倪俊杰

編者按：藍(lán)牙作為最常見的無線通信技術(shù)之一，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在智能穿戴、數(shù)碼產(chǎn)品、智能家居、車載系統(tǒng)、安防設(shè)備、遠(yuǎn)程遙控等產(chǎn)品中，是名副其實的近距離通信之王。不可否認(rèn)，我們已經(jīng)離不開藍(lán)牙了。那么，你真的了解藍(lán)牙嗎？藍(lán)牙是什么時候產(chǎn)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(lán)牙”的由來

大約在20世紀(jì)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?shù)氖袌龇浅？春?，認(rèn)為需要一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范，并且組建了一個特別興趣小組（Special Interest Group，簡稱SIG）來推進(jìn)這項通信技術(shù)的發(fā)展。這個特別小組就是藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟的前身，其目標(biāo)是開發(fā)一個成本低、效益高，可以在短距離范圍內(nèi)隨意無線連接的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。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(lán)牙”與后來的無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)聯(lián)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(yè)會議上，提議將“Bluetooth”作為無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的名稱，之后，“藍(lán)牙”一詞開始流行。

藍(lán)牙（Bluetooth）一詞，最早取自10世紀(jì)丹麥國王哈洛德·布美塔特（Harald Blatand）的綽號—Bluetooth。據(jù)說這位國王非常厲害，他將挪威、瑞典和丹麥統(tǒng)一起來，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來表示非常適合。相比于其他包括無線技術(shù)紅外、無線2.4G、Wi-Fi等技術(shù)來說，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。目前，藍(lán)牙符號也源自北歐盧恩符文“H”和“B”的合體（Harald Bluetooth）（如圖1）。

● 藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展歷程

藍(lán)牙技術(shù)一路走來，經(jīng)歷了多個版本的迭代。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

1994年，愛立信研究出了在移動電話和其他配件間進(jìn)行低功耗、低成本無線通信連接的方法，以此作為RS232數(shù)據(jù)線的替代方案。1999年，SIG在此基礎(chǔ)上發(fā)布了藍(lán)牙1.0。藍(lán)牙1.0的版本容易受到同頻率的產(chǎn)品干擾，影響通信質(zhì)量。藍(lán)牙1.1和1.2的傳輸率約在748～810kbps。藍(lán)牙1.2發(fā)布后，速度提升很多的Bluetooth2.0的規(guī)范也誕生了，該標(biāo)準(zhǔn)可以讓無線傳輸速度提升到一個新的級別。

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)上運轉(zhuǎn)更長時間;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)還針對硬件總線結(jié)構(gòu)的革新來提升傳輸速度，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)的信號發(fā)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(lán)牙芯片的工作負(fù)載大幅降低，讓藍(lán)牙有更多的時間徹底休眠。根據(jù)官方報告，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)時間可以有效延長5倍以上。再如，藍(lán)牙2.1支持通過NFC（Near Field Communication，近場通信）進(jìn)行配對，只需要將兩個藍(lán)牙設(shè)備靠近，按下一個鍵就可以配對，配對密碼將通過NFC進(jìn)行傳輸，無需手動輸入。兩個設(shè)備中一個必須內(nèi)置主動NFC芯片，另一個內(nèi)置被動NFC芯片，即可實現(xiàn)無人為干擾和操作的自動配對。這種方式大大簡化了藍(lán)牙設(shè)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(lán)牙溝通的安全隱患，所以，藍(lán)牙2.1標(biāo)準(zhǔn)中也針對安全進(jìn)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(lán)牙3.0及以上版本

2009年4月，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth SIG）正式頒布了新一代標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范“藍(lán)牙核心規(guī)范3.0版高速”（Bluetooth Core Specification Version 3.0 High Speed），藍(lán)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(shù)，允許藍(lán)牙協(xié)議棧針對任一任務(wù)動態(tài)地選擇正確射頻。作為新版規(guī)范，藍(lán)牙3.0的傳輸速度自然會更高，而秘密就在802.11無線協(xié)議上。通過集成“802.11PAL”（協(xié)議適應(yīng)層），藍(lán)牙3.0的數(shù)據(jù)傳輸率提高到了24Mbps左右（可在需要的時候調(diào)用802.11Wi-Fi用于實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸），是藍(lán)牙2.0的8倍，可以輕松用于錄像機(jī)、高清電視、計算機(jī)等設(shè)備之間的資料傳輸。在功耗方面，通過藍(lán)牙3.0高速傳送大量數(shù)據(jù)自然會消耗更多電量，但由于引入了增強(qiáng)電源控制（EPC）機(jī)制，再輔以802.11的支持，實際空閑功耗會明顯降低，藍(lán)牙設(shè)備的待機(jī)耗電問題有望得到初步解決。

4.藍(lán)牙4.0及以上版本

藍(lán)牙4.0是2012年發(fā)布的版本，較藍(lán)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(yōu)勢，通常用在藍(lán)牙耳機(jī)、藍(lán)牙音箱等設(shè)備上。藍(lán)牙4.0實際是個三位一體的藍(lán)牙技術(shù)，它將傳統(tǒng)藍(lán)牙、低功耗藍(lán)牙和高速藍(lán)牙技術(shù)融合在一起，這三個規(guī)格可以組合或者單獨使用。這三種協(xié)議規(guī)范能夠互相組合搭配，從而適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用模式。正因為有了三種可以互相組合搭配的協(xié)議，藍(lán)牙4.0才成為唯一一個綜合協(xié)議規(guī)范，它有著極低的運行和待機(jī)功耗。藍(lán)牙4.0版本的功耗較老版本降低了90%，強(qiáng)化了藍(lán)牙在數(shù)據(jù)傳輸上的低功耗性能。此外，藍(lán)牙4.1設(shè)備可以同時作為發(fā)射方和接受方，并且可以連接到多個設(shè)備上。

