低功耗藍(lán)牙廣播技術(shù)及其在智能交互中的應(yīng)用實例

鄒文婷

（四川長虹電器股份有限公司，四川 綿陽 621000）

1 低功耗藍(lán)牙技術(shù)

1.1 BLE 簡介

在V4.0 之前的版本演進中，藍(lán)牙協(xié)議主要追求通信速度的提升。藍(lán)牙協(xié)議V4.0 版本包括三個子規(guī)范，分別是傳統(tǒng)藍(lán)牙、高速藍(lán)牙以及低功耗藍(lán)牙（Bluetooh Low Energy，BLE）技術(shù)。其中首次增加的子集——低功耗BLE 協(xié)議，與傳統(tǒng)藍(lán)牙同樣使用免許可的2.4 GHz ISM（Industrial Scientific Medical，ISM）無線電頻段（主要開放給工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療領(lǐng)域使用），但顯著降低了功耗及成本。因此，BLE 目前廣泛被應(yīng)用于智慧家居、運動醫(yī)療等領(lǐng)域[1]。

1.2 BLE 廣播的頻段分布

藍(lán)牙使用2.4 GHz 的ISM 頻段，BLE 的物理信道一共分為40 個，每個信道帶寬為2 MHz。這40個物理信道被劃分為兩組，一組是37 個Data 數(shù)據(jù)信道，另外一組是3 個ADV 廣播信道。物理信道從0 ～39 進行編號，Index 與物理信道之間存在對應(yīng)關(guān)系，其中物理信道0 對應(yīng)Index37，物理信道12對應(yīng)Index38，物理信道39 對應(yīng)Index39。Index37，Index38，Index39 固定作為廣播信道，對應(yīng)的中心頻率分別為2 402 MHz，2 426 MHz，2 480 MHz。它們分散在整個BLE 頻段的不同區(qū)域。在藍(lán)牙連接成功建立之前，設(shè)備之間通過ADV（Advertising）廣播信道來交互數(shù)據(jù)，而在藍(lán)牙連接成功建立之后，就使用Data 數(shù)據(jù)信道來進行數(shù)據(jù)交互。一個廣播事件會在3 個廣播信道上分別發(fā)送一次，由于廣播信道之間相差至少24 MHz，因此3 個信道同時被干擾的幾率很小。在BLE 交互中，從設(shè)備通過廣播信道來表示自己的存在，主設(shè)備通過廣播信道來掃描和發(fā)起連接[2]。

1.3 BLE 廣播報文格式

低功耗藍(lán)牙規(guī)范中有兩類報文，分別是廣播報文和數(shù)據(jù)報文。這兩種報文具有兩種不同的用途。其中，廣播報文用于發(fā)現(xiàn)、連接過程，可以被多個設(shè)備掃描偵聽到，或者定向發(fā)給特定設(shè)備。而在連接建立后，則開始使用數(shù)據(jù)報文，只能被連接中的主、從設(shè)備所解析。廣播報文在廣播信道傳輸，數(shù)據(jù)報文在數(shù)據(jù)信道傳輸。報文格式為前導(dǎo)Preamble（1 Byte）+接入地址Access Address（4 Bytes）+協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU（2 ～39 Bytes）+CRC（3 Bytes）。

前導(dǎo)（Preamble）是報文最開始的8 bits，為10101010 或者01010101。在廣播通道固定使用10101010 即0xAA 作為前導(dǎo)，用于同步通信。Access Address 是接入地址，廣播包的接入地址固定為0x8e89bed6，數(shù)據(jù)包的接入地址則為一個32 bits 的隨機值；CRC 部分有3 個字節(jié)用于CRC 數(shù)據(jù)校驗[3]。

將PDU 進一步展開，協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU=Header（2 Bytes）+Payload（最大37 Bytes）。

Header 中的Type 通過4 bits 來標(biāo)識廣播類型，其中0000，0001，0010，0110 分別為BLE 廣播可設(shè)置的4 種類型，即可連接無定向廣播、可連接定向廣播、不可連接無定向廣播以及可掃描無定向廣播。定向和無定向是針對廣播的對象而言的，如果是針對特定對象的廣播（在廣播包PDU 中會包含目標(biāo)對象的BD_ADDR）就是定向廣播，反之就是無定向。可連接和不可連接是指是否接受連接請求，如果是不可連接的廣播類型，它將不回應(yīng)連接請求。可掃描類型是指可回應(yīng)掃描請求的廣播。

2 基于BLE 廣播控制設(shè)備的實例——控制設(shè)備開機

2.1 藍(lán)牙設(shè)備雙芯片標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)

嵌入藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)備一般由藍(lán)牙底層模塊controller 和藍(lán)牙主機host 組成。在實際應(yīng)用中，controller 位于一個獨立的藍(lán)牙模塊中，負(fù)責(zé)定義RF，Baseband 等偏硬件的規(guī)范，而藍(lán)牙host 位于主控CPU，負(fù)責(zé)在邏輯鏈路的基礎(chǔ)上進行更為友好的封裝，屏蔽藍(lán)牙的技術(shù)細(xì)節(jié)，使得藍(lán)牙應(yīng)用的開發(fā)更為方便。Controller 與host 兩者之間通過主機控制器接口（Host Controller Interface，HCI）協(xié)議進行通信[4]。

