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  • 蓝牙开发相关概念

    2016-09-12 14:29:23
    蓝牙实际上分为了三类:单模、双模和经典,最官方的蓝牙版本称呼就是,单模蓝牙、双模蓝牙和经典蓝牙。 单模 双模 经典 单模 LE LE 无 双模 LE 经典 经典 经典 无 经典 ...

    一.蓝牙种类。

    1.蓝牙分类

    完整的蓝牙4.0规范中实际上包括有经典蓝牙和低功耗蓝牙这两个部分。蓝牙实际上分为了三类:单模、双模和经典,最官方的蓝牙版本称呼就是,单模蓝牙、双模蓝牙和经典蓝牙。

      单模 双模 经典
    单模 LE LE
    双模 LE 经典 经典
    经典 经典 经典

    2.蓝牙适用场景

    经典蓝牙:
    蓝牙最初的设计意图,是打电话放音乐。3.0版本以下的蓝牙,都称为“经典蓝牙”。功耗高、传输数据量大、传输距离只有10米。传声音的,用经典蓝牙,如蓝牙耳机、蓝牙音箱。蓝牙设计的时候就是为了传声音的,所以是近距离的音频传输的不二选择。传大量数据:如某些工控场景,使用Android或Linux主控,外挂蓝牙遥控设备的,可以使用经典蓝牙里的SPP协议,当作一个无线串口使用。速度比BLE传输快多了。
    低功耗蓝牙:
    就是BLE,通常说的蓝牙4.0(及以上版本)。低功耗,数据量小,距离50米左右。电池供电、连手机APP的,用BLE:如共享单车锁、蓝牙智能锁、蓝牙防丢器、蓝牙室内定位,是目前手机和智能硬件通信的性价比最高的手段。直线距离约50米,一节5号电池能用一年,传输模组成本10块钱,远比WIFI、4G等大数据量的通信协议更实用。
    双模蓝牙:
    又要声音又要数据的,用双模蓝牙:双模蓝牙,就是同时支持经典蓝牙音频和低功耗蓝牙。如智能电视遥控器、降噪耳机等。很多智能电视配的遥控器带有语音识别,需要用经典蓝牙才能传输声音

    3.工具

    推荐你使用腾讯的AirSyncDebugger APP来确认你的蓝牙耳机是否是BLE:
    AirSync协议调试工具

    一.蓝牙概念。

    1.central(中心设备)和peripheral(外围设备)

    蓝牙在应用开发过程中,有两种角色,分别是central和peripheral,中文就是范制定了两种不同的UUID,一种是基本的UUID,一种是代替基本UUID的16位UUID。所有的蓝牙技术联盟定义UUID共用了一个基本的UUID:
    0x0000xxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB
    为了进一步简化基本UUID,每一个蓝牙技术联盟定义的属性有一个唯一的16位UUID,以代替上面的基本UUID的‘x’部分。例如,心率测量特性使用0X2A37作为它的16位UUID,因此它完整的128位UUID为:
    0x00002A37-0000-1000-8000-00805F9B34FB中心和外设。比如手机去连接智能设备,那手机就是central,智能设备就是peripheral。大多时候都是central去连接peripheral的场景,所以我们就来说他的流程。

    2.广播和连接

    peripheral会发出广播(advertisement),central扫描到广播后,可以对设备进行连接,发出connect请求,peripheral接收到请求并同意连接后,central和peripheral就建立了连接。
    Service
    一个低功耗蓝牙设备可以定义许多 Service, Service 可以理解为一个功能的集合。设备中每一个不同的 Service 都有一个 128 bit 的 UUID 作为这个 Service 的独立标志。蓝牙核心规
    Characteristic
    在 Service 下面,又包括了许多的独立数据项,我们把这些独立的数据项称作 Characteristic。同样的,每一个 Characteristic 也有一个唯一的 UUID 作为标识符。,建立蓝牙连接后,我们说的通过蓝牙发送数据给外围设备就是往这些 Characteristic 中的 Value 字段写入数据;外围设备发送数据给手机就是监听这些 Charateristic 中的 Value 字段有没有变化,如果发生了变化,手机的 BLE API 就会收到一个监听的回调。包含在服务下, 描述该服务下特定的功能的, 一般拥有多个characteristic, 而且characteristic有类型, 读(read), 写(write), 通知(notify)等
    UUID(Universally Unique Identifier)
    设备的每一个service有他相应的UUID, 同时每一个characteristic也有相应的UUID
    流程概览
    service and characteristic 每个设备会提供服务和特征,类似于服务端的api,但是机构不同。每个外设会有很多服务,每个服务中包含很多字段,这些字段的权限一般分为 读read,写write,通知notiy几种,就是我们连接设备后具体需要操作的内容。

    三.开发流程

    1. 建立中心角色

    2. 扫描外设(discover)

    3. 连接外设(connect)

    4. 扫描外设中的服务和特征(discover)

    4.1 获取外设的services

    4.2 获取外设的Characteristics,获取Characteristics的值,获取Characteristics的Descriptor和Descriptor的值

    5. 与外设做数据交互(explore and interact)

    6. 订阅Characteristic的通知

    7. 断开连接(disconnect)

    展开全文
  • 在低功耗蓝牙方面工作的人们都使用他们自己的术语来描述一些技术特征和规范,下面介绍几个相关术语:自适应跳频(Adaptive Frequency Hopping, AFH):一种使用某个频率子集的技术,使设备可以避免其他非自适应技术...
  • 蓝牙基础概念

    千次阅读 2019-06-22 11:24:52
    本篇文章很多内容摘抄自蜗窝科技的蓝牙...自1994年由爱立信推出至今,蓝牙技术已经走过了20多个岁月。从最初的Bluetooth V1.0,到Bluetooth V5.0,经历了近10多个版本的修订后,发展为当前的状况。 如今的蓝牙,像一...

    本篇文章很多内容摘抄自蜗窝科技的蓝牙协议分析!

