BLE

一、技术介绍

（一）什么是 BLE

BLE 即 Bluetooth Low Energy，中文名为低功耗蓝牙，它是蓝牙技术联盟（Bluetooth Special Interest Group，简称 SIG）在蓝牙 4.0 及后续版本中引入的一项低功耗无线通信技术。与传统蓝牙相比，BLE 最大的特点就是在保持一定通信性能的基础上，极大地降低了功耗，使得设备能够以非常低的能量消耗进行数据传输。

想象一下，传统蓝牙设备就像是一个“大胃王”，需要大量的电量才能工作，而 BLE 设备则像是一个“节能小能手”，只需很少的电量就能完成数据的收发任务。这使得 BLE 技术在许多对功耗要求极高的应用场景中得到了广泛的应用，例如可穿戴设备、智能家居、医疗健康设备等。

（二）BLE 与传统蓝牙的对比

1. 功耗方面 传统蓝牙在连接和数据传输过程中会消耗较多的电量，这对于一些使用电池供电且需要长时间工作的设备来说是一个很大的问题。而 BLE 采用了独特的低功耗模式，在不需要传输数据时可以进入睡眠状态，只有在需要时才会短暂地唤醒进行数据传输，从而大大降低了整体功耗。例如，一个使用传统蓝牙的智能手表可能需要每天充电，而采用 BLE 技术的智能手表可能只需要一周甚至更长时间充一次电。
2. 传输速率方面 传统蓝牙的数据传输速率相对较高，能够满足一些对数据传输速度要求较高的应用，如音频传输等。而 BLE 的传输速率相对较低，但其传输速率对于大多数低数据量的应用场景已经足够，如传感器数据的传输等。
3. 连接范围方面 传统蓝牙的连接范围一般在 10 米左右，而 BLE 的连接范围在理想情况下可以达到几十米甚至更远，不过其连接范围会受到环境、障碍物等因素的影响。
4. 连接时间方面 传统蓝牙在建立连接时需要较长的时间，而 BLE 可以在短时间内快速建立连接，这使得它在一些需要频繁连接和断开的应用场景中具有很大的优势。

二、常见分类

（一）从应用角度分类

1. 可穿戴设备类 可穿戴设备是 BLE 技术应用最为广泛的领域之一。像智能手表、智能手环等，它们通常需要实时监测人体的各种数据，如心率、步数、睡眠质量等，并将这些数据传输到手机或其他终端设备上进行分析和展示。由于可穿戴设备通常采用电池供电，且需要长时间佩戴和工作，因此对功耗的要求非常高，而 BLE 技术正好满足了这一需求。例如，Fitbit 旗下的智能手环就广泛采用了 BLE 技术，能够实现与手机的低功耗连接，实时传输运动和健康数据。
2. 智能家居类 在智能家居领域，BLE 技术可以用于连接各种智能设备，如智能灯泡、智能门锁、智能插座等。通过手机或其他智能终端，用户可以方便地控制这些设备的开关、调节亮度、设置定时等功能。由于智能家居设备通常需要长时间处于待机状态，因此低功耗是非常重要的。例如，小米智能家居系列中的一些智能设备就采用了 BLE 技术，实现了与小米手机的便捷连接和控制。
3. 医疗健康类 医疗健康设备对数据传输的准确性和可靠性要求较高，同时也需要考虑设备的功耗和便携性。BLE 技术可以用于连接各种医疗健康设备，如血糖仪、血压计、体温计等，将测量数据实时传输到手机或其他医疗终端设备上，方便医生进行诊断和患者进行自我健康管理。例如，一些便携式的血糖仪可以通过 BLE 技术将血糖测量数据传输到手机上，患者可以随时查看自己的血糖变化情况。
4. 工业监测类 在工业领域，BLE 技术可以用于对设备的运行状态、环境参数等进行实时监测。例如，通过在工业设备上安装 BLE 传感器，可以实时采集设备的温度、振动、压力等数据，并将这些数据传输到监控中心，以便及时发现设备的故障和异常情况，进行预防性维护。此外，由于工业环境通常比较复杂，对设备的稳定性和抗干扰能力要求较高，而 BLE 技术具有一定的抗干扰能力，能够满足工业监测的需求。

