藍牙：近距離通信之王

倪俊杰

編者按：藍牙作為最常見的無線通信技術之一，已經被廣泛應用在智能穿戴、數碼產品、智能家居、車載系統、安防設備、遠程遙控等產品中，是名副其實的近距離通信之王。不可否認，我們已經離不開藍牙了。那么，你真的了解藍牙嗎？藍牙是什么時候產生的？有哪些類型？它的工作原理是什么？本期及下期，我們一起來探討這些問題。

● “藍牙”的由來

大約在20世紀90年代左右，以Intel、Ericsson和Nokia為代表的通信公司，對短距離無線通信傳輸的市場非常看好，認為需要一個統一的標準來規范，并且組建了一個特別興趣小組（Special Interest Group，簡稱SIG）來推進這項通信技術的發展。這個特別小組就是藍牙技術聯盟的前身，其目標是開發一個成本低、效益高，可以在短距離范圍內隨意無線連接的技術標準。一開始，各家公司提出了不同的提案，且名稱代號都不一樣，這樣就難以推行開來。而將“藍牙”與后來的無線通信技術標準關聯在一起的，是一位來自英特爾的工程師Jim Kardach。他在一次無線通信行業會議上，提議將“Bluetooth”作為無線通信技術標準的名稱，之后，“藍牙”一詞開始流行。

藍牙（Bluetooth）一詞，最早取自10世紀丹麥國王哈洛德·布美塔特（Harald Blatand）的綽號—Bluetooth。據說這位國王非常厲害，他將挪威、瑞典和丹麥統一起來，并且口齒伶俐、善于交際。而藍牙技術也是被定義為允許不同工業領域之間協調工作、保持各系統領域間良好交流的技術，因此，使用Bluetooth來表示非常適合。相比于其他包括無線技術紅外、無線2.4G、Wi-Fi等技術來說，藍牙具有加密措施完善、傳輸過程穩定以及兼容設備豐富等諸多優點。目前，藍牙符號也源自北歐盧恩符文“H”和“B”的合體（Harald Bluetooth）（如圖1）。

● 藍牙技術的發展歷程

藍牙技術一路走來，經歷了多個版本的迭代。從最初的1.0到最新的5.0，藍牙技術發生了巨大變化，其性能也在不斷增強。

1.藍牙1.0及以上版本

1994年，愛立信研究出了在移動電話和其他配件間進行低功耗、低成本無線通信連接的方法，以此作為RS232數據線的替代方案。1999年，SIG在此基礎上發布了藍牙1.0。藍牙1.0的版本容易受到同頻率的產品干擾，影響通信質量。藍牙1.1和1.2的傳輸率約在748～810kbps。藍牙1.2發布后，速度提升很多的Bluetooth2.0的規范也誕生了，該標準可以讓無線傳輸速度提升到一個新的級別。

2.藍牙2.0及以上版本

藍牙2.0是藍牙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，既可以語音通信，也可以傳輸圖片等數據。藍牙2.0標準與藍牙1.2標準的差別很大，改進也很多。例如，藍牙2.0標準能夠提高3倍數據傳輸速度，理想情況下更可高達10倍，全面支持每秒4M、8M和12M的傳輸速率;藍牙2.0標準的能耗也大大降低，可以在電力一定的基礎上運轉更長時間;另外，還大大增加了連接設備的數量。藍牙2.0標準除了軟件上的改革，藍牙2.0標準還針對硬件總線結構的革新來提升傳輸速度，從而在本質上提高了數據傳輸速度。

藍牙2.1在很多地方做了技術改進。例如，藍牙2.1將裝置之間相互確認的信號發送時間間隔從舊版的0.1秒延長到0.5秒左右，如此可以讓藍牙芯片的工作負載大幅降低，讓藍牙有更多的時間徹底休眠。根據官方報告，采用此技術之后，藍牙裝置在開啟藍牙聯機之后的待機時間可以有效延長5倍以上。再如，藍牙2.1支持通過NFC（Near Field Communication，近場通信）進行配對，只需要將兩個藍牙設備靠近，按下一個鍵就可以配對，配對密碼將通過NFC進行傳輸，無需手動輸入。兩個設備中一個必須內置主動NFC芯片，另一個內置被動NFC芯片，即可實現無人為干擾和操作的自動配對。這種方式大大簡化了藍牙設備的日常使用，不過正是由于免除了配對驗證的過程有可能帶來的藍牙溝通的安全隱患，所以，藍牙2.1標準中也針對安全進行了很大的改善，使我們在無人操作自動配對的情況下依然可以安全訪問資源，不會造成隱私信息的隨意泄露。