    1. 蓝牙发展过程

    自1994年由爱立信推出至今,蓝牙技术已经走过了20多个岁月。从最初的Bluetooth V1.0,到Bluetooth V5.0,经历了近10多个版本的修订后,发展为当前的状况。

    如今的蓝牙,像一个大杂烩:BR/EDR沿用旧的蓝牙规范;LE抄袭802.15.4;AMP直接使用802.11。而这一切的目的,就是以兼容性和易用性为基础,在功耗和传输速率之间左右为难,这并不是优雅的设计。

    版本 规范发布时间 增强功能
    0.7 1998.10.19 Baseband、LMP
    0.8 1999.01.21 HCI、L2CAP、RFCOMM
    0.9 1999.04.30 OBEX于IrDA的互通性
    1.0 Draft 1999.07.05 SDP、TCS
    1.0 A 1999.07.26 第一个正式版本
    1.0 B 2000.10.01 安全性,厂商设备之间连接兼容性
    1.1 2001.02.22 IEEE 802.15.1
    1.2 2003.11.05 快速连接、自适应跳频、错误检查、流程控制和同步能力
    2.0+EDR 2004.11.09 EDR传输率提升至2-3Mbps
    2.1+EDR 2007.07.26 扩展查询响应、简易安全配对、暂停与继续加密、Sniff省电
    3.0+HS 2009.04.21 交替射频技术(AMP)、802.11协议适配层、电源管理、取消了UMB的应用
    4.0+BLE 2010.06.30 低功耗物理层和链路层、AES加密、ATT、GATT和SM等
    4.1 2013.13.03 与4G不构成干扰,通过IPV6连接到网络,可同步发送和接收数据
    4.2 2014.12.04 数据传输更快、隐私功能更强大,支持6LoWPAN
    5.0 2016.06.16 更快的传输速度,更远的传输距离,更低的功耗,导航功能,物联网功能

    2. 蓝牙技术的概述

    2.1 两种蓝牙技术:Basic Rate(BR)和Low Energy(LE)

    蓝牙协议包括两种技术:Basic Rate(简称BR)和Low Energy(简称LE)。这两种技术,都包括搜索(discovery)、连接(connection)等机制,但它们是不能互通的。
    如果厂商要确保能和所有的蓝牙设备互通,那么就只能同时实现两种技术。可以说BR和LE是完全不同的两种技术。

    2.1.1 Basic Rate(BR)

    Basic Rate是正宗的蓝牙技术,包括可选(optional)的EDR(Enhanced Data Rate)技术,以及交替使用的(Alternate)的MAC(Media Access Control)层和PHY层扩展(简称AMP)。
    说着很拗口,不过通过背后的应用场景,就好理解了:

    (1)蓝牙诞生之初,使用的是BR技术,此时蓝牙的理论传输速率只能达到721.2Kbps。在那个年代,56Kbps的Modem就是高大上了,这个速度可以说是惊为天人了啊!但是科技变化太快了,BR技术转眼就过时了。那怎么办呢?缝缝补补一下,增强速度呗,Enhanced Data Rate就出现了。
    (2)使用EDR技术的蓝牙,理论速率可以达到2.1Mbps。这一次的升级换代,还算优雅,因为没有改变任何的硬件架构、软件架构和使用方式上的改变。
    (3)也许你也猜到了,EDR又落伍了,看看人家WIFI(WLAN),几十Mbps,上百Mbps,咱们才2.1Mbps,也太寒酸了吧!那怎么办呢?蓝牙组织想了个坏主意:哎,WIFI!把你的物理层和MAC层借我用用呗!这就是AMP(Alternate MAC and PHY layer extension)。艾玛,终于松口气了,我们可以达到54Mbps了。
    (4)不过呢,由于蓝牙自身的物理层和AMP技术差异太明显了,这次扩展只能是交替使用(Alternate)的,也就是说,有我(BR/EDR)没你(AMP)。

    NOTE: 细心的读者可能会注意到,这里特别强调了optional和alternate这两个字眼,这是蓝牙Spec的原话。它意味着,BR和EDR是可以同时存在的,但BR/EDR和AMP只能二选一。

    2.1.2 Low Energy(LE)

    BR技术的进化路线,就是传输速率的加快、加快、再加快。但能量是守恒的,你想传的更快,代价就是消耗更多的能量。而有很多的应用场景,并不关心传输速率,反而非常关心功耗。这就是Bluetooth LE(称作蓝牙低功耗)产生的背景。

    LE技术相比BR技术,差异非常大,或者说就是两种不同的技术,凑巧都加一个“蓝牙”的前缀而已。后面我们会详细的解释这种差异,以及LE的行为特征。

    2.2 蓝牙系统的组成

    蓝牙系统的组成,涉及到Bluetooth Application、Bluetooth Core、Bluetooth Host、Bluetooth Controller等部分。从core5.0摘录的架构图如下:

    在这里插入图片描述
    (1)这几部分都是逻辑实体,而不是都能对应特定的硬件设备。所谓的“逻辑实体”,需要和日常生活中的“物理实体”区隔开。如在做电路设计时,一个蓝牙芯片、一个主控CPU,就是指物理实体。而蓝牙协议所描述的这些“逻辑实体”,不一定会和物理实体一一对应,如在实际应用中,Host和Bluetooth Application可能会位于同一个物理实体中(主控CPU),而Controller单独位于另一个物理实体中(蓝牙芯片)。
    (2)蓝牙协议规定了两个层次的协议,分别为蓝牙核心协议(Bluetooth Core)和蓝牙应用层协议(Bluetooth Application)。蓝牙核心协议关注对蓝牙核心技术的描述和规范,它只提供基础的机制,并不关心如何使用这些机制;蓝牙应用层协议,是在蓝牙核心协议的基础上,根据具体的应用需求,定义出的策略,如AVRCP、A2DP、HID等。
    (3)Bluetooth Core由两部分组成,Host和Controller。这两部分在不同的蓝牙技术中(BR/EDR、AMP、LE),承担角色略有不同,但大致的功能是相同的。Controller负责定义RF、Baseband等偏硬件的规范,并在这之上抽象出用于通信的逻辑链路(Logical Link);Host负责在逻辑链路的基础上,进行更为友好的封装,这样就可以屏蔽掉蓝牙技术的细节,让Bluetooth Application更为方便的使用。
    (4)在一个系统中,Host只有一个,但Controller可以一个,也可以有多个。如:单独的LE Controller;单独的BR/EDR Controller;单独的LE+BR/EDR Controller;在单独的BR/EDR Controller或LE+BR/EDR Controller基础上,增加一个或多个额外的AMP Controller。