（二）从技术规范角度分类

1. 蓝牙 4.0 BLE 蓝牙 4.0 是首次引入 BLE 技术的蓝牙标准版本。它在低功耗方面取得了重大突破，使得设备能够以极低的功耗进行数据传输。蓝牙 4.0 BLE 支持三种不同的角色：广播者（Advertiser）、观察者（Observer）、中央设备（Central）和外围设备（Peripheral）。广播者主要用于发送广播数据，观察者用于接收广播数据，中央设备和外围设备则可以建立连接进行数据传输。
2. 蓝牙 4.1 BLE 蓝牙 4.1 在蓝牙 4.0 的基础上进行了一些改进和优化。它提高了设备的兼容性和连接性能，支持同时连接多个设备，并且在数据传输速率和稳定性方面也有所提升。此外，蓝牙 4.1 还引入了一些新的功能，如 IPv6 网络支持，使得 BLE 设备可以更方便地接入互联网。
3. 蓝牙 4.2 BLE 蓝牙 4.2 进一步提升了 BLE 技术的安全性和数据传输效率。它采用了新的加密算法，增强了数据传输的安全性，同时提高了数据传输的速率和可靠性。蓝牙 4.2 还支持与 IPv6 网络的直接通信，使得 BLE 设备可以更方便地与互联网进行交互，为物联网应用提供了更好的支持。
4. 蓝牙 5.0 BLE 蓝牙 5.0 是 BLE 技术的一次重大升级。它在传输速度、覆盖范围和广播容量等方面都有了显著的提升。蓝牙 5.0 的传输速度是蓝牙 4.2 的两倍，覆盖范围是蓝牙 4.2 的四倍，广播容量也大大增加。这些提升使得蓝牙 5.0 在智能家居、工业物联网等领域的应用更加广泛。
5. 蓝牙 5.1 BLE 蓝牙 5.1 引入了测向功能，通过使用到达角（AoA）和出发角（AoD）技术，可以实现对 BLE 设备的高精度定位。这一功能在室内定位、资产追踪等领域具有很大的应用潜力。
6. 蓝牙 5.2 BLE 蓝牙 5.2 增加了一些新的功能和特性，如增强的 ATT 协议（LE Attribute Protocol）、周期性广播同步传输（Periodic Advertising Synchronized Transfer，PAST）等，进一步提高了 BLE 技术的性能和效率。

三、技术原理

（一）工作频段

BLE 工作在 2.4GHz 的 ISM（Industrial, Scientific and Medical）频段，这是一个全球通用的免费频段，许多无线通信技术都工作在这个频段。2.4GHz 频段具有较宽的带宽，可以提供较高的数据传输速率，同时也具有较好的穿透性和覆盖范围。

（二）通信模式

1. 广播模式 广播模式是 BLE 设备最基本的通信模式之一。在广播模式下，设备会周期性地发送广播数据包，这些数据包中包含了设备的一些基本信息，如设备名称、设备类型、服务信息等。其他设备可以通过扫描这些广播数据包来发现附近的 BLE 设备。例如，一个智能手环在开机后会不断地发送广播数据包，手机可以通过扫描这些广播数据包来发现该手环，并尝试建立连接。
2. 连接模式 当一个设备发现了另一个 BLE 设备并决定与之进行通信时，就需要建立连接。连接模式下，两个设备会进行配对和认证，然后建立一个稳定的通信链路。在连接模式下，设备可以进行双向的数据传输。例如，手机与智能手表建立连接后，手机可以向智能手表发送通知消息，智能手表也可以将运动数据等信息传输到手机上。