3.藍牙3.0及以上版本

2009年4月，藍牙技術聯盟（Bluetooth SIG）正式頒布了新一代標準規范“藍牙核心規范3.0版高速”（Bluetooth Core Specification Version 3.0 High Speed），藍牙3.0的核心是AMP（Generic Alternate MAC/PHY），這是一種全新的交替射頻技術，允許藍牙協議棧針對任一任務動態地選擇正確射頻。作為新版規范，藍牙3.0的傳輸速度自然會更高，而秘密就在802.11無線協議上。通過集成“802.11PAL”（協議適應層），藍牙3.0的數據傳輸率提高到了24Mbps左右（可在需要的時候調用802.11Wi-Fi用于實現高速數據傳輸），是藍牙2.0的8倍，可以輕松用于錄像機、高清電視、計算機等設備之間的資料傳輸。在功耗方面，通過藍牙3.0高速傳送大量數據自然會消耗更多電量，但由于引入了增強電源控制（EPC）機制，再輔以802.11的支持，實際空閑功耗會明顯降低，藍牙設備的待機耗電問題有望得到初步解決。

4.藍牙4.0及以上版本

藍牙4.0是2012年發布的版本，較藍牙3.0版本有更省電、成本低、3毫秒低延遲、超長有效連接距離、AES-128加密等優勢，通常用在藍牙耳機、藍牙音箱等設備上。藍牙4.0實際是個三位一體的藍牙技術，它將傳統藍牙、低功耗藍牙和高速藍牙技術融合在一起，這三個規格可以組合或者單獨使用。這三種協議規范能夠互相組合搭配，從而適應更廣泛的應用模式。正因為有了三種可以互相組合搭配的協議，藍牙4.0才成為唯一一個綜合協議規范，它有著極低的運行和待機功耗。藍牙4.0版本的功耗較老版本降低了90%，強化了藍牙在數據傳輸上的低功耗性能。此外，藍牙4.1設備可以同時作為發射方和接受方，并且可以連接到多個設備上。

5.藍牙5.0及以上版本

藍牙5.0發布于2016年6月，增加了針對物聯網的支持。藍牙5.0相較于藍牙4.2LE主要有“2倍速度、4倍距離、8倍廣播數據傳輸量”的優勢。2倍速度是指藍牙5.0的傳輸速率達到了24Mbps，是藍牙4.2LE的兩倍;4倍距離是指藍牙5.0的傳輸的有效距離是上一版本的4倍，理論上藍牙發射和接收設備之間的有效工作距離可達300米，結合Wi-Fi技術可以實現精度小于1米的室內定位;8倍廣播數據傳輸量是指藍牙5.0允許無需配對接受信標的數據，如廣告、Beacon、位置信息等，這一傳輸率提高了8倍。當然，藍牙5.0又大大降低了藍牙的功耗，使人們在使用藍牙的過程中再也不必擔心待機時間短的問題。目前最新版的藍牙5.1，加入了測向功能和厘米級的定位服務，該功能能使室內的定位變得更加精準，并在小物體的位置上也能準確定位，避免物品遺失。

● 藍牙技術的工作原理

藍牙設備使用無線電波（而非電線或電纜）連接手機和計算機。當藍牙設備之間想要相互交流時，它們需要進行配對，當網絡環境創建成功，一臺設備作為主設備，而所有其他設備作為從設備。藍牙設備之間的通信就是在短程的臨時網絡（指設備使用藍牙技術連接而成的網絡）中進行。常見的藍牙技術有三種，分別是BR/EDR（基本速率/增強數據率技術）技術、BLE（低功耗技術）和融合上述兩種技術的雙模式技術。其中，BR/EDR技術能夠建立相對短程、持續的無線連接，是播放音頻流的理想之選，一般用于揚聲器和耳機等產品;而BLE技術允許快速進行相對遠程的無線連接，為不需持續連接且所需電池壽命長的物聯網（IoT）應用的理想選擇，常用于市面上的最新產品中，如手環、Beacon感應器（通過藍牙技術發送數據的小型發射器）和智能家居設備。

1.藍牙的系統構成

藍牙技術核心系統包括無線射頻單元、基帶與鏈路控制單元及藍牙協議堆棧三個方面（如圖2）。該系統可以提供設備連接服務，并支持在這些設備之間交換各種類別的數據。

（1）無線射頻單元。主要負責數據和語音的發送和接收，特點是短距離、低功耗。藍牙天線一般體積小、重量輕，屬于微帶天線。

（2）基帶與鏈路控制單元。進行射頻信號與數字或語音信號的相互轉化，實現基帶協議和其他的底層連接規程。還有一個鏈路管理，負責管理藍牙設備之間的通信，實現鏈路的建立、驗證、鏈路配置等操作。

（3）藍牙協議堆棧。藍牙協議相對復雜，藍牙協議體系中的協議按SIG的關注程度分為四層（如上頁圖3）：①核心協議，包含BaseBand、LMP、L2CAP、SDP等;②電纜替代協議，包含RFCOMM;③電話傳送控制協議，包含TCS-Binary、AT命令集;④選用協議，包含PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard、vCal、IrMC、WAE等。除上述協議層外，規范還定義了主機控制器接口（HCI），它為基帶控制器、連接管理器、硬件狀態和控制寄存器提供命令接口。

