元、基帶與鏈路控制單元及藍(lán)牙協(xié)議堆棧三個(gè)方面（如圖2）。該系統(tǒng)可以提供設(shè)備連接服務(wù)，并支持在這些設(shè)備之間交換各種類別的數(shù)據(jù)。（1）無(wú)線射頻單元。主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)和語(yǔ)音的發(fā)送和接收，特點(diǎn)是短距離、低功耗。藍(lán)牙天線一般體積小、重量輕，屬于微帶天線。（2）基帶與鏈路控制單元。進(jìn)行射頻信號(hào)與數(shù)字或語(yǔ)音信號(hào)的相互轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)基帶協(xié)議和其他的底層連接規(guī)程。還有一個(gè)鏈路管理，負(fù)責(zé)管理藍(lán)牙設(shè)備之間的通信，實(shí)現(xiàn)鏈路的建立、驗(yàn)證、鏈路配置等操作。（3）藍(lán)牙協(xié)議堆棧。藍(lán)牙協(xié)議相對(duì)復(fù)雜，藍(lán)牙協(xié)議體系中的協(xié)議按SIG的關(guān)注程度分為四層（如上頁(yè)圖3）：①核心協(xié)議，包含BaseBand、LMP、L2CAP、SDP等;②電纜替代協(xié)議，包含RFCOMM;③電話傳送控制協(xié)議，包含TCS-Binary、AT命令集;④選用協(xié)議，包含PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard、vCal、IrMC、WAE等。除上述協(xié)議層外，規(guī)范還定義了主機(jī)控制器接口（HCI），它為基帶控制器、連接管理器、硬件狀態(tài)和控制寄存器提供命令接口。藍(lán)牙核心協(xié)議由SIG制定的藍(lán)牙專用協(xié)議組成。絕大部分藍(lán)牙設(shè)備都需要核心協(xié)議（加上無(wú)線部分），而其他協(xié)議則根據(jù)應(yīng)用的需要而定?？傊娎|替代協(xié)議、電話控制協(xié)議和其他可能被采用的協(xié)議在核心協(xié)議基礎(chǔ)上構(gòu)成了面向應(yīng)用的協(xié)議。2.藍(lán)牙的硬件接口一般來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕泳€方式，大體上就是兩種：一種是并行接口，另一種是串行接口。并行接口是用并行方式來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的接口。數(shù)據(jù)通過并行線進(jìn)行傳送，這樣數(shù)據(jù)傳送速度大大提高，但并行傳送的線路長(zhǎng)度受到限制，因?yàn)殚L(zhǎng)度增加，干擾也會(huì)增加，數(shù)據(jù)也就容易出錯(cuò)。串行接口是指數(shù)據(jù)在有限的幾個(gè)IO上按照順序，一位一位地進(jìn)行傳輸。這類接口有很多，一般包括UART、IIC、SPI、CAN、USB等。藍(lán)牙與主控部分硬件接口比較簡(jiǎn)單，主要分三部分，如圖4所示。（1）UART部分，是串行接口：主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸;有其他USB、SDIO、PCcard等通信，全稱是通用異步收發(fā)傳輸器（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter），硬件接口比較簡(jiǎn)單，只有RX、DX。UART0用于trout芯片的debug：是傳輸數(shù)據(jù)的接口，可以傳輸音頻數(shù)據(jù)和文件數(shù)據(jù)。當(dāng)通過藍(lán)牙和別人互傳文件時(shí)，就用UART傳輸。數(shù)據(jù)傳輸如下頁(yè)圖5所示：ApplicationProcessor應(yīng)用處理器（簡(jiǎn)稱AP）通過UART把數(shù)據(jù)發(fā)送到BT芯片中，再通過無(wú)線發(fā)射出去，對(duì)方接收到后繼續(xù)傳給AP處理。當(dāng)用藍(lán)牙耳機(jī)聽音樂時(shí)，音頻信號(hào)也由UART傳輸。音樂數(shù)據(jù)通過UART傳送出去，對(duì)方耳機(jī)接收到后解碼播放。如果是錄音數(shù)據(jù)，則同樣傳回手機(jī)端存儲(chǔ)。（2）PCM部分，語(yǔ)言接口：主要用于通話時(shí)語(yǔ)音數(shù)據(jù)傳輸;全稱是脈沖編碼調(diào)制（PulseCodeModulation），是傳輸語(yǔ)音信號(hào)所使用的調(diào)制方式。其主要用途是傳輸通話時(shí)的語(yǔ)音信號(hào)。脈沖調(diào)制就是把一個(gè)時(shí)間連續(xù)、取值連續(xù)的模擬信號(hào)變換成時(shí)間離散，取值離散的數(shù)字信號(hào)后在信道中傳輸。脈沖編碼調(diào)制就是對(duì)模擬信號(hào)先抽樣，再對(duì)樣值幅度量化、編碼的過程。一個(gè)模擬信號(hào)經(jīng)過抽樣量化后，得到已量化的脈沖幅度調(diào)制信號(hào)，它僅為有限個(gè)數(shù)值。對(duì)于打電話來(lái)說(shuō)，規(guī)定抽樣率是8KHz，每抽樣值編碼8位，即共有28=256個(gè)量化值。（3）Power部分：是BT模塊的電源控制部分，這是程序?qū)?yīng)引腳按Poweron/off時(shí)序來(lái)完成on/off操作。同其他硬件一樣，這也是通過時(shí)序控制的。●藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域1.藍(lán)牙在手機(jī)（平板電腦）中的應(yīng)用在手機(jī)（平板電腦）中，藍(lán)牙的作用主要包含傳輸文件、共享網(wǎng)絡(luò)、傳輸信號(hào)等。第一，在網(wǎng)絡(luò)還沒有那么發(fā)達(dá)的時(shí)候，使用手機(jī)藍(lán)牙來(lái)傳輸文件是非常方便的，可以用來(lái)傳輸手機(jī)中的照片、視頻、通訊錄等數(shù)據(jù);第二，手機(jī)藍(lán)牙也可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享，只需要用藍(lán)牙連接兩部手機(jī)之后，通過藍(lán)牙共享網(wǎng)絡(luò)就能夠?qū)崿F(xiàn)手機(jī)網(wǎng)絡(luò)共享;第三，手機(jī)使用藍(lán)牙來(lái)傳輸信號(hào)，如無(wú)線藍(lán)牙耳機(jī)，就是用藍(lán)牙來(lái)傳輸手機(jī)的聲音信號(hào);第四，使用共享單車時(shí)，可以使用手機(jī)藍(lán)牙進(jìn)行解鎖。2.藍(lán)牙在筆記本電腦中的應(yīng)用現(xiàn)在筆記本電腦上都會(huì)有藍(lán)牙，通過藍(lán)牙可以實(shí)現(xiàn)電腦+手機(jī)、電腦+電腦、電腦+其他設(shè)備的連接，以此來(lái)傳輸文件。如果需要連接藍(lán)牙，可以在電腦系統(tǒng)的右下角狀態(tài)欄中設(shè)置“添加設(shè)備”（如果是Win10操作系統(tǒng)，可以在右下角的通知中心下方開啟），就可以搜索到其他已經(jīng)打開的藍(lán)牙設(shè)備了。特別是電腦連接外接設(shè)備，如鼠標(biāo)、鍵盤、耳機(jī)、音響等，都是非常實(shí)用的。3.藍(lán)牙在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的應(yīng)用藍(lán)牙技術(shù)可以減少和其他