（三）协议栈

BLE 协议栈是实现 BLE 通信的核心部分，它包含了多个层次的协议，每个层次都有不同的功能。

1. 物理层（PHY） 物理层负责处理无线信号的收发和调制解调。它定义了 2.4GHz 频段的信道划分、调制方式、发射功率等参数。BLE 采用了高斯频移键控（GFSK）调制方式，这种调制方式具有较高的频谱效率和抗干扰能力。
2. 链路层（LL） 链路层负责设备之间的连接管理和数据传输。它包括了广播、扫描、连接建立、连接维护等功能。链路层还负责处理数据包的重传和错误检测，以确保数据传输的可靠性。
3. 主机控制接口层（HCI） 主机控制接口层是连接协议栈和上层应用的接口。它提供了一系列的命令和事件，用于控制和管理 BLE 设备。通过 HCI 接口，上层应用可以与 BLE 设备进行交互，如发送连接请求、读取设备数据等。
4. 逻辑链路控制和适配协议层（L2CAP） L2CAP 层负责对上层数据进行分段和重组，以适应底层链路层的数据包大小。它还提供了一些服务质量（QoS）控制机制，确保不同类型的数据能够得到合理的处理。
5. 属性协议层（ATT） ATT 层定义了设备之间如何发现和访问对方的属性。属性可以是设备的某个特征或服务，例如一个心率传感器的心率数据就是一个属性。ATT 层提供了读取、写入和通知等操作，用于访问和更新设备的属性。
6. 通用属性配置文件层（GATT） GATT 层是基于 ATT 层的应用层协议，它定义了设备之间如何组织和交换数据。GATT 层将属性组织成服务和特征的层次结构，使得设备之间可以更方便地进行数据交互。例如，一个智能手环的 GATT 配置文件可能包含了运动数据服务、心率数据服务等，每个服务又包含了多个特征，如步数特征、心率值特征等。
7. 应用层 应用层是 BLE 协议栈的最上层，它包含了具体的应用程序。应用层可以根据不同的应用场景和需求，调用下层协议提供的服务，实现各种功能。例如，一个智能健康监测应用程序可以通过调用 GATT 层的服务，读取智能手环的运动和健康数据，并进行分析和展示。

（四）数据传输流程

1. 设备发现 当一个 BLE 设备需要与其他设备进行通信时，首先需要发现附近的可用设备。设备可以通过扫描广播数据包来发现其他设备。扫描分为主动扫描和被动扫描两种方式。主动扫描时，扫描设备会发送扫描请求数据包，被扫描设备收到请求后会返回扫描响应数据包；被动扫描时，扫描设备只接收广播数据包，不发送扫描请求。
2. 连接建立 当扫描设备发现了一个感兴趣的设备后，会向该设备发送连接请求。被请求设备收到连接请求后，如果同意建立连接，会返回连接响应。双方通过一系列的握手过程，建立起一个稳定的连接。
3. 数据传输 连接建立后，两个设备就可以进行数据传输了。数据传输可以是单向的，也可以是双向的。设备可以通过读取、写入和通知等操作来访问和更新对方的属性。例如，一个手机可以通过读取智能手表的运动数据属性来获取运动数据，也可以通过写入属性来设置智能手表的一些参数。
4. 连接断开 当数据传输完成或不再需要连接时，设备可以发送断开连接请求，对方设备收到请求后会返回断开连接响应，双方断开连接。

四、发展历史

（一）起源

BLE 技术的起源可以追溯到 2006 年，当时诺基亚公司开发了一种名为 Wibree 的低功耗无线通信技术。Wibree 技术具有低功耗、低成本、小尺寸等特点，适用于一些对功耗要求较高的应用场景。2007 年，蓝牙技术联盟（SIG）决定将 Wibree 技术纳入蓝牙标准，并将其命名为 Bluetooth Low Energy（BLE）。

（二）蓝牙 4.0 及早期版本

2010 年，蓝牙技术联盟正式发布了蓝牙 4.0 标准，首次引入了 BLE 技术。蓝牙 4.0 标准的发布标志着 BLE 技术的正式诞生，它将传统蓝牙和低功耗蓝牙整合在一起，使得设备可以同时支持两种模式。早期的 BLE 技术主要应用于一些简单的低功耗设备，如鼠标、键盘等。