    BR/EDR、AMP、BLE等技术有如下的特点:

    首先如下图总结:
    在这里插入图片描述

    (1)BR/EDR技术,侧重“点对点”通信,以至于虽然在协议的底层(如Logical Link)有提及多播(Unidirectional)和广播(Broadcast)的概念,但在上层的应用场景中,几乎不存在相应的应用。
    (2)随着物联网的发展,业界对简单的、不需要连接的多播或广播通信的需求越来越迫切,因此BLE技术在RF和Baseband的协议中,就做出了修改,以适应这种需求,即:修改原有的79个channel的跳频方式,将channel的个数减少为40个,并保留了不少于3个的固定channel,用于广播通信。为仅仅在剩下的37个data channel上跳频。
    (3)因为这种改变,原有的搜索/连接/配对等概念,在BLE上就不再存在了,取而代之的是Advertisor、Initiator等概念。但在之后的数据通信的层次上,尽量保持了一致。
    (4)对于AMP来说,是基于BR/EDR的controller,在完成通常的点对点连接之后,两个蓝牙设备商议,是否需要将后续的数据通信,转移至AMP controller上。这就是Bluetooth 3.0引入的AMP技术。

    2.3 功率

    蓝牙发射功率分三级:一级功率100mW(20dBm);二级功率2.5mW(4dBm);三级功率1mW(0dBm)

    3. 协议架构

    蓝牙协议是通信协议的一种,为了把复杂问题简单化,任何通信协议都具有层次性,特点如下:

    从下到上分层,通过层层封装,每一层只需要关心特定的、独立的功能,易于实现和维护;
    在通信实体内部,下层向上层提供服务,上层是下层的用户;
    在通信实体之间,协议仅针对每一层,实体之间的通信,就像每一层之间的通信一样,这样有利于交流、理解、标准化。

    在这里插入图片描述

    蓝牙协议分为四个层次:物理层(Physical Layer)、逻辑层(Logical Layer)、L2CAP Layer和应用层(APP Layer)。

    物理层,负责提供数据传输的物理通道(通常称为信道)。通常情况下,一个通信系统中存在几种不同类型的信道,如控制信道、数据信道、语音信道等等。
    逻辑层,在物理层的基础上,提供两个或多个设备之间、和物理无关的逻辑传输通道(也称作逻辑链路)。
    L2CAP层,L2CAP是逻辑链路控制和适配协议(Logical Link Control and Adaptation Protocol)的缩写,负责管理逻辑层提供的逻辑链路。基于该协议,不同Application可共享同一个逻辑链路。类似TCP/IP中端口(port)的概念。
    APP层,理解蓝牙协议中的应用层,基于L2CAP提供的channel,实现各种各样的应用功能。Profile是蓝牙协议的特有概念,为了实现不同平台下的不同设备的互联互通,蓝牙协议不止规定了核心规范(称作Bluetooth core),也为各种不同的应用场景,定义了各种Application规范,这些应用层规范称作蓝牙profile。

    在以上四个层次的基础上,蓝牙协议又将物理层和逻辑层划分了子层,分别是Physical Channel/Physical Links和Logical Transports/Logical Links,这一划分,相当使人崩溃,要多花费大量的脑细胞去理解它们,具体请参考下面的分析。

    3.1 物理层

    物理层负责提供数据传输的物理信道,蓝牙的物理层分为Physical Channel和Physical Links两个子层。我们先介绍Physical Channel。

    3.1.1 Physical Channel(物理信道)

    一个通信系统中通常存在多种类型的物理信道,蓝牙也不例外。蓝牙存在BR/EDR、LE和AMP三种技术,这三种技术在物理层的实现上就有很大的差异,下面让我们一一介绍。

    首先是相同点,BR/EDR、LE和AMP的RF都使用2.4GHz ISM(Industrial Scientific Medical) 频段,频率范围是2.400-2.4835 GHz。

    地理位置 ISM频段范围 射频信道频率
    中国、美国、欧洲 2400.0~2483.5MHz F=(2402+k)MHz,k在0、1、……78中随机取值
    法国 2446.5~2483.5MHz F=(2454+k)MHz,k在0、1、……22中随机取值
    日本 2471.0~2497.0MHz F=(2473+k)MHz,k在0、1、……22中随机取值
    西班牙 2445.0~2475.0MHz F=(2449+k)MHz,k在0、1、……22中随机取值

    NOTE: 不同国家和地区蓝牙的频率和信道分配情况是不同,本文所有的描述都以中国采用的“欧洲和美国”标准为准。

    我国的蓝牙频率在2.402GHz~2.483GHz,蓝牙每个频道的宽度为1MHz,为了减少带外辐射的干扰,保留上、下保护为3.5MHz和2MHz,79个跳频点中至少75个伪随机码跳动,30S内任何一个频点使用时长不能超过0.4S。

    除了相同点,剩下的都是不同点了。

    BR/EDR是传统的蓝牙技术,它这样定义物理信道:

    (1)ISM频率范围内被分成79个channel,每一个channel占用1M的带宽,在0 channel和78 channel之外设立guard band(保护带宽,Lower Guard Band为2MHz,Upper Guard Band为3.5MHz)。
    (2)采用跳频技术(hopping),也就是说,某一个物理信道,并不是固定的占用79个channel中的某一个,而是以一定的规律在跳动(该规律在技术上叫做"伪随机码",就是"假"的随机码)。因此蓝牙的物理信道,也可以称作跳频信道(hopping channel)。
    (3)BR/EDR技术定义了5种物理信道(跳频信道),BR/EDR Basic Piconet Physical Channel、BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel、BR/EDR Page Scan Physical Channel、BR/EDR Inquiry Scan Physical Channel和BR/EDR Synchronization Scan Channel。
    (4)BR/EDR Inquiry Scan Physical Channel用于蓝牙设备的发现操作(discovery),即我们常用的搜索其它蓝牙设备(discover)以及被其它蓝牙设备搜索(discoverable)。
    (5)BR/EDR Page Scan Physical Channel用于蓝牙设备的连接操作(connect),即我们常用的连接其它蓝牙设备(connect)以及被其它蓝牙设备连接(connectable)。
    (6)BR/EDR Basic Piconet Physical Channel和BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel主要用在处于连接状态的蓝牙设备之间的通信。它们的区别是,BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel使用较少的RF跳频点。BR/EDR Basic Piconet Physical Channel使用全部79个跳频点,而BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel是根据当前的信道情况使用79个跳频点中的子集,但是跳频数目也不能少于20个。这个主要是因为蓝牙使用ISM频段,当蓝牙和WIFI共存的时候,部分跳频点被WIFI设备占用而使得蓝牙设备在这些跳频点上的通信总是失败,因此,需要避过那些WIFI设备占用的频点。
    (7)BR/EDR Synchronization Scan Channel可用于无连接的广播通信,后续文章会详细介绍。
    (8)同一时刻,BT 设备只能在其中一个物理信道上通信,为了支持多个并行的操作,蓝牙系统采用时分方式,即不同的时间点采用不同的信道。

