鄒文婷

（四川長(zhǎng)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(jiǎn)介

在V4.0 之前的版本演進(jìn)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(gè)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(yùn)動(dòng)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(gè)，每個(gè)信道帶寬為2 MHz。這40個(gè)物理信道被劃分為兩組，一組是37 個(gè)Data 數(shù)據(jù)信道，另外一組是3 個(gè)ADV 廣播信道。物理信道從0 ～39 進(jìn)行編號(hào)，Index 與物理信道之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中物理信道0 對(duì)應(yīng)Index37，物理信道12對(duì)應(yīng)Index38，物理信道39 對(duì)應(yīng)Index39。Index37，Index38，Index39 固定作為廣播信道，對(duì)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(gè)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(jìn)行數(shù)據(jù)交互。一個(gè)廣播事件會(huì)在3 個(gè)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(gè)信道同時(shí)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(bào)文格式

低功耗藍(lán)牙規(guī)范中有兩類報(bào)文，分別是廣播報(bào)文和數(shù)據(jù)報(bào)文。這兩種報(bào)文具有兩種不同的用途。其中，廣播報(bào)文用于發(fā)現(xiàn)、連接過程，可以被多個(gè)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(bào)文，只能被連接中的主、從設(shè)備所解析。廣播報(bào)文在廣播信道傳輸，數(shù)據(jù)報(bào)文在數(shù)據(jù)信道傳輸。報(bào)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(bào)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(gè)32 bits 的隨機(jī)值；CRC 部分有3 個(gè)字節(jié)用于CRC 數(shù)據(jù)校驗(yàn)[3]。

將PDU 進(jìn)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(shí)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(duì)廣播的對(duì)象而言的，如果是針對(duì)特定對(duì)象的廣播（在廣播包PDU 中會(huì)包含目標(biāo)對(duì)象的BD_ADDR）就是定向廣播，反之就是無定向?？蛇B接和不可連接是指是否接受連接請(qǐng)求，如果是不可連接的廣播類型，它將不回應(yīng)連接請(qǐng)求?？蓲呙桀愋褪侵缚苫貞?yīng)掃描請(qǐng)求的廣播。

2 基于BLE 廣播控制設(shè)備的實(shí)例——控制設(shè)備開機(jī)

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(jī)host 組成。在實(shí)際應(yīng)用中，controller 位于一個(gè)獨(dú)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(jìn)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(jī)控制器接口（Host Controller Interface，HCI）協(xié)議進(jìn)行通信[4]。

2.2 開機(jī)流程

通過藍(lán)牙對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，一般需要被控制設(shè)備與控制設(shè)備之間配對(duì)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(hào)，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(jī)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(jìn)行配對(duì)、連接，因此需要特殊的流程來實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙開機(jī)[5]，如圖1 所示，具體介紹如下。

圖1 開機(jī)流程實(shí)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(jī)狀態(tài)下進(jìn)行配對(duì)、連接，互相保存配對(duì)密鑰及藍(lán)牙MAC。

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

（4）被控制設(shè)備從開機(jī)狀態(tài)進(jìn)入關(guān)機(jī)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(duì)收到的廣播數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。之后判斷該廣播包是否為本機(jī)的開機(jī)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(jī)的藍(lán)牙MAC。

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

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

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

2.3 開機(jī)廣播報(bào)文ADV_IND 設(shè)計(jì)

報(bào)文實(shí)例，如表1 所示。

表1 報(bào)文實(shí)例

針對(duì)報(bào)文實(shí)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(jī)廣播的設(shè)備的藍(lán)牙MAC 地址。

Adv Data 由多個(gè)AD Structure（結(jié)構(gòu)）組成，每個(gè)AD Structure 的格式都是由三部分構(gòu)成：長(zhǎng)度（Length）+ 類 型（AD Type）+ 數(shù) 據(jù)（AD Data）。第一個(gè)AD Structure 的第一個(gè)字節(jié)是0x02，表示這個(gè)AD Structure 由02 和跟在02 后面的2 個(gè)字節(jié)組成：02 01 05。第二個(gè)AD Structure 的第一個(gè)字節(jié)是0x14，表示這個(gè)AD Structure 由14 和跟在14 后面的20 個(gè)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(jī)廣播報(bào)文實(shí)例Adv Data

被控制設(shè)備的BT controller 模塊掃描到以上開機(jī)廣播報(bào)文，經(jīng)解析長(zhǎng)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(jī)部分開機(jī)。

3 結(jié) 語

目前，智能電視、智能機(jī)頂盒等產(chǎn)品廣泛應(yīng)用此設(shè)計(jì)方案來實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙開機(jī)功能，或僅僅對(duì)報(bào)文內(nèi)容稍作調(diào)整定制，但流程設(shè)計(jì)相同。通過以上設(shè)計(jì)實(shí)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(duì)廣播報(bào)文的特殊設(shè)計(jì)，利用廣播的特性，使得在藍(lán)牙連接未能成功建立的場(chǎng)景下，也可實(shí)現(xiàn)部分控制功能。因此，根據(jù)不同報(bào)文的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際場(chǎng)景需求來對(duì)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以幫助藍(lán)牙開發(fā)者實(shí)現(xiàn)更多的藍(lán)牙控制方式。