（三）后续版本的发展

1. 蓝牙 4.1（2013 年） 蓝牙 4.1 对 BLE 技术进行了一些改进和优化，提高了设备的兼容性和连接性能，支持同时连接多个设备，并且在数据传输速率和稳定性方面也有所提升。此外，蓝牙 4.1 还引入了一些新的功能，如 IPv6 网络支持，使得 BLE 设备可以更方便地接入互联网。
2. 蓝牙 4.2（2014 年） 蓝牙 4.2 进一步提升了 BLE 技术的安全性和数据传输效率。它采用了新的加密算法，增强了数据传输的安全性，同时提高了数据传输的速率和可靠性。蓝牙 4.2 还支持与 IPv6 网络的直接通信，使得 BLE 设备可以更方便地与互联网进行交互，为物联网应用提供了更好的支持。
3. 蓝牙 5.0（2016 年） 蓝牙 5.0 是 BLE 技术的一次重大升级。它在传输速度、覆盖范围和广播容量等方面都有了显著的提升。蓝牙 5.0 的传输速度是蓝牙 4.2 的两倍，覆盖范围是蓝牙 4.2 的四倍，广播容量也大大增加。这些提升使得蓝牙 5.0 在智能家居、工业物联网等领域的应用更加广泛。
4. 蓝牙 5.1（2017 年） 蓝牙 5.1 引入了测向功能，通过使用到达角（AoA）和出发角（AoD）技术，可以实现对 BLE 设备的高精度定位。这一功能在室内定位、资产追踪等领域具有很大的应用潜力。
5. 蓝牙 5.2（2020 年） 蓝牙 5.2 增加了一些新的功能和特性，如增强的 ATT 协议（LE Attribute Protocol）、周期性广播同步传输（Periodic Advertising Synchronized Transfer，PAST）等，进一步提高了 BLE 技术的性能和效率。

（四）未来发展趋势

随着物联网、人工智能等技术的不断发展，BLE 技术也将不断创新和完善。未来，BLE 技术可能会在以下几个方面取得进一步的发展：

1. 更高的性能：不断提高传输速度、覆盖范围和稳定性，以满足更多应用场景的需求。
2. 更低的功耗：进一步降低设备的功耗，延长电池续航时间，使得设备可以更长时间地工作。
3. 更强的安全性：加强数据加密和认证机制，保障数据传输的安全性，防止数据泄露和攻击。
4. 更多的应用场景：拓展 BLE 技术的应用领域，如智能医疗、智能交通、智能农业等，为人们的生活和工作带来更多的便利。

五、应用场景

（一）可穿戴设备

1. 智能手表 智能手表是 BLE 技术在可穿戴设备领域的典型应用之一。通过 BLE 技术，智能手表可以与手机建立连接，实现消息通知、运动监测、健康数据传输等功能。用户可以在智能手表上查看手机收到的短信、电话、社交软件消息等通知，同时智能手表还可以实时监测用户的心率、步数、睡眠质量等数据，并将这些数据传输到手机上进行分析和展示。例如，Apple Watch 就采用了 BLE 技术，与 iPhone 实现了无缝连接，为用户提供了便捷的使用体验。
2. 智能手环 智能手环也是广泛应用 BLE 技术的可穿戴设备。它通常具有运动监测、睡眠监测、心率监测等功能。智能手环通过 BLE 技术将监测到的数据传输到手机上，用户可以通过手机上的应用程序查看自己的运动和健康数据，制定合理的运动计划和健康管理方案。例如，小米手环系列就采用了 BLE 技术，凭借其高性价比和丰富的功能，受到了广大用户的喜爱。
3. 智能眼镜 智能眼镜可以通过 BLE 技术与手机或其他设备进行连接，实现音频播放、视频通话、导航等功能。用户可以通过智能眼镜接收手机上的音频和视频信号，享受更加便捷的视听体验。例如，Google Glass 就采用了 BLE 技术，实现了与手机的连接和数据传输。

（二）智能家居

1. 智能照明 在智能家居系统中，智能照明是一个重要的组成部分。通过 BLE 技术，用户可以使用手机或其他智能终端设备控制智能灯泡的开关、亮度、颜色等参数。用户可以根据不同的场景需求，设置灯光的亮度和颜色，营造出舒适的家居环境。例如，小米智能灯泡就支持 BLE 连接，用户可以通过小米手机上的米家 APP 轻松控制灯泡的开关和亮度。
2. 智能门锁 智能门锁采用 BLE 技术可以实现手机开锁、远程授权等功能。用户可以通过手机与智能门锁建立连接，使用手机上的 APP 开锁。同时，用户还可以将开锁权限授权给家人、朋友等，方便他们进出家门。例如，鹿客智能门锁就采用了 BLE 技术，为用户提供了更加便捷、安全的开锁方式。
3. 智能插座 智能插座可以通过 BLE 技术与手机连接，实现对电器设备的远程控制