    LE是为蓝牙低功耗而生的技术,为了实现低功耗的目标,其物理信道的定义与BR/EDR有些差异:

    (1)ISM频率范围内被分成40个channel,每一个channel占用2M的带宽,在0 channel和39 channel之外设立guard band(保护带宽,Lower Guard Band为2MHz,Upper Guard Band为3.5MHz)。
    (2)LE技术定义了2种物理信道,LE Piconet channel和LE Advertisement Broadcast Channel。
    (3)LE Piconet Channel用在处于连接状态的蓝牙设备之间的通信,和BR/EDR一样,采用跳频技术。和BR/EDR不一样的地方是,只会在40个频率channel中的37个上面跳频。
    (4)LE Advertisement Broadcast Channel用于在设备间进行无连接的广播通信,这些广播通信可用于蓝牙的设备的发现、连接(和BR/EDR类似)操作,也可用于无连接的数据传输。
    (5)和BR/EDR一样,同一时刻,BT 设备只能在其中一个物理信道上通信,为了支持多个并行的操作,蓝牙系统采用时分方式,即不同的时间点采用不同的信道。

    AMP是为高速数据传输设计的技术,其物理层规范直接采用802.11(WIFI)的PHY规范,主要有如下特点:

    AMP物理信道只有一种,即AMP Physical Channel,主要用于已连接设备之间的数据通信,和BR/EDR技术中的BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel位于一个级别,可以互相切换使用。

    3.1.2 Physical Links(物理链路)

    由3.1.1的描述可知,蓝牙协议为BR/EDR、LE和AMP三种技术定义了8种类型的物理信道,包括:

    AMP physical channel
    BR/EDR Basic Piconet Physical Channel
    BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel
    BR/EDR Page Scan Physical Channel
    BR/EDR Inquiry Scan Physical Channel
    BR/EDR Synchronization Scan Channel
    LE Piconet Channel
    LE Advertisement Broadcast Channel

    而物理链路,则是对这些物理信道(主要是BR/EDR技术中的Basic Piconet Physical Channel和Adapted Piconet Physical Channel)的进一步封装,其主要特征是:

    (1)Physical Link是一个虚拟概念,不对应协议中任何的实体,数据包封包/解包的过程中不被体现。
    (2)AMP Physical Channel、LE Piconet Channel、LE Advertisement Broadcast Channel均有一个一一对应的Physical Link,分别是AMP Physical Link、LE Active Physical Link、LE Advertising Physical Channel。
    (3)BR/EDR Page Scan Physical Channel、BR/EDR Inquiry Scan Physical Channel、BR/EDR Synchronization Scan Channel只在特定时间段使用,且无法控制任何属性,因此不需要再Physical Link中体现。
    (4)BR/EDR Basic Piconet Physical Channel和BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel是BR/EDR技术中已连接设备之间进行数据通信的通道,且同一时刻只能根据应用场景选择一种channel进行数据传输。因此这两个channel被map到BR/EDR Active Physical Link、BR/EDR Parked Physical Link和BR/EDR Connectionless Slave Broadcast Physical Link三个物理链路上。
    (5)BR/EDR Active Physical Link和BR/EDR Parked Physical Link的抽象主要有两个方面的意义:
    (5-1)屏蔽底层的Basic/Adapted Piconet Physical Channel之间的差异,统一使用Physical Link取代。在需要的时候,可以通过上层的链路管理协议,指定使用哪一种physical channel(Basic or Adapted)。
    (5-2)可以通过Physical Link的抽象,控制Physical Channel的一些属性(如发射功率、收发周期等),以达到节省功耗的目的。而上面的层次(如逻辑层)不需要对这些动作知情。
    (6)BR/EDR Active Physical Link定义了连接状态的蓝牙设备在链路处于active状态时的物理链路,该物理链路对应的设备的发射功率是可修改的。
    (7)BR/EDR Parked Physical Link定义了连接状态的蓝牙设备在链路处于parked状态时的物理链路。parked状态是一种特殊的连接状态,连接双方没有正在进行的数据传输,所有的链路消耗,都是为保持连接所做的事情。此时可以通过降低在物理信道上的收发频率而降低功耗。该物理链路和BR/EDR Active Physical Link使用相同的物理信道。
    (8)BR/EDR Connectionless Slave Broadcast Physical Link使用BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel,用于一点到多点的广播通信。
    (9)由上面的描述可知,物理链路这一层抽象,实在是可有可无,希望大家不要纠结,知道怎么回事即可。

    3.2 逻辑层

    逻辑层的主要功能,是在已连接(LE Advertisement Broadcast可以看做一类特殊的连接)的蓝牙设备之间,基于物理链路,建立逻辑信道。所谓的逻辑信道,和城市道路上的车道类似:

    一条城市道路可以看做一个物理链路(可能有两个方向,我们只考虑其中一个即可),该物理链路根据行车用途,可以划分为多个逻辑信道,如直行车道、右转车道、左转车道、掉头车道、快速车道、慢速车道等等

    这里的车道(逻辑信道),从物理角度看,并没有什么分别,只是为了方便交通(数据传输),人为的抽象出来的。和车道类似,蓝牙逻辑信道的划分依据是传输类型,主要包括下面3类(即Logical Link):

    (1)用于管理底层物理链路的控制类传输,包括AMP-C、ACL-C、PSB-C、LE-C、ADVB-C。
    (2)传输用户数据的用户类传输,包括AMP-U、ACL-U、PSB-U、LE-U、ADVB-U。
    (3)其它比较特殊的传输类型,包括流式传输(stream)、PBD(Profile Broadcast Data)。