5.藍(lán)牙5.0及以上版本

藍(lán)牙5.0發(fā)布于2016年6月，增加了針對物聯(lián)網(wǎng)的支持。藍(lán)牙5.0相較于藍(lán)牙4.2LE主要有“2倍速度、4倍距離、8倍廣播數(shù)據(jù)傳輸量”的優(yōu)勢。2倍速度是指藍(lán)牙5.0的傳輸速率達(dá)到了24Mbps，是藍(lán)牙4.2LE的兩倍;4倍距離是指藍(lán)牙5.0的傳輸?shù)挠行Ь嚯x是上一版本的4倍，理論上藍(lán)牙發(fā)射和接收設(shè)備之間的有效工作距離可達(dá)300米，結(jié)合Wi-Fi技術(shù)可以實現(xiàn)精度小于1米的室內(nèi)定位;8倍廣播數(shù)據(jù)傳輸量是指藍(lán)牙5.0允許無需配對接受信標(biāo)的數(shù)據(jù)，如廣告、Beacon、位置信息等，這一傳輸率提高了8倍。當(dāng)然，藍(lán)牙5.0又大大降低了藍(lán)牙的功耗，使人們在使用藍(lán)牙的過程中再也不必?fù)?dān)心待機(jī)時間短的問題。目前最新版的藍(lán)牙5.1，加入了測向功能和厘米級的定位服務(wù)，該功能能使室內(nèi)的定位變得更加精準(zhǔn)，并在小物體的位置上也能準(zhǔn)確定位，避免物品遺失。

● 藍(lán)牙技術(shù)的工作原理

藍(lán)牙設(shè)備使用無線電波（而非電線或電纜）連接手機(jī)和計算機(jī)。當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備之間想要相互交流時，它們需要進(jìn)行配對，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境創(chuàng)建成功，一臺設(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)能夠建立相對短程、持續(xù)的無線連接，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)行相對遠(yuǎn)程的無線連接，為不需持續(xù)連接且所需電池壽命長的物聯(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）無線射頻單元。主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)和語音的發(fā)送和接收，特點是短距離、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)行射頻信號與數(shù)字或語音信號的相互轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)基帶協(xié)議和其他的底層連接規(guī)程。還有一個鏈路管理，負(fù)責(zé)管理藍(lán)牙設(shè)備之間的通信，實現(xiàn)鏈路的建立、驗證、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（加上無線部分），而其他協(xié)議則根據(jù)應(yīng)用的需要而定。總之，電纜替代協(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

一般來說，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度受到限制，因為長度增加，干擾也會增加，數(shù)據(jù)也就容易出錯。串行接口是指數(shù)據(jù)在有限的幾個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、PC card等通信，全稱是通用異步收發(fā)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(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，就用UART傳輸。數(shù)據(jù)傳輸如下頁圖5所示：Application Processor應(yīng)用處理器（簡稱AP）通過UART把數(shù)據(jù)發(fā)送到BT芯片中，再通過無線發(fā)射出去，對方接收到后繼續(xù)傳給AP處理。當(dāng)用藍(lán)牙耳機(jī)聽音樂時，音頻信號也由UART傳輸。音樂數(shù)據(jù)通過UART傳送出去，對方耳機(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。

（2）PCM部分，語言接口：主要用于通話時語音數(shù)據(jù)傳輸;全稱是脈沖編碼調(diào)制（Pulse Code Modulation），是傳輸語音信號所使用的調(diào)制方式。其主要用途是傳輸通話時的語音信號。脈沖調(diào)制就是把一個時間連續(xù)、取值連續(xù)的模擬信號變換成時間離散，取值離散的數(shù)字信號后在信道中傳輸。脈沖編碼調(diào)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(jīng)過抽樣量化后，得到已量化的脈沖幅度調(diào)制信號，它僅為有限個數(shù)值。對于打電話來說，規(guī)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?qū)?yīng)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(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

藍(lán)牙技術(shù)在20多年來得到了快速發(fā)展，在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用，廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品或物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，如手機(jī)、筆記本電腦、平板電腦等設(shè)備，還可以在微波爐、洗衣機(jī)、電冰箱等傳統(tǒng)家用電器中應(yīng)用。

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)、傳輸信號等。第一，在網(wǎng)絡(luò)還沒有那么發(fā)達(dá)的時候，使用手機(jī)藍(lán)牙來傳輸文件是非常方便的，可以用來傳輸手機(jī)中的照片、視頻、通訊錄等數(shù)據(jù);第二，手機(jī)藍(lán)牙也可以用來實現(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)牙來傳輸信號，如無線藍(lán)牙耳機(jī)，就是用藍(lán)牙來傳輸手機(jī)的聲音信號;第四，使用共享單車時，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有藍(lán)牙，通過藍(lán)牙可以實現(xiàn)電腦+手機(jī)、電腦+電腦、電腦+其他設(shè)備的連接，以此來傳輸文件。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)可以減少和其他無線通信技術(shù)之間存在的干擾，幫助設(shè)備在復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中與其他無線設(shè)備并存，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(lán)牙等無線連接協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)語音交互操作、語音喚醒及其他拓展應(yīng)用。特別是藍(lán)牙5的到來，能夠傳輸更遠(yuǎn)，速度更快，還包括更大的傳輸容量，使得藍(lán)牙技術(shù)為智能家居、智能工業(yè)等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用注入了一股新鮮血液。

上述內(nèi)容介紹了藍(lán)牙的發(fā)展歷程、工作原理以及在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，讓大家對藍(lán)牙技術(shù)有了基本的了解。在下一期，我們將繼續(xù)討論藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用，敬請期待！