2.2 開機流程

通過藍(lán)牙對設(shè)備進行控制，一般需要被控制設(shè)備與控制設(shè)備之間配對并建立藍(lán)牙連接后才能通過連接事件（Connectiong Event）發(fā)送、接收控制信號，而建立連接的過程需要設(shè)備的藍(lán)牙協(xié)議棧host 處于工作狀態(tài)。被控制設(shè)備在關(guān)機狀態(tài)下，操作系統(tǒng)及藍(lán)牙協(xié)議棧host 都不處于工作狀態(tài)，無法進行配對、連接，因此需要特殊的流程來實現(xiàn)藍(lán)牙開機[5]，如圖1 所示，具體介紹如下。

圖1 開機流程實例

（1）被控制設(shè)備由HOST 與BT controller 模塊組成，彼此通過HCI 與GPIO 接口通信。

（2）被控制設(shè)備與控制設(shè)備在開機狀態(tài)下進行配對、連接，互相保存配對密鑰及藍(lán)牙MAC。

（3）被控制設(shè)備的BT controller 模塊長供電，即在關(guān)機狀態(tài)下，仍保持供電；被控制設(shè)備的host 在關(guān)機狀態(tài)下可以卸載藍(lán)牙驅(qū)動，關(guān)閉操作系統(tǒng)，進入睡眠（sleep）模式。

（4）被控制設(shè)備從開機狀態(tài)進入關(guān)機狀態(tài)前，通過HCI 將BT controller 模塊設(shè)置為WoBLE（Wake on BLE）模式，即處于BLE scan 狀態(tài)，能掃描到藍(lán)牙廣播并對收到的廣播數(shù)據(jù)進行解析。之后判斷該廣播包是否為本機的開機廣播包，即收到的廣播數(shù)據(jù)是否為指定格式，且在指定字段中是否包含本機的藍(lán)牙MAC。

（5）控制設(shè)備發(fā)出開機廣播包，開機廣播包的payload 經(jīng)過專門的設(shè)計，詳見第2 節(jié)。

（6）被控制設(shè)備的BT controller 模塊掃描到開機廣播報文，即通過GPIO 發(fā)出約定電平，控制主控CPU 部分系統(tǒng)開機、加載藍(lán)牙驅(qū)動、運行藍(lán)牙協(xié)議棧等操作。

（7）被控制設(shè)備系統(tǒng)開機后，通過HCI 接口設(shè)置BT controller 模塊退出WoBLE 模式。

2.3 開機廣播報文ADV_IND 設(shè)計

報文實例，如表1 所示。

表1 報文實例

針對報文實例的解析如下。

Adv PDU Header 中，Type=‘0x0’即可連接無定向廣播事件。TxAdd 與RxAdd 為‘0x0’即藍(lán)牙地址類型為Public Add（公共地址）。

ADV_IND 凈 荷 為：Payload=AdvA（6 bytes）+AdvData（0 ～31 bytes）。

AdvA 為控制設(shè)備，即發(fā)出開機廣播的設(shè)備的藍(lán)牙MAC 地址。

Adv Data 由多個AD Structure（結(jié)構(gòu)）組成，每個AD Structure 的格式都是由三部分構(gòu)成：長度（Length）+ 類 型（AD Type）+ 數(shù) 據(jù)（AD Data）。第一個AD Structure 的第一個字節(jié)是0x02，表示這個AD Structure 由02 和跟在02 后面的2 個字節(jié)組成：02 01 05。第二個AD Structure 的第一個字節(jié)是0x14，表示這個AD Structure 由14 和跟在14 后面的20 個字節(jié)組成：14 FF 0D 00 00 0A 01 3A 1F 38 10 FF FF FF FF 43 48 42 54 52 43。如表2 所示。

表2 開機廣播報文實例Adv Data

被控制設(shè)備的BT controller 模塊掃描到以上開機廣播報文，經(jīng)解析長度、格式滿足定義，且包含被控制設(shè)備的藍(lán)牙MAC（在示例中為0A 01 3A 1F 38 10），即通過IO 口輸出約定電平，控制主機部分開機。

3 結(jié) 語

目前，智能電視、智能機頂盒等產(chǎn)品廣泛應(yīng)用此設(shè)計方案來實現(xiàn)藍(lán)牙開機功能，或僅僅對報文內(nèi)容稍作調(diào)整定制，但流程設(shè)計相同。通過以上設(shè)計實例可以看出，雖然在BLE 技術(shù)中，廣播通常用于發(fā)現(xiàn)、連接過程，服務(wù)于最終藍(lán)牙連接的建立，但在本篇中，通過對廣播報文的特殊設(shè)計，利用廣播的特性，使得在藍(lán)牙連接未能成功建立的場景下，也可實現(xiàn)部分控制功能。因此，根據(jù)不同報文的特點，結(jié)合實際場景需求來對流程進行設(shè)計，可以幫助藍(lán)牙開發(fā)者實現(xiàn)更多的藍(lán)牙控制方式。