    以上每种Logic Link都会在下层对应一个Logical Transport,这些Logical Transport具有一些属性值,如流控、应答/重传机制等。如下:

    AMP ACL(Asynchronous Connection-Oriented Link),基于AMP技术的、面前连接的、异步传输链路,为AMP-U提供服务。
    BR/EDR ACL,基于BR/EDR技术的ACL链路,为ACL-C、ACL-U提供服务。
    SCO/eSCO(Synchronous Connection-Oriented/Extended SCO),基于BR/EDR技术的、面向连接的、同步传输链路,为stream类型的Logical Link提供服务。
    ASB(Active Slave Broadcast)、PSB(Parked Slave Broadcast),基于BR/EDR技术的、面向连接的广播传输链路,为ACL-U、PSB-U、PSB-C提供服务。
    CSB(Connectionless Slave Broadcast),基于BR/EDR技术的、无连接的广播链路,为PBD提供服务。
    LE ACL,基于LE技术的、面前连接的、异步传输链路,为LE-U、LE-C提供服务。
    ADVB(Advertising Broadcast),基于LE技术的、广告/广播链路,为ADVB-U、ADVB-C提供服务。
    AMP-C没有对应的Logical Transport,而是直接控制AMP Physical Link完成所需功能。

    3.3 L2CAP Channels

    L2CAP是Logical Link Control and Adaptation Protocol(逻辑链路控制和适配协议)的缩写,蓝牙协议到这个层次的时候,就清爽多了:

    对下,它在用户类XXX-U Logical Link的基础上,抽象出和具体技术无关的数据传输通道(包括单播和广播两类),至此用户就不再需要关心繁杂的蓝牙技术细节。

    对上,它以L2CAP channel endpoints的概念(类似TCP/IP中的端口),为具体的应用程序(profile)提供独立的数据传输通道(当然,也是一个逻辑通道)。

    3.4 Profiles

    profile是蓝牙Application的代指,也可以翻译为服务,为了实现不同平台下的不同设备的互联互通,蓝牙协议为各种可能的、有通用意义的应用场景,都制定的了规范,如SPP、HSP、HFP、FTP、IPv6/6LoWPAN等等。

    Profiles基于L2CAP提供的L2CAP channel endpoints实现,在它们对应的层次上进行数据通信,以完成所需功能。有关蓝牙profile的介绍,会在后续文章中陆续给出,这里就不再详细说明了。


    转载自:
    作者:yk150915
    来源:CSDN
    原文:https://blog.csdn.net/yk150915/article/details/86437776
    版权声明:本文为博主原创文章,转载请附上博文链接!

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  • 蓝牙Mesh基本概念

    2020-05-12 11:35:24
    (原文地址:https://blog.csdn.net/JaLLs/article/details/88864967) Sig Mesh 就是蓝牙技术联盟统一推出的Mesh公有协议(基于CSR),Sig Mesh有三种类型地址,唯一地址(元素使用的unicast address)、虚拟地址、...

    本文基本内容来自几位大牛的博客,顺便加上了个人见解,记录于此是怕时间一久忘记。

    Mesh走的是Becon广播交互,本身不连接,通过互相扫描和广播来交互。

    低功耗节点(LPN)是Mesh里面最基础的节点,类似于BLE设备;friend节点用来存储发往低功耗节点(LPN)的消息和安全更新,一般没有功耗限制;中继节点用来传递消息;代理节点处理gatt和mesh网络之间的消息。

    元素

    每个节点有一个或多个元素(必须有一个主元素),例如,一个Mesh灯节点,灯的开关(主元素),灯的颜色(其它元素1),灯的亮度(其它元素2)。节点中的每个元素都有一个唯一的地址,称为单播地址(unicast address),使每个元素都有址可寻,例如在Mesh底层代码里控制灯开关、颜色、亮度都是分配了不同地址来处理。 

    一个元素里最少拥有一个Model,一个Model里面可以有多个元素状态(元素和元素状态是两回事,例如灯的开关这个功能是元素,灯打开或者灯关闭是元素状态,而model就是这个定义了这个元素状态可以被改变还是只可以读)。

    (原文地址:https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA4MTg3MTg2Mg==&mid=2651236886&idx=2&sn=12a439d75fffd15d2e837ec339e5cbb2&chksm=847c5c8fb30bd5996515ce0f35f85645c2e1952b3d519a8a51c0788009ce1ceee8892f92c5ab&scene=21#wechat_redirect

    Model

    model 有三种类型:control 、server 和client ,这里面control包含了server和client ,model相当于一个节点的功能;

    Server model: 定义了状态states, 状态转换 state transitions, 状态绑定state bindings 和包含了哪些消息,当然也同样定义了与这些消息,状态,状态转换相关的行为Behaviors。

    Control model:具备client model的功能与其他的server model进行交互,同时也可以有server model功能与其他client model进行交互。内置了逻辑控制层(一套规则和行为在各个与之连接的模型中进行协调交互)。

    Client model: 没有定义任何的状态States,但是它定义了要收发哪些消息。定义这些消息是为了GET,SET或者获取在Server models里面定义的状态。

    比如,定义一个灯的开关状态,那么拥有这个状态(可以被开关)的叫做server model,去查询、接收或者设置这个状态的叫做client model,同时拥有这两个功能的叫做control model。一个节点可以有多个model,就相当于BLE里面的服务(profile)。

    (原文地址:https://blog.csdn.net/JaLLs/article/details/88864967

    Sig Mesh

    就是蓝牙技术联盟统一推出的Mesh公有协议(基于CSR),Sig Mesh有三种类型地址,唯一地址(元素使用的unicast address)、虚拟地址、组地址,所以一般是用唯一地址来判断是哪个设备。

     

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  • 蓝牙的基本概念以及发展轨迹 - 蓝牙的前生后世

    千次阅读 多人点赞 2020-07-20 18:01:58
    第一篇:蓝牙综合介绍 ,主要介绍蓝牙的一些概念,产生背景,发展轨迹,市面蓝牙介绍,以及蓝牙开发板介绍。 第二篇:Transport层介绍,主要介绍蓝牙协议栈跟蓝牙芯片之前的硬件传输协议,比如基于UART的H4,H5,BCSP,...