藍牙核心協議由SIG制定的藍牙專用協議組成。絕大部分藍牙設備都需要核心協議（加上無線部分），而其他協議則根據應用的需要而定。總之，電纜替代協議、電話控制協議和其他可能被采用的協議在核心協議基礎上構成了面向應用的協議。

2.藍牙的硬件接口

一般來說，數據傳輸的接線方式，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傳輸數據的接口。數據通過并行線進行傳送，這樣數據傳送速度大大提高，但并行傳送的線路長度受到限制，因為長度增加，干擾也會增加，數據也就容易出錯。串行接口是指數據在有限的幾個IO上按照順序，一位一位地進行傳輸。這類接口有很多，一般包括UART、IIC、SPI、CAN、USB等。

藍牙與主控部分硬件接口比較簡單，主要分三部分，如圖4所示。

（1）UART部分，是串行接口：主要負責數據傳輸;有其他USB、SDIO、PC card等通信，全稱是通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），硬件接口比較簡單，只有RX、DX。UART0用于trout芯片的debug：是傳輸數據的接口，可以傳輸音頻數據和文件數據。當通過藍牙和別人互傳文件時，就用UART傳輸。數據傳輸如下頁圖5所示：Application Processor應用處理器（簡稱AP）通過UART把數據發送到BT芯片中，再通過無線發射出去，對方接收到后繼續傳給AP處理。當用藍牙耳機聽音樂時，音頻信號也由UART傳輸。音樂數據通過UART傳送出去，對方耳機接收到后解碼播放。如果是錄音數據，則同樣傳回手機端存儲。

（2）PCM部分，語言接口：主要用于通話時語音數據傳輸;全稱是脈沖編碼調制（Pulse Code Modulation），是傳輸語音信號所使用的調制方式。其主要用途是傳輸通話時的語音信號。脈沖調制就是把一個時間連續、取值連續的模擬信號變換成時間離散，取值離散的數字信號后在信道中傳輸。脈沖編碼調制就是對模擬信號先抽樣，再對樣值幅度量化、編碼的過程。一個模擬信號經過抽樣量化后，得到已量化的脈沖幅度調制信號，它僅為有限個數值。對于打電話來說，規定抽樣率是8KHz，每抽樣值編碼8位，即共有28=256個量化值。

（3）Power部分：是BT模塊的電源控制部分，這是程序對應引腳按Power on/off時序來完成on/off操作。同其他硬件一樣，這也是通過時序控制的。

● 藍牙技術的應用領域

藍牙技術在20多年來得到了快速發展，在許多領域都有應用，廣泛應用于電子產品或物聯網設備中，如手機、筆記本電腦、平板電腦等設備，還可以在微波爐、洗衣機、電冰箱等傳統家用電器中應用。

1.藍牙在手機（平板電腦）中的應用

在手機（平板電腦）中，藍牙的作用主要包含傳輸文件、共享網絡、傳輸信號等。第一，在網絡還沒有那么發達的時候，使用手機藍牙來傳輸文件是非常方便的，可以用來傳輸手機中的照片、視頻、通訊錄等數據;第二，手機藍牙也可以用來實現網絡共享，只需要用藍牙連接兩部手機之后，通過藍牙共享網絡就能夠實現手機網絡共享;第三，手機使用藍牙來傳輸信號，如無線藍牙耳機，就是用藍牙來傳輸手機的聲音信號;第四，使用共享單車時，可以使用手機藍牙進行解鎖。

2.藍牙在筆記本電腦中的應用

現在筆記本電腦上都會有藍牙，通過藍牙可以實現電腦+手機、電腦+電腦、電腦+其他設備的連接，以此來傳輸文件。如果需要連接藍牙，可以在電腦系統的右下角狀態欄中設置“添加設備”（如果是Win10操作系統，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打開的藍牙設備了。特別是電腦連接外接設備，如鼠標、鍵盤、耳機、音響等，都是非常實用的。

3.藍牙在物聯網設備中的應用

藍牙技術可以減少和其他無線通信技術之間存在的干擾，幫助設備在復雜的物聯網環境中與其他無線設備并存，在物聯網應用中有著重要的地位。例如，智能音箱作為智能家居的控制中樞，通過Wi-Fi、藍牙等無線連接協議，能夠實現語音交互操作、語音喚醒及其他拓展應用。特別是藍牙5的到來，能夠傳輸更遠，速度更快，還包括更大的傳輸容量，使得藍牙技術為智能家居、智能工業等物聯網應用注入了一股新鮮血液。

上述內容介紹了藍牙的發展歷程、工作原理以及在不同領域的應用，讓大家對藍牙技術有了基本的了解。在下一期，我們將繼續討論藍牙技術的應用，敬請期待！