    一. 声明

    本专栏文章我们会以连载的方式持续更新,本专栏计划更新内容如下:

    第一篇:蓝牙综合介绍 ,主要介绍蓝牙的一些概念,产生背景,发展轨迹,市面蓝牙介绍,以及蓝牙开发板介绍。

    第二篇:Transport层介绍,主要介绍蓝牙协议栈跟蓝牙芯片之前的硬件传输协议,比如基于UART的H4,H5,BCSP,基于USB的H2等

    第三篇:传统蓝牙controller介绍,主要介绍传统蓝牙芯片的介绍,包括射频层(RF),基带层(baseband),链路管理层(LMP)等

    第四篇:传统蓝牙host介绍,主要介绍传统蓝牙的协议栈,比如HCI,L2CAP,SDP,RFCOMM,HFP,SPP,HID,AVDTP,AVCTP,A2DP,AVRCP,OBEX,PBAP,MAP等等一系列的协议吧。

    第五篇:低功耗蓝牙controller介绍,主要介绍低功耗蓝牙芯片,包括物理层(PHY),链路层(LL)

    第六篇:低功耗蓝牙host介绍,低功耗蓝牙协议栈的介绍,包括HCI,L2CAP,ATT,GATT,SM等

    第七篇:蓝牙芯片介绍,主要介绍一些蓝牙芯片的初始化流程,基于HCI vendor command的扩展

    第八篇:附录,主要介绍以上常用名词的介绍以及一些特殊流程的介绍等。

    另外,开发板如下连接红字,对于想学习蓝牙协议栈的最好人手一套。以便更好的学习蓝牙协议栈,相信我,学完这一套视频你将拥有修改任何协议栈的能力(比如Linux下的bluez,Android下的bluedroid)。

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    CSDN学院链接(进入选择你想要学习的课程):https://edu.csdn.net/lecturer/5352?spm=1002.2001.3001.4144

    蓝牙交流扣扣群:970324688

    Github代码:https://github.com/sj15712795029/bluetooth_stack

    入手开发板:https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.1-c-s.w4004-22329603896.18.5aeb41f973iStr&id=622836061708

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    另外,欢迎关注公众号,我会定期推送干货给你们

    二. 前言

    首先在介绍以下内容之前,我们先来介绍下我们的CSDN课程,以下介绍内容都会在 CSDN课程 手把手教你蓝牙协议栈入门(点击我)中第二小节介绍。

    三. 蓝牙概念

    蓝牙,是一种支持设备短距离通信(一般10m内)的无线电技术,能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术,能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信,也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信,从而数据传输变得更加迅速高效,为无线通信拓宽道路。

    蓝牙作为一种小范围无线连接技术,能在设备间实现方便快捷、灵活安全、低成本、低功耗的数据通信和语音通信,因此它是目前实现无线个域网通信的主流技术之一。与其他网络相连接可以带来更广泛的应用。是一种尖端的开放式无线通信,能够让各种数码设备无线沟通,是无线网络传输技术的一种,原本用来取代红外。

    蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范,它以低成本的近距离无线连接为基础,为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的无线电空中接口(Radio Air Interface),将通信技术与计算机技术进一步结合起来,使各种3C设备在没有电线或电缆相互连接的情况下,能在近距离范围内实现相互通信或操作。简单的说,蓝牙技术是一种利用低功率无线电在各种3C设备间彼此传输数据的技术。蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工业、科学、医学)频段,使用IEEE802.11协议。作为一种新兴的短距离无线通信技术,正有力地推动着低速率无线个人区域网络的发展。

    四. 蓝牙的产生背景

    “蓝牙”的形成背景是这样的: 1998 年 5 月,爱立信、诺基亚、东芝、 IBM和英特尔公司等五家著名厂商, 在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术,其宗旨是提供一种短距离、 低成本的无线传输应用技术。 这五家厂商还成立了蓝牙特别兴趣组, 以使蓝牙技术能够成为未来的无线通信标准。 芯片霸主 Intel 公司负责半导体芯片和传输软件的开发,爱立信负责无线射频和移动电话软件的开发, IBM 和东芝负责笔记本电脑接口规格的开发。 1999 年下半年,著名的业界巨头微软、摩托罗拉、三星、朗讯与蓝牙特别小组的五家公司共同发起成立了蓝牙技术推广组织,从而在全球范围内掀起了一股“蓝牙”热潮。全球业界即将开发一大批蓝牙技术的应用产品, 使蓝牙技术呈现出极其广阔的市场前景,并预示着 21 世纪初将迎来波澜壮阔的全球无线通信浪潮。

    关于蓝牙这个名字的由来还有一个小故事。 “蓝牙” 这名称来自 10 世纪的丹麦国王哈拉尔德 (Harald Gormsson) 的外号。出身海盗家庭的哈拉尔德统一了北欧四分五裂的国家,成为维京王国的国王。 由于他喜欢吃蓝莓, 牙齿常常被染成蓝色,而获得“蓝牙”的绰号,当时蓝莓因为颜色怪异的缘故被认为是不适合食用的东西,因此这位爱尝新的国王也成为创新与勇于尝试的象征。 1998 年,爱立信公司希望无线通信技术能统一标准而取名“蓝牙” 。

    随着蓝牙技术由手机、 游戏、耳机、 便捷式电能和汽车等传统应用领域向物联网、医疗等新领域扩展,市场对低功耗的要求越来越高。蓝牙 4.0 协议版本是蓝牙 3.0 高速版本基础上增加了低能消耗协议部分。 嵌入式设备在很多应用场景要求能耗非常低,传输速率要求也不高,对于这类设备,可以仅实现 4.0 协议中低耗能蓝牙部分,通过与支持双模的主机设备进行通信或者跟同类设备通信。

    由于蓝牙 4.0 协议拥有极低的运行和待机功耗, 使用一粒纽扣电池甚至可持续工作数年之久;同时还有低成本、 跨厂商互操互作性、 2 毫秒低延迟、 AES-128加密等诸多特色,可以广泛应用于计步器、心律监视器、智能仪表、传感器物联网等众多领域,大大扩展蓝牙技术的应用范围。 所以, 目前很多蓝牙厂商也都推出了符合蓝牙 4.0 版本的低功耗协议的蓝牙芯片

    五. 蓝牙发展轨迹

    如果你想看一下的那么多文字,又想吹水下发展历程,那么观看我们CSDN学院的课程就好:

    https://edu.csdn.net/course/detail/30065

    1998 年 5 月 20 日,爱立信联合 IBM、英特尔、诺基亚及东芝公司等 5 家著名厂商成立“特别兴趣小组”(Special Interest Group,SIG),即蓝牙技术联盟的前身,目标是开发一个成本低、效益高、可以在短距离范围内随意无线连接的蓝牙技术标准。当年蓝牙推出 0.7 规格,支持 Baseband 与 LMP(Link Manager Protocol)通讯协定两部分。

    1999 年先后推出 0.8 版、0.9 版、1.0 Draft 版。完成了 SDP(Service Discovery Protocol)协定和 TCS(Telephony Control Specification)协定。

    1999 年 7 月 26 日正式公布 1.0A 版,确定使用 2.4GHz 频段。和当时流行的红外线技术相比,蓝牙有着更高的传输速度,而且不需要像红外线那样进行接口对接口的连接,所有蓝牙设备基本上只要在有效通讯范围内使用,就可以进行随时连接。

    1999 年下半年,微软、摩托罗拉、三星、朗讯与蓝牙特别小组的五家公司共同发起成立了蓝牙技术推广组织,从而在全球范围内掀起了一股“蓝牙”热潮。

    到 2000 年 4 月,SIG 的成员数已超过 1500,其成长速度超过任何其他的无线联盟。

    蓝牙技术变迁历史

    第一代蓝牙:关于短距离通讯早期的探索

    1999 年:蓝牙 1.0

    早期的蓝牙 1.0 A 和 1.0B 版存在多个问题,有多家厂商指出他们的产品互不兼容。同时,在两个设备“链接”(Handshaking)的过程中,蓝牙硬件的地址(BD_ADDR)会被发送出去,在协议的层面上不能做到匿名,造成泄漏数据的危险。

    因此,当 1.0 版本推出以后,蓝牙并未立即受到广泛的应用。除了当时对应蓝牙功能的电子设备种类少,蓝牙装置也十分昂贵。

    2001 年:蓝牙 1.1

    蓝牙 1.1 版正式列入 IEEE 802.15.1 标准,该标准定义了物理层(PHY)和媒体访问控制(MAC)规范,用于设备间的无线连接,传输率为 0.7Mbps。但因为是早期设计,容易受到同频率之间产品干扰,影响通讯质量。

    2003 年:蓝牙 1.2

    蓝牙 1.2 版针对 1.0 版本暴露出的安全性问题,完善了匿名方式,新增屏蔽设备的硬件地址(BD_ADDR)功能,保护用户免受身份嗅探攻击和跟踪,同时向下兼容 1.1 版。此外,还增加了四项新功能:

    AFH(Adaptive Frequency Hopping)适应性跳频技术,减少了蓝牙产品与其它无线通讯装置之间所产生的干扰问题;

    eSCO(Extended Synchronous Connection-Oriented links)延伸同步连结导向信道技术,用于提供 QoS 的音频传输,进一步满足高阶语音与音频产品的需求;

    Faster Connection 快速连接功能,可以缩短重新搜索与再连接的时间,使连接过程更为稳定快速;

    支持 Stereo 音效的传输要求,但只能以单工方式工作。

    代表作:爱立信第一台蓝牙手机 T39mc

    第二代蓝牙:发力传输速率的 EDR 时

    2004 年:蓝牙 2.0

    蓝牙 2.0 是 1.2 版本的改良版,新增的 EDR(Enhanced Data Rate)技术通过提高多任务处理和多种蓝牙设备同时运行的能力,使得蓝牙设备的传输率可达 3Mbps。

    蓝牙 2.0 支持双工模式:可以一边进行语音通讯,一边传输文档/高质素图片。

    同时,EDR 技术通过减少工作负债循环来降低功耗,由于带宽的增加,蓝牙 2.0 增加了连接设备的数量。

    2007 年:蓝牙 2.1

    蓝牙 2.1 新增了 Sniff Subrating 省电功能,将设备间相互确认的讯号发送时间间隔从旧版的 0.1 秒延长到 0.5 秒左右,从而让蓝牙芯片的工作负载大幅降低。

    另外,新增 SSP 简易安全配对功能,改善了蓝牙设备的配对体验,同时提升了使用和安全强度。

    支持 NFC 近场通信,只要将两个内置有 NFC 芯片的蓝牙设备相互靠近,配对密码将通过 NFC 进行传输,无需手动输入。

    代表作:正在以蓝牙与无线耳机沟通的 Sony Ericsson P910i PDA 手机

    第三代蓝牙:High Speed,传输速率高达 24Mbps

    2009 年:蓝牙 3.0

    蓝牙 3.0 新增了可选技术 High Speed,High Speed 可以使蓝牙调用 802.11 WiFi 用于实现高速数据传输,传输率高达 24Mbps,是蓝牙 2.0 的 8 倍,轻松实现录像机至高清电视、PC 至 PMP、UMPC 至打印机之间的资料传输。

    蓝牙 3.0 的核心是 AMP(Generic Alternate MAC/PHY),这是一种全新的交替射频技术,允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择正确射频。

    功耗方面,蓝牙 3.0 引入了 EPC 增强电源控制技术,再辅以 802.11,实际空闲功耗明显降低。

    此外,新的规范还加入 UCD 单向广播无连接数据技术,提高了蓝牙设备的相应能力。

    代表作:蓝牙适配器

    第四代蓝牙:主推” Low Energy”低功耗

    2010 年:蓝牙 4.0

    蓝牙 4.0 是迄今为止第一个蓝牙综合协议规范,将三种规格集成在一起。其中最重要的变化就是 BLE(Bluetooth Low Energy)低功耗功能,提出了低功耗蓝牙、传统蓝牙和高速蓝牙三种模式:

    ”高速蓝牙“主攻数据交换与传输;“传统蓝牙”则以信息沟通、设备连接为重点;”低功耗蓝牙“以不需占用太多带宽的设备连接为主,功耗较老版本降低了 90%。

    BLE 前身是 NOKIA 开发的 Wibree 技术,本是作为一项专为移动设备开发的极低功耗的移动无线通信技术,在被 SIG 接纳并规范化之后重命名为 Bluetooth Low Energy(后简称低功耗蓝牙)。这三种协议规范还能够互相组合搭配、从而实现更广泛的应用模式。

    蓝牙 4.0 的芯片模式分为 Single mode 与 Dual mode。Single mode 只能与蓝牙 4.0 互相传输无法向下与 3.0/2.1/2.0 版本兼容;Dual mode 可以向下兼容 3.0/2.1/2.0 版本。前者应用于使用纽扣电池的传感器设备,例如对功耗要求较高的心率检测器和温度计;后者应用于传统蓝牙设备,同时兼顾低功耗的需求。

    此外,蓝牙 4.0 还把蓝牙的传输距离提升到100米以上(低功耗模式条件下)。拥有更快的响应速度,最短可在 3 毫秒内完成连接设置并开始传输数据。更安全的技术,使用 AES-128 CCM 加密算法进行数据包加密和认证。

    ^ 代表作:苹果 iPhone 4S 是第一款支持蓝牙 4.0 标准的智能手机

    2013 年:蓝牙 4.1

    蓝牙 4.1 在传输速度和传输范围上变化很小,但在软件方面有着明显的改进。此次更新目的是为了让 Bluetooth Smart 技术最终成为物联网(Internet of Things)发展的核心动力。

    支持与 LTE 无缝协作。当蓝牙与 LTE 无线电信号同时传输数据时,那么蓝牙 4.1 可以自动协调两者的传输信息,以确保协同传输,降低相互干扰。

    允许开发人员和制造商「自定义」蓝牙 4.1 设备的重新连接间隔,为开发人员提供了更高的灵活性和掌控度。

    支持「云同步」。蓝牙 4.1 加入了专用的 IPv6 通道,蓝牙 4.1 设备只需要连接到可以联网的设备(如手机),就可以通过 IPv6 与云端的数据进行同步,满足物联网的应用需求。

    支持「扩展设备」与「中心设备」角色互换。支持蓝牙 4.1 标准的耳机、手表、键鼠,可以不用通过 PC、平板、手机等数据枢纽,实现自主收发数据。例如智能手表和计步器可以绕过智能手机,直接实现对话。

    2014 年:蓝牙 4.2

    蓝牙 4.2 的传输速度更加快速,比上代提高了 2.5 倍,因为蓝牙智能(Bluetooth Smart)数据包的容量提高,其可容纳的数据量相当于此前的10倍左右。

    改善了传输速率和隐私保护程度,蓝牙信号想要连接或者追踪用户设备,必须经过用户许可。用户可以放心使用可穿戴设备而不用担心被跟踪。

    支持 6LoWPAN,6LoWPAN 是一种基于 IPv6 的低速无线个域网标准。蓝牙 4.2 设备可以直接通过 IPv6 和 6LoWPAN 接入互联网。这一技术允许多个蓝牙设备通过一个终端接入互联网或者局域网,这样,大部分智能家居产品可以抛弃相对复杂的 WiFi 连接,改用蓝牙传输,让个人传感器和家庭间的互联更加便捷快速。

    LE链接安全

    从Spec定义上蓝牙4.0和4.1的配对加密环节都是基于AES-CCM加密,但是由于蓝牙4.1双方共享同一密钥,所以存在被破解风险和漏洞。蓝牙4.2的pairing环节,采用Diffie-Hellman Key Exchange密钥交换算法进行加密,每一个设备有一对密钥对,公钥和私钥,私钥自己保存,公钥公开给对方,数据交互时,一方通过自己的私钥和对方的公钥进行加密文件,接收方通过自己私钥和传输方的公钥进行解密,从而有效的防止中间人破解密钥的事件发生。

    历代蓝牙标准性能

    隐私保护

    蓝牙在广播过程中会携带自己的BD address (bluetooth device address)即为蓝牙唯一的MAC地址,在某些应用,比如物流追踪应用当中是非常有帮助的,可以根据BD address固定物流设备。

    但是在某些应用不希望自己的BD address暴露在主端设备的监控下,蓝牙4.2给出了灵活的选择,蓝牙4.2规定,从机设备可以选择在广播模式下发送随机BD address,这样主端设备除了接该到设备之后才能获取其真实BD address,除此该设备广播模式的BD address为随机序列。

    第五代蓝牙:开启「物联网」时代大门

    2016 年:蓝牙 5.0

    蓝牙 5.0 在低功耗模式下具备更快更远的传输能力,传输速率是蓝牙 4.2 的两倍(速度上限为 2Mbps),有效传输距离是蓝牙 4.2 的四倍(理论上可达 300 米),数据包容量是蓝牙 4.2 的八倍。

    支持室内定位导航功能,结合 WiFi 可以实现精度小于 1 米的室内定位。

    针对 IoT 物联网进行底层优化,力求以更低的功耗和更高的性能为智能家居服务。

    低功耗版蓝牙与经典版蓝牙参数

    Mesh 网状网络:实现物联网的关键”钥匙“

    Mesh 网状网络是一项独立研发的网络技术,它能够将蓝牙设备作为信号中继站,将数据覆盖到非常大的物理区域,兼容蓝牙 4 和 5 系列的协议。

    传统的蓝牙连接是通过一台设备到另一台设备的「配对」实现的,建立「一对一」或「一对多」的微型网络关系。

    而 Mesh 网络能够使设备实现「多对多」的关系。Mesh 网络中每个设备节点都能发送和接收信息,只要有一个设备连上网关,信息就能够在节点之间被中继,从而让消息传输至比无线电波正常传输距离更远的位置。

    这样,Mesh 网络就可以分布在制造工厂、办公楼、购物中心、商业园区以及更广的场景中,为照明设备、工业自动化设备、安防摄像机、烟雾探测器和环境传感器提供更稳定的控制方案。

    办公楼里的 Mesh 网络

    物联网:未来蓝牙技术的新主场

    2019年1月:蓝牙5.1

    增加AoA/AoD,号称厘米级误差定位

    2019年12月31:蓝牙5.2

    增加BLE audio,LC3的编解码方式

    总结起来就几张图吧